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후성유전학적 PD-1 발현 조절을 통한 T 세포 탈진 회복 및 감염 통제

◈본문

[서론]

  Programmed cell death protein 1 (PD-1)은 세포독성 CD8+ T 세포(cytotoxic CD8+ T cells)의 활성 조절에 중요한 역할을 하는 negative regulator이다[1]. 특히, 만성 바이러스 감염 및 종양 미세환경에서 탈진된(exhausted) CD8+ T 세포의 PD-1 발현이 지속적으로 높게 유지되며, 이는 T 세포의 기능 저하와 면역 회피를 유도하는 주요 기전으로 작용한다[2]. 이러한 이유로 PD-1 차단 항체(blockade therapy)는 항암 면역치료 및 만성 감염 치료에서 널리 활용되고 있다[3]. 그러나 PD-1 발현의 완전한 억제는 면역 과활성(hyperactivation)을 유발하거나 terminally differentiated exhausted T cells의 축적으로 이어져 심각한 면역병리학적 문제를 초래할 수 있다[4, 5]. 반면, 적절한 수준의 PD-1 발현은 T 세포 반응의 균형을 유지하고, memory CD8+ T 세포의 형성과 유지에 중요한 역할을 한다[6]. 따라서 PD-1 발현을 완전히 차단하는 것이 아니라 PD-1 발현을 최적화하는 전략이 필요하다. 본 글에서는 후성유전학적(epigenetic) PD-1 발현 조절을 통한 T 세포의 탈진 회복 및 감염 통제 대해 최신 연구 내용을 소개하고자 한다[7].

[본론]

   T 세포의 탈진은 바이러스에 의한 만성 감염 또는 암에서 관찰되는 중요한 면역억제 현상으로, CD8+ T 세포의 증식 감소, 생존능력 저하, 세포독성 및 싸이토카인(cytokine) 분비 능력 감소 등의 특징을 가진다. 탈진된 T 세포는 PD-1을 비롯한 다양한 면역억제 수용체의 발현이 증가하는데, 최근의 연구에서 PD-1의 발현이 특정 후성유전학적 조절 요소(epigenetic regulatory elements)에 의해 조절됨이 밝혀졌다[8, 9]. Assay for Transposase-Accessible Chromatin using sequencing (ATAC-seq)을 이용한 크로마틴 접근성 프로파일링(chromatin accessibility profiling)을 통해, 사람과 만성염증 모델 쥐에서 탈진된 CD8+ T 세포의 크로마틴 접근성이 memory CD8+ T 세포와 확연히 다를 뿐만 아니라, PD-1의 발현이 T 세포 탈진 특이적인 enhancer에 의해 조절될 수 있다는 가능성이 제시되었다.

lymphocytic choriomeningitis mammarenavirus (LCMV)를 이용한 만성 감염 모델에서 chromatic accessibility를 분석한 결과, 쥐의 PD-1 유전자인 Pdcd1의 -23 kilobase (kb)부근이 탈진한 T 세포에서는 열려 있으나, 급성 염증 상황에서 활성화된 CD8+ T 세포에서는 닫혀 있음이 관측되었다(그림1). 연구진은 이 데이터를 바탕으로 Cas9-CRISPR 유전자 편집기술을 이용하여 이 enhancer 부위를 제거한 EnhDel 마우스 모델을 구축하였다. Homeostatic condition과 LCMV Armstrong strain을 이용한 감염 모델에서 EnhDel CD8+ T 세포의 PD-1 발현은 야생형(wild type, WT)과 비교하였을 때 유의미한 차이가 없었다. 이 결과는 EnhDel CD8+ T 세포에서 제거된 OCR enhancer는 면역 자극이 없는 상태와 급성 감염 상황에서는 PD-1 발현을 조절하지 않는 것을 의미한다. 흥미롭게도 LCMV clone 13을 이용한 만성 감염 모델에서는 EnhDel CD8+ T 세포의 PD-1 발현이 WT과 비교하였을 때 현저히 낮아졌고, 특히, 감염 후 7일 과 29일 시점에서의 PD-1발현은 50% 이상 감소하였다. EnhDel CD8+ T 세포의 PD-1 발현 감소와 함께, 세포의 증식 및 생존율은 증가하였다. 그리고 WT, EnhDel, Pdcd1-knockout (Pdcd1-KO) CD8+ T 세포들을 동일 비율로 LCMV clone 13에 감염된 쥐에 adoptive transfer를 한 후, 만성염증 모델에서 single cell RNA-sequencing을 통해 탈진된 T세포를 분석한 결과, terminally exhausted subset의 비율이 감소하고, progenitor exhausted subset이 증가하였음을 확인하였다. 결과적으로, LCMV 만성감염 모델에서 EnhDel CD8+ T 세포는 WT과 Pdcd1-KO CD8+ T 세포와 비교하였을 때, 향상된 바이러스 통제 능력을 보여주었다(그림2). 이 결과는 -23 kb open chromatin region (OCR)에 위치한 PD-1의 enhancer 영역 제거를 통해서 CD8+ T 세포가 완전히 탈진된 상태(terminal exhaustion)로 가지 않고 그 기능을 유지할 수 있음을 시사한다. 이는 후성유전학적 조절을 통한 PD-1의 발현을 적절하게 유지함으로써, PD-1의 완전한 억제 시 나타나는 부작용을 해결할 수 있다는 가능성을 보여준다.

 그림 1. 만성 감염 특이적 open chromatin region (ORC)과 이 enhancer 제거를 통한 EnhDel 쥐 구축 Nat Immunol 25, 1871-1883, 2024 (Fig. 1a-b)

그림 2. LCMV 만성 감염 동물 모델에서 증가된 EnhDel CD8+ T 세포의 바이러스 통제 Nat Immunol 25, 1871-1883, 2024 (Fig. 7a-b)

[맺음말]

  PD-1은 T 세포 탈진을 조절하는 주요 면역억제 수용체로서 만성 감염 및 종양 환경에서 지속적으로 발현된다. 기존의 PD-1 차단요법은 탈진된 T 세포의 기능을 회복시키지만, PD-1 억제가 과도할 경우에는 면역 과활성으로 인한 부작용 및 면역 기억 형성을 저해할 수 있다. 본 글에서 소개한 연구는 PD-1 발현을 후성유전학적으로 조절함으로써, T 세포의 기능을 최적화하고 면역 과반응을 방지하는 새로운 전략을 제시한다. 후성유전학적 치료제 연구는 현재 DNA modification, Histone modification, RNA modification, Chromatin remodeling, Non-coding RNA를 조절하는 방법에 집중되어 있다[10]. 추후에 특정 enhancer를 조절하는 방법이 개발된다면 본 글에서 소개한 바와 같이 PD-1 발현 조절의 fine tuning이 가능해질 것이며, 동시에 PD-1, CTLA-4, TIM-3 등 주요 면역억제 인자를 적절한 레벨로 조절함으로써 부작용을 최소화하고 치료효과를 극대화하는 새로운 면역치료요법의 개발이 가능할 것으로 기대된다. 이러한 후성유전학적 조절 전략은 HIV, HBV, HCV 등의 다양한 바이러스성 만성감염 뿐만 아니라, 자가면역 질환 또는 암 면역치료에서도 활용 가능성이 엿보인다.

...................(계속)

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