바이오인

핵심내용

T세포 분화 조절하는 마이크로RNA의 역할 규명
- 만성 감염성질환 및 암에 대한 백신 개발 가능성 열려 -

□ 만성 감염성질환이나 암에 대한 백신 개발 가능성이 열렸다. 한국연구재단(이사장 조무제)은 하상준 교수(연세대), 김태돈 책임연구원 (한국생명공학연구원) 공동연구팀이 “마이크로RNA*-150이 기억T세포*의 분화를 조절하는 새로운 기능이 있음을 최초로 규명했다”고 밝혔다.
  * 마이크로RNA : 길이가 23뉴클레오티드(nt) 이하인 아주 작은 한 가닥의 RNA 조각. 사람의 경우 약 1,000여 종의 마이크로RNA가 존재하며 세포 내에서 발생, 성장, 노화, 면역 등 다양한 생명현상 관련 분자 발현을 조절함.
  * 기억T세포 : 감염된 세포나 종양세포를 직접적으로 사멸시킬 수 있는 림프구로서, 병원체나 종양 항원을 기억해 병원체 재감염이나 종양 재발 시 강력하고 빠른 면역반응을 유도함.

□ T세포가 외부 항원을 인식하면, 그 중 일부가 기억T세포로 분화된다. 이 기억T세포는 동일한 항원에 다시 노출될 때 강력한 2차면역반응을 유도해내어 병원체의 재감염이나 종양의 재발을 억제한다.

□ 병원균 만성감염 환자나 암 환자에서는 기억T세포가 제대로 형성되지 않는다. 이를 예방하거나 치료하기 위해서는 기억T세포 분화를 효과적으로 유도할 수 있는 백신 개발이 필요하다.

□ 연구팀은 마이크로RNA-150이 Foxo1* 단백질 발현을 억제함으로서, 기억T세포로의 분화를 제어하는 사실을 규명하였다.
  * Foxo1 : 기억T세포로의 분화 유도에 관련된 다양한 유전자를 발현시킬 수 있는 핵심 전사 인자를 일컬음.

  ㅇ 연구팀은 마이크로RNA-150가 결핍된 생쥐에 바이러스를 감염시킨 후 T세포 분화를 조사한 결과, 정상 생쥐에 비해 기억T세포로의 분화가 가속화되었음을 확인했다.

  ㅇ 마이크로RNA-150가 결핍된 T세포는 분화과정에서 Foxo1 단백질 발현이 증가된 반면, 마이크로RNA-150이 과발현된 T세포는 Foxo1 단백질 발현이 억제됨을 확인했다.

  ㅇ 마이크로RNA-150가 결핍된 기억T세포를 생쥐에 이식하면, 정상 기억T세포를 이식한 생쥐에 비해 노출 경험이 있는 외부항원을 보유한 바이러스의 감염이나 종양세포의 증식이 보다 강하게 제어됐다.

□ 하상준 교수는 “이번 연구를 통해 기억T세포 분화에서 핵심적인 마이크로RNA-150의 작용 기전을 규명해냈다”며 “C형간염, 에이즈, 결핵 등 감염성 질환을 위한 예방백신 및 항암 백신 치료제 개발에 중요한 실마리가 될 것”이라고 연구의 의의를 설명했다.

□ 이 연구는 과학기술정보통신부·한국연구재단 기초연구사업(개인연구)과 보건복지부·보건산업진흥원 감염병위기대응기술개발사업(면역백신개발, 난치성결핵극복기술개발)의 지원으로 수행됐으며, 국제학술지 셀 리포트(Cell Reports) 9월 12일자에 게

재됐다.

□ 논문명, 저자정보
- 논 문 명 : MiR-150-mediated Foxo1 regulation programs CD8+ T cell differentiation
- 저자정보 : 하상준 교수 (공동교신저자, 연세대학교 생화학과)김태돈 책임연구원 (공동교신저자, 한국생명공학연구원)반영호 박사 (제1저자, 연세대학교 생화학과)

□ 논문의 주요 내용

 1. 연구의 필요성

  ○ T세포는 병원체 감염 후에 증식하여 1차면역반응을 유도하는데 일부 T세포는 기억T세포*로 분화하게 된다. 형성된 기억T세포는 동일한 병원체가 재 침입했을 때 더 강력한 2차면역반응을 수행하여 감염을 신속하게 제어할 수 있기 때문에 기억T세포 분화기술은 감염성 백신의 개발에 필수적인 기술이다.
     * 기억T세포 : 감염된 세포나 종양세포를 직접적으로 사멸시킬 수 있는 림프구로서, 병원체나 종양항원을 기억하여 병원체의 재감염이나 종양의 재발 시 강력하고 빠른 면역반응을 유도함.

  ○ 최근 기억T세포의 분화에 핵심적인 역할을 하는 단백질인 Foxo1*이 발견되었고 이는 기억T세포 분화에 관련된 유전자 발현에 중요한 전사인자임이 규명되었다.
     * Foxo1 : 기억T세포로의 분화 유도에 관련된 다양한 유전자를 발현시킬 수 있는 핵심 전사인자를 일컬음.

  ○ 최근 Akt에 의해 인산화된 Foxo1은 핵 밖으로 이동하여 기억T세포의 분화가 억제된다는 결과가 발표되었다. 하지만 Akt에 의한 Foxo1 억제 기작 이외에 보다 상위단계에서 Foxo1 발현을 조절하는 기전은 전혀 규명되지 않았다. 따라서 Foxo1 발현을 조절하는 새로운 인자를 발굴하는 것은 기억T세포 분화 기술에 필수적으로 요구되는 연구이다.

2. 연구내용

  ○ 연구팀은 마이크로RNA*-150이 결핍된 생쥐에 바이러스를 감염시킨 후 T세포 분화를 관찰한 결과 정상생쥐에 비해 마이크로RNA-150 결핍 생쥐에서 기억T세포로의 분화가 촉진되어 있음을 발견하였다.
     * 마이크로RNA : 길이가 23 뉴클레오티드 이하의 아주 작은 한 가닥 RNA 조각으로서 사람의 경우 약 1,000여 종의 마이크로RNA가 존재하며 세포 내에서 발생, 성장, 노화, 면역 등 다양한 생명현상에 관련된 분자들의 발현을 조절함.

  ○ 마이크로RNA-150 결핍 생쥐에서 분리한 T세포는 정상 생쥐에서 분리한 T세포에 비해 신속한 기억T세포 분화가 이루어짐을 확인함으로써 T세포 내에 존재하는 마이크로RNA–150이 직접 기억T세포 분화 과정을 조절하는 것임을 규명하였다. 또한 마이크로RNA–150이 결핍된 기억T세포는 바이러스나 박테리아의 감염을 제어하고 종양 생성을 지연시킬 수 있음을 확인하였다.

  ○ T세포 내 마이크로RNA–150은 Foxo1 전사체에 결합하여 Foxo1 발현을 억제하고 이로 인해 기억T세포로의 분화가 지연됨

을 밝혀냄으로써, 마이크로RNA–150에 의한 기억T세포 분화 조절의 분자 기전을 규명하였다.

3. 연구 성과

  ○ 마이크로RNA-150의 T세포 분화 조절에 대한 연구가 전무하였는데 이번 연구를 통해 마이크로RNA-150 매개 Foxo1 발현 억제가 기억T세포 분화를 조절할 수 있음을 최초로 규명하였다.

  ○ 마이크로RNA-150의 새로운 타겟으로 Foxo1 전사체를 발견하였으며, 이를 통해 T세포 뿐만 아니라 다른 세포에서도 마이크로RNA-150에 의한 Foxo1 발현 조절에 의해 분화 조절이 가능할 수 있음을 시사하였다.

  ○ T세포에서 마이크로RNA-150을 제거하여 기억T세포 분화를 촉진할 수 있음을 확인함으로써 C형간염, 에이즈, 결핵 등의 감염성 질환에 대한 예방백신 개발이나 항암 면역백신과 같은 치료제 개발의 단초를 제공하였다.

상세내용

연구개요

 1. 연구배경

  ㅇ T세포는 다량의 바이러스, 박테리아 그리고 암세포들을 제거하는데 중요한 역할을 한다. 이 세포는 병원체나 암세포를 제거한 후 기억T세포를 형성하면 동일한 외부항원의 침입이 발생했을 때 더 강하고 빠른 면역반응을 나타낼 수 있으므로 효과적인 기억T세포를 만들 수 있는 백신의 개발이 시급한 실정이다.

  ㅇ Foxo1은 T세포의 분화에 중요한 단백질로써 기억T세포를 형성하는 데 필요한 여러 가지 유전자들을 발현하게 하는 전사 인자다. Foxo1 유전자가 억제될 경우 T세포는 기억T세포를 형성하지 못하기 때문에 후천성 면역반응을 끌어내지 못하게 된다. 현재까지는 Akt에 의한 Foxo1 인산화가 유일하게 알려진 Foxo1 단백질 조절 기전이었으며 그 이외의 Foxo1 단백질의 발현이나 기능 조절 기전은 알려져 있지 않았다.

  ㅇ 하지만 T세포의 활성이 가능한 상태에서만 Akt가 활성화되어 Foxo1 단백질 발현을 억제할 수 있기 때문에 만성감염이나 종양미세환경과 같이 T세포 활성이 억제된 상황에서는 더 이상 Akt가 Foxo1 기능 조절에 영향을 주지 못한다. 따라서 다양한 상황에서 T세포 내 Foxo1 유전자를 억제하는 상위조절자의 발굴은 감염 또는 종양을 효과적으로 치료하기 위해서 매우 중요한 과제이다.

 2. 연구내용

  ㅇ 생쥐에 림프구성 맥락수막염바이러스(lymphocytic choriomeningitis virus, LCMV) Armstrong을 감염시키면 일부 T세포는 기억T세포로 분화하기 시작한다. 바이러스를 마이크로RNA-150이 결핍된 생쥐에 감염하면 정상생쥐에 감염하였을 때와 비교해 기억T세포의 분화가 가속화됨을 확인하였다.

  ㅇ 마이크로RNA-150이 결핍된 T세포는 기억T세포로의 분화 가속화뿐만 아니라 사이토카인 분비 강화를 나타냈다. 뿐만 아니라 마이크로RNA-150 결핍 기억T세포를 이식받은 생쥐는 정상 기억T세포를 이식받은 생쥐에 비해 처음 노출됐던 외부항원을 보유한 바이러스나 박테리아에 의한 감염과 종양세포의 증식을 보다 강하게 제어할 수 있음을 보여줬다.

  ㅇ 마이크로RNA-150 결핍 T세포에서는 분화과정 동안 기억T세포의 분화에 중요한 전사인자인 Foxo1 단백질 발현이 증가된 반면, 마이크로RNA-150 과발현 T세포에서는 Foxo1 단백질 발현이 억제됨을 확인하였다. 또한 마이크로RNA-150이 결핍된 생쥐와 유사하게 정상 생쥐에 Foxo1 단백질이 과발현된 T세포에서도 기억T세포의 분화가 가속화 되는 것을 확인하였다.

  ㅇ 실제로 마이크로RNA-150이 Foxo1 전사체에 결합하여 Foxo1 단백질 발현을 저해함을 분자 수준에서 밝혔다. 본 연구를 통해 마이크로RNA-150이 Foxo1 단백질 발현의 신규 상위조절자로서 작동하여 기억T세포 분화를 제어하는 역할을 담당하고 있음을 규명하였다.

3. 기대효과

  ㅇ 본 연구는 마이크로RNA-150이 기억T세포 분화를 조절하는 전사 인자인 Foxo1 단백질 발현을 상위단계에서 조절함으로써 T세포 면역반응의 강도를 조절하는 인자임을 최초로 규명하였다. 마이크로RNA-150이 결핍된 T세포는 기억T세포로의 분화가 촉진되었을 뿐만 아니라 바이러스, 박테리아 그리고 종양에 대한 더 강력한 면역반응을 유도할 수 있음을 확인하였다. 이러한 구체적인 기억T세포 분화의 조절 기전 규명은 난치성 감염병 예방백신과 항암 면역백신의 개발에 활용될 수 있다.

연구이야기

□ 연구를 시작한 계기나 배경은?
본 연구실에서는 만성바이러스감염이나 암 미세환경에서 T세포의 기능이 저해되는 기전에 관해 꾸준히 연구해 왔다. 이러한 만성감염이나 암과 같은 질병 상황에서는 T세포 기능 저해뿐 아니라 감염세포나 암세포를 사멸하는 기능을 보유한 기억T세포 분화도 억제되어 있다. 난치성 감염병에 대한 예방백신 개발과 항암 면역백신 개발이 요원한 상황에서 T세포면역반응의 핵심적인 역할을 하는 기억T세포의 분화 조절 기전 규명이 필수적이며, 그 결과가 효과적인 백신에 대한 단초를 제공할 수 있기 때문에 본 연구를 시작하였다.

□ 연구 전개 과정에 대한 소개
한국생명공학연구원의 최인표 박사팀과 김태돈 박사팀이 미국 워싱턴주립대학의 Greenberg 교수와의 공동연구를 통해 마이크로RNA-150 결핍 생쥐에서 NK세포의 분화 변화를 연구한 논문을 발표한 것이 본 연구의 시발점이었다. 해당 생쥐에서 NK세포가 아닌 T세포의 분화가 어떻게 조절되는 지를 관찰하기 위하여 마이크로RNA-150이 결핍된 생쥐에 급성바이러스를 감염하고 기억T세포분화를 분석한 결과, 마이크로RNA-150이 결핍된 생쥐에서는 정상 생쥐와는 달리 기억T세포로의 분화가 증진되어 있음을 확인하였다. 이러한 현상이 T세포 내 존재하는 마이크로RNA에 의한 결과인지를 연구하기 위해 마이크로RNA-150 결핍 생쥐와 정상 생쥐에서 분리한 두 가지 T세포를 새로운 생쥐에 동일한 숫자로 이식한 후 바이러스 감염을 진행하였고 동일한 숙주 내 환경에서도 T세포 내 마이크로RNA-150 존재여부에 따라 기억T세포로의 분화가 달라진다는 사실을 확인하였다.
이후 마이크로RNA-150의 타겟을 규명하기 위해 한국생명공학연구원의 김태돈 박사 연구팀이 in silico에서 발굴된 다양한 후보 유전자들을 실제로 T세포 내에서 발현을 검증하는 실험을 수행하였다. 매우 흥미롭게도 기억T세포로의 분화 조절 단계 중 첫 단계에 해당하는 Foxo1 단백질 발현이 마이크로RNA-150에 의해 억제됨을 발견하였고 실제로 마이크로RNA-150이 Foxo1 전사체에 결합하여 단백질 발현을 억제할 수 있음을 알아냄으로써 마이크로RNA-150에 의한 기억T세포 분화의 조절 기전을 규명하게 되었다.

□ 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소는 무엇인지? 어떻게 극복(해결)하였는지?
본 연구실에서는 T세포 분화 조절 관련 연구는 많이 수행되었지만 마이크로RNA에 의한 T세포 분화 조절 연구는 수행된 경험이 없었기 때문에 마이크로RNA의 조절 기전을 공부하는 데 있어 많은 노력과 시간이 필요했다. 이러한 부분은 한국생명공학연구원의 김태돈 박사님의 자세한 설명과 적극적인 도움을 통해 해결될 수 있었다. 또 다른 장애 요소는 T세포로의 유전자 도입에 관한 부분이었다. T세포의 경우 다른 세포들과 다르게 유전자 도입 확률이 매우 낮아 바이러스 벡터를 제작하고 바이러스를 생산하는 과정을 거쳐야 했다. 그 과정에서 유전자도입효율을 높이는 데 많은 시간을 투자했다. 또한 마이크로RNA-150에 의한 Foxo1의 억제를 분자수준에서 볼 수 있는 실험과 Foxo1을 마이크로RNA-150의 타겟임을 동정하는 과정에 어려움이 있었다. 연세대학교 하상준 교수님과 한국생명공학연구원의 김태돈 박사님의 공동연구과정에서 자유로운 토론과 의사결정과정이 시너지효과를 유발하여 이 난제들을 극복할 수 있는 계기가 되었다.

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?
마이크로RNA-150은 다양한 세포에서 여러 가지 유전자들의 발현을 조절한다는 것이 알려져 있다. 하지만 마이크로RNA-150의 타겟으로서의 Foxo1은 본 연구를 통해 새롭게 규명되었다. 또한 마이크로RNA-150이 T세포 내에서 분화를 조절할 수 있다는 연구도 처음으로 이루어진 것이다. 결과적으로 T세포 내에서 마이크로RNA-150에 의한 Foxo1 발현 억제가 기억T세포 분화의 가장 상위단계 조절 기전임이 세계 최초로 규명된 것이라고 할 수 있다.

□ 꼭 이루고 싶은 목표와 향후 연구계획은?
현재 후속연구로 마이크로RNA-150에 의해 조절되는 또 다른 유전자를 발굴하였다. 이는 선행된 연구 중에 파생되어 나온 결과이며, T세포의 2차면역반응에 대한 연구에 초점을 맞출 예정이다. 이 분자의 역할 또한 최초로 규명하는 기작이며 다양한 세포들의 신호전달체계에 연관된 분자이기 때문에 폭넓은 연구 분야의 중요한 연구초석이 될 것이라고 생각한다.

□ 기타 특별한 에피소드가 있었다면?
마이크로RNA의 분자유전학적 기작을 연구함에 있어서 핵심은 그에 의해 조절되는 유전자를 찾아내는 것이다. 뿐만 아니라, T세포는 유전자도입이 어렵기 때문에 그 기술을 극복하는 것이 이 과제의 난제였다. 하지만 마이크로RNA의 기전을 연구하는 한국생명공학연구원의 김태돈 박사님과 T세포를 다양한 모델을 사용해서 연구하시는 하상준 교수님의 공동연구를 통해 여러 가지 난관들을 하나씩 극복했으며 그 과정에서 Foxo1과 마이크로RNA-150과의 연관성을 찾아내면서 공동연구의 중요성을 되새기게 되었다.

...................(계속)

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