바이오인

 히스톤 변형은 매우 다양한 기전으로 발생한다. 아세틸화(acetylation), 메틸화(methylation), 인산화(phosphorylation), 유비퀴틴화(ubiquitylation), 아실화(acylation), 수산화(hydroxylation), 당화(glycation), 세로토닐화(serotonylation), 글리코실화(glycosylation), 수모화(sumoylation), 락틸화(lactylation) 및 ADP-리보실화(ADP-ribosylation) 등의 화학적 변형이 N 말단 꼬리나 혹은 DNA와 물리적으로 상호 작용하는 구형 도메인에서 일어난다(그림 4). 대표적인 예로 진정염색질에 풍부한 히스톤 아세틸화는 변형된 lysine 잔기의 양전하를 중화하여 히스톤과 DNA 사이의 상호작용을 방해하고 전사활성을 촉진하는 개방형 염색질 구조를 형성한다. 상기 다양한 히스톤 변형은 염색질 구조 변화와 전사 조절에 매우 중요한데 단독으로 작용할 뿐 아니라, 상호 간 교차반응을 통해 다른 변형을 축적 혹은 제거를 유도할 수 있으므로 통합적 이해가 필요하다. 면역세포에서는 “canonical” 염색질 변형 기전인 히스톤 아세틸화, 메틸화에 관한 연구가 가장 많이 진행되어 있다(그림 5).

그림 5. 대표적 후성유전적 변형 기전인 DNA 메틸화와 히스톤 메틸화 및 아세틸화를 통한 유전자 발현조절(Goronzy JJ et al. J Leukoc Biol. 2018)

 DNA는 시토신(cytosine)과 아데닌(adenine) 잔기에서 메틸화된다. 일반적으로 RNA 중합효소가 결합하는 프로모터 영역에서의 DNA 메틸화는 유전자 발현 억제와 관련되어 있다고 알려졌다. 최근 연구에서는 메틸화된 시토신은 소수성 상호작용을 통해 PHD(plant homeodomain)-containing 단백질과의 결합이 촉진되면서 대부분 전사인자의 결합 친화력을 감소시키는 것으로 보고되었다.

나. 노화 면역세포의 후성유전적 변형

 아직 인과관계는 명확하지 않지만, 후성유전적 변형이 노화 과정에 중요한 부분임을 알 수 있는 보고가 있다(그림 6). 먼저 노화 과정에서 축적되는 후성유전적 드리프트(epigenetic drift)나 돌연변이가 유전체 불안정성 및 유전자 발현 프로파일을 변화시키고 유전자 발현 잡음을 증가시킨다. 또한 한 세대에 축적된 후성유전학적 변형은 다음 세대로 전달될 수 있고 이는 자손의 노화 과정에 영향을 줄 수 있다. 나이가 들어감에 따라 환경적으로 유도된 염색질 상의 후성유전체 변화는 축적되고, 세포 간 유전자 발현의 이질성(heterogeneity)을 유도할 수 있다. 이러한 현상은 나이가 든 쌍둥이에서 나이가 어린 쌍둥이보다 전사적, 후성유전적 이질성이 높다는 보고로 증명된다. 생애에 걸친 환경적 스트레스가 세포 혹은 장기수준에서 후성유전적 드리프트를 유도하여 표현형 불일치(phenotypic discordance)를 발생시킨다.

 면역세포의 발달 및 주된 작동기능인 세포 활성화, 항원제시능력, 사이토카인 분비, 작동 및 기억 면역세포의 형성 및 지속성 등에 후성유전적 변형이 중요한 역할을 한다. 면역반응 과정에서 면역세포의 영양상태, 스트레스, 감염, 염증 환경 등 내·외부적인 요소들은 후성유전적 변형을 조절하는 DNA 또는 히스톤 메틸화효소(methyltransferase), 히스톤 아세틸화효소(acetyltransferase) 및 탈아세틸화효소(deacetylase) 등 다양한 효소의 발현 및 활성에 관여하여 유전자 발현을 조절하고 면역세포가 효과적으로 기능하도록 한다. 면역세포 노화에 의한 후성유전적 변형은 대규모 DNA 저메틸화(hypomethylation)와 open chromatin 형성으로 요약될 수 있으며 결과적으로 다양한 염증성 인자(e.g. IL-8, IFN-γ, MIP-1α)가 과발현하게 된다. 이와 반대로 후성유전적 드리프트로 인한 국소적 과메틸화(hypermethylation)는 TCF7 등과 같은 줄기세포와 면역기억 관련 유전자의 발현을 억제한다[19]. 결과적으로 면역노화에 의한 후성유전적 변형은 유전자 발현의 정교한 조절을 저해하고 면역세포의 기능변화를 유발한다.

 최근 연구에서는 고령자의 naive CD4+ T세포는 히스톤 탈아세틸화효소인 SIRT1를 과발현하고 이는 히스톤 유전자의 전사 부위에 H3K9/14Ac 감소를 유발함이 보고되었다. 이러한 후성유전적 변형은 노화 T세포의 히스톤 발현을 억제시켜 면역반응 과정에서 불필요한 복제 스트레스를 유도하고 과도한 염증반응을 일으켜 정상적인 T세포 면역반응을 약화한다.

다. 대사 리프로그래밍

 세포대사(cellular metabolism)는 영양분을 섭취하여 세포 구성 물질을 만들거나 에너지를 얻는 생화학적 반응 네트워크의 결과를 통칭하며, 세포 기능을 효과적으로 유지하는 데 필수적인 과정이다(그림 8). 대사물질은 중간산물 혹은 최종 에너지원으로 활용되는 것 외에도 신호 전달계에 직·간접적으로 작용하거나 이차적 대사경로 변화를 유도해 다양한 경로로 세포 기능 조절에 관여한다. 더욱이 반응의 중간체는 다양한 후성유전체 변형 효소의 기질 및 보조 인자로 사용되어 대사 과정을 통해 환경 변화를 염색질에 직접 전달할 수도 있다.

 세포의 대사적 요구(metabolic demand)는 주어진 상황에 따라 달라서, 대사 적합성(metabolic fitness)을 획득, 유지하기 위하여 대사 프로그램이 적절하게 변화하여야 한다. 이를 대사 리프로그래밍(metabolic reprogramming)이라고 하며 종양세포, 면역세포, 줄기세포 등에서 특징적으로 관찰된다. 특히 종양세포는 저산소증, 영양분 결핍을 특징으로 하는 가혹한 종양 미세환경에서도 끊임없는 증식과 생존을 위해 필요한 많은 에너지 및 대사물질을 확보해야 한다. 따라서 정상세포보다 다량의 glucose와 glutamate를 흡수하며 산화인산화(oxidative phosphorylation)보다는 젖산(lactate)을 최종 결과물로 하는 호기성 해당작용(aerobic glycolysis)을 통해 ATP를 빠르게 생산하는 대사 과정으로 전환한다. 더불어 이 과정에서 생산된 다양한 중간대사체는 종양세포 성장에 필요한 아미노산, 핵산, 지질생산에 활용된다.

그림 8. 면역세포의 주요한 대사경로(Buck MD et al. J Exp Med. 2015)

라. 노화 면역세포에서 나타나는 대사과정 교란

 면역세포는 외래항원에 빠르고 강력하게 대응하기 위하여 증식, 분화, 사이토카인 생산으로 대표되는 효율적 작동기능(effector function)이 필수적이며, 이를 위하여 종양세포에 버금가는 높은 수준의 에너지가 필요하다. 또한 효율적 작동기능 유지에는 ATP 생산 증가 외에도 단백질, 지방산 합성 과정도 필요해 휴지기 세포와는 전혀 다른 대사 작용이 요구된다. 따라서 종양세포와 유사하게 해당작용을 증가시켜 ATP를 얻고 생산된 중간 대사체는 다양한 대사과정에 참여하게 된다(그림 9). 효과적 면역반응에는 면역세포 내 대사 리프로그래밍이 직·간접적으로 관여하며 이러한 과정의 비정상적 조절이 자가 면역 질환이나, 대사질환, 암과 같은 질병 발생에 밀접하게 관여함이 밝혀져 새로운 면역학적 치료 표적으로 주목받고 있다.

그림 9. 면역세포의 분화상태에 따른 주요 대사경로 프로파일. (A) T 세포 분화단계에 따른 주요 대사경로의 변화 (B) 염증성 M1 및 항염증성 M2 단계로 분화하는 대식세포의 주요 대사경로

 노화 면역세포에서 교란되는 대사 신호전달계로는 SIRTUIN, AMPK, mTOR 경로가 대표적이다[26]. 노화세포에 의하여 특징적으로 유발되는 염증노화의 원인으로 나이가 들어감에 따라 증가하는 DAMPs 자극에 의한 인플라마좀(inflammasome) 활성화와 이에 따른 IL-1β 분비 증가 및 SIRTUIN과 AMPK 경로 활성화를 조절할 수 있는 NAD+/NADH 변화가 관련이 있는 것으로 알려졌다(그림 10).

그림 10. 노화 면역세포에서 관찰되는 대사경로의 다양한 변화(Lee KA et al. Curr Opin Pharmacol. 2021)

 노화 대식세포는 고유 기능인 포식능력, 항원제시능력, 미토콘드리아 기능, 세포 대사기능은 저하되나, 인플라마좀 활성화를 매개로 한 염증반응 경로는 오히려 강화된다. 최근 tryptophan의 kynurenin 대사경로가 대식세포 면역반응 및 분화에 필요한 새로운 NAD+의 세포 자율적 생성을 조절함이 보고되었다. 흥미롭게도 노화 대식세포는 kynurenin 경로를 활성화하지 못하여 NAD 합성이 저하되고 염증반응이 심화하였다. 이 결과는 kynurenin 경로로 생산된 NAD+가 대식세포의 효과적 반응을 결정하는 대사 스위치로 작동할 수 있음을 보여주며, 노화과정 및 노화연관 질병에서 증가하는 선천면역 기능장애의 조절타깃으로의 역할이 기대된다[27]. SASP과 inflammaging 유발에 중요한 NLRP3 인플라마솜 활성화에 아세틸화가 관여하는데, 최근 보고는 NLRP3 인플라마솜은 SIRT2에 의해 탈아세틸화될 수 있고, 노화 대식세포에서 저하된 SIRT2 또는 NAD 대사경로 소실로 인한 아세틸화 스위치의 조절 장애가 노화 과정에서 나타나는 염증의 원인이 될 수 있음이 제시되었다[28].

 노화된 세포는 미토콘드리아 생합성 및 대사를 충분히 유도하지 못한다. TCR 자극을 받은 노화 T세포에서도 주요 대사경로(glycolysis, pentose phosphate pathway, 그리고 TCA cycle)의 대사체 생산이 줄어들고 세포 활성화가 저해되었다. 이와는 반대로 mTOR 신호전달계는 오히려 강화되는데, 이는 T세포가 조직으로 이동하거나 기억세포로 분화하는 과정에 손상을 준다. 노화과정에서 senescent-like T세포가 증가하는데 이 세포는 스트레스 유발 대사조절자인 sestrins을 증가시켜 AMPK-MAPK 경로를 과도하게 활성화하고 선천면역세포인 NK세포와 유사한 표현형 및 기능을 획득하여 정상적 면역반응을 교란한다. 인간 노화 CD8+ T세포에서의 SIRT1-FOXO1 axis 손상과 마우스 노화 T세포에서 TFAM (mitochondrial transcription factor A) 결핍에 의한 미토콘드리아 기능손상이 대사경로 교란에 관여하고 있음도 보고되었다. 이러한 변화는 서로 독립적인 것이 아니라 밀접한 관련성을 가지고 발생할 것으로 예상된다(표 1). 면역 노화과정에서 나타나는 대사과정의 변화는 SASP 발현, inflammaging 유도와 밀접한 관계가 있으며 이는 고령자에서 보고된 만성 염증성질환 병인에 관여할 것이다.

4. 면역세포에서의 대사·후성유전적 조절기전

 다양한 세포 내 중간대사체는 다른 대사과정에 참여하는 것 외에도 신호전달계에 관여하거나, 후성유전체 변형 효소의 기질 및 보조 인자로 사용되어 후성유전적 변화를 유도할 수 있다. 이러한 상호관계를 통합적으로 연구하는 영역을 metaboloepigenetics 라고 하며 종양 및 발생과정에서 연구가 활발하다. 대사체가 염색체에 직접 작용하기도 하고 전사인자나 대사효소에 작동하여 간접적으로 일어나기도 하는데 대사 과정을 통해 환경 변화를 염색질에 직접 전달할 수 있게 된다(그림 11).