바이오인

핵심내용

T세포 내 CRBN 단백질의 신경염증 조절 기전 규명
- 다발성경화증과 같은 자가면역질환 치료용 기반 기술 개발 -

 
□ 한국연구재단은 박성규 교수(광주과학기술원) 연구팀이 면역세포에서 많이 발현되는 CRBN* 단백질이 백혈구의 일종인 T세포** 활성을 조절하여 다발성경화증***과 같은 자가면역질환 치료가 가능함을 규명하였다고 밝혔다.
   * CRBN(cereblon): 면역세포에서 많이 발현되는 단백질. 1950년대 사지기형을 유발하였던 탈리도마이드 약물의 타깃으로 밝혀져 유명세를 타고 있다. 하지만, 정작 세포내 고유 기능은 베일에 싸여 있었다.
   ** T세포 : T림프구는 백혈구의 일종으로 림프구중 4분의 3을 차지하며 백혈구 중에서도 30% 정도를 차지한다. 주로 세포성 면역에 관여하며 면역 기능이나 알레르기와 관련이 있다.
   *** 다발성경화증 : 중추신경계에 발생하는 대표적인 자가면역질환. 주로 젊은 연령층에서 발생하는 만성 염증성 질환이다.

□ 탈리도마이드(Thalidomide) 약물*은 CRBN에 결합하여, 표적 단백질 분해 과정 중, 분해대상이 아닌 단백질까지 분해시키는 것으로 알려졌다. 위 약물은 1950년대 태아의 사지기형을 유발하였으나 현재는 제한적으로 다발성 골수종 치료에 사용되고 있다.
   * 탈리도마이드(Thalidomide) 약물 : 1950년대 진정제로 사용했던 약물로, 특히 임산부에 많이 처방되었던 약물이나, 사지발달장애등의 기형을 유발하여 퇴출되었던 약물이었다. 하지만 최근에는 다발성 골수종과 면역 결핍 환자에 효과가 있는 것으로 알려지면서 제한적으로 사용되고 있다.

  o 특히 탈리도마이드 계열 약물은 T세포의 활성을 조절하는 것으로 밝혀져 왔다. 그러나 CRBN의 T세포 내 고유 기능은 면역조절약제 표적으로서의 역할에 비해 정확히 밝혀지지 않았다.

□ 이에 연구팀은 CRBN 결핍 쥐의 CD4+ T세포(이후 T세포)*를 이용, CRBN이 결핍되면 T세포에서 Kv1.3**라는 칼륨 이온채널***의 발현이 증가하고, 이를 통해 T세포가 활성화 되어 신경 염증을 악화시킨다는 것을 발견했다.
   * CD4+ T세포 : 면역반응이 적절하고 효율적으로 일어날 수 있도록 도와주는 T세포의 일종
   ** Kv1.3 : T세포에서 주로 발현되는 칼륨 이온채널
   *** 칼륨 이온채널 : K+(칼륨)이 통과하는 이온통로가 있는 단백질로 세포 표면막이 존재

  o CRBN이 결핍되면 칼륨 채널 유전자를 응축시키지 못하여, 칼륨 채널 유전자가 잘 발현되도록 한다는 것이다.

  o 칼륨 채널의 발현이 증가하면 칼슘의 흐름을 원활하게 만들어 T세포를 더욱 활성화시킨다. 이는 T세포 내 칼슘 농도의 증가가 T세포 활성을 위한 단백질들의 활성화를 증진시키기 때문이다.

  o 위와 같이 T세포 활성화 시 대표적 자가면역질환* 모델인 신경염증 모델에서 쥐의 염증이 악화되었다. 즉 T세포에서의 CRBN의 결핍이 신경염증과 같은 자가 면역질환을 악화시킬 수 있다는 것이다.
   * 자가면역질환 : 면역체계가 몸을 공격하기 시작하면 생기는 자가면역질환.

□ 박성규 교수는“이번 연구는 탈리도마이드 계열 약물의 표적으로 밝혀진 CRBN 단백질이, T세포 활성과 관련한 신경염증 현상에 관여하고 있음을 발견한 것”이라며 “CRBN 조절을 통한 T세포의 활성 민감도를 조절로 T세포 기반 세포 치료기술이나 면역 질환 억제 기술 등에 응용할 수 있을 것이다.”라고 연구의 의의를 밝혔다.

□ 교육부 이공학개인기초연구지원사업과 미래창조과학부 선도연구센터지원사업의 지원을 통해 거둔 이번 연구성과는 다학제 분야의 세계적인 학술지 ‘미국국립과학원회보(PNAS)’에 7월 21일자로 게재되었다.

논문의 주요 내용

□ 논문명, 저자정보

   - 논문명 : Epigenetic regulation of Kcna3-encoding Kv1.3 potassium channel by cereblon contributes to regulation of CD4+ T-cell activation
   - 저자 정보 : 박성규(교신저자, 광주과학기술원), 박철승(공동저자, 광주과학기술원), 엄수현(공동저자, 광주과학기술원), 이원우(공동저자, 서울대), 정구흥(공동저자, 서울대), Michael B. Ye (공동저자, 광주과학기술원), 최무림(공동저자, 서울대), 송미령(공동저자, 광주과학기술원), 이광민(공동저자, 광주과학기술원), 강정아 박사과정생(제1저자, 광주과학기술원), 박상헌 박사과정생(공동 제1저자, 광주과학기술원), 이초롱 박사과정생(공동저자, 광주과학기술원), 김남희 박사과정생(공동저자, 광주과학기술원), 정상필 석사(공동저자, 광주과학기술원), 한민희 석사(공동저자, 광주과학기술원)

□ 논문의 주요 내용

 1. 연구의 필요성
   ○ CRBN은 연구 초기에 CRBN 유전자의 변형이 약한 지적장애를 일으키는 것으로 알려졌으나, 그 기능에 대한 연구는 관심을 끌지 못하였다. 하지만, 1950년대 사지기형을 유발하였던 thalidomide 약물의 타깃으로 2010년 밝혀지면서 CRBN에 대한 연구가 급속히 진행되었다.
   ○ Thalidomide 계열 면역조절약제는 CRBN에 결합하여 CRBN이 관여하는 표적 단백질 분해 과정에서 선택성에 변화를 주어 분해시키지 말아야 할 단백질을 분해시키는 것으로 밝혀졌다. 이를 통해, 사지기형 및 면역세포 활성화 등이 이루어진다고 밝혀져 왔다.
   ○ 하지만, thalidomide 계열 약물에 의한 면역조절약제의 타깃으로서의 CRBN의 역할이 아닌, T 세포에서 CRBN이 실제로 무엇을 하는지에 대한 연구는 거의 이루어지지 않아 왔다. 

 2. 발견 원리
   ○ CRBN의 발현이 CD4+ T세포에서 높게 나타나는 것을 확인하였다.
   ○ CRBN이 CD4+ T세포에서 결핍이 일어난 경우 IL-2, 활성관련 표적 단백질의 발현이 증가하는 것을 알아내었다.
   ○ CRBN이 결핍된 CD4+ T세포에서 K+ 채널의 발현이 증가하며, 이를 통해 K+ 이온의 흐름이 증가하는 것을 확인하였다.
   ○ CRBN이 K+ 채널 유전자의 발현 조절 위치에 결합이 일어나고 후성 유전적 조절에 참여하여 발현에 영향을 미치는 것을 확인하고, CD4+ T세포와 관련 있는 신경염증 마우스 모델에서 CRBN의 결핍이 병증을 악화시키는 것을 밝혔다.

3. 연구 성과
   ○ 본 연구결과는 T세포 활성조절에서 CRBN이 K+ 채널 발현을 후성 유전적 조절을 통해 조절함을 밝혀내었다.
   ○ CRBN이 K+ 채널의 발현에 관여하며, 이를 통해 Ca2+의 흐름에 조절함으로써 CD4+ T세포의 활성화를 조절한다.  
   ○ CRBN의 직접적으로 K+ 채널인 Kv1.3 유전자의 발현 조절 부분에 결합하여 유전자의 발현 조절에 대한 근거를 제시하였다.
   ○ CRBN의 결핍에 의한 CD4+ T세포의 활성화가 증가하여, 신경염증 동물 모델의 증상 악화를 관찰함으로써, CRBN이 신경염증과 같은 자가면역 질환 조절에 관여하는 유전자임을 제시하였다.

상세내용

연 구 결 과  개 요

 1. 연구배경
ㅇ CRBN은 처음에 약한 지적 장애를 보이는 환자에게서 이 단백질의 유전자에 문제가 있다는 것이 밝혀지면서 본격적으로 CRBN에 대한 연구가 시작되었다. 그렇지만, CRBN에 대한 연구는 많은 관심을 가지지 않아 연구가 많이 이루어지지 않아 왔다.
ㅇ 하지만, 2010년 일본의 Handa 박사 그룹에 의해, 1950년대 진정제로 쓰인 thalidomide의 타겟 분자로 밝혀지면서 (Ito et al., 2010, Science) CRBN에 대한 연구가 급격히 진행되었다. Thalidomide는 탁월한 진정효과를 보였으며, 특히 임산부의 입덧에 탁월한 효과를 발휘하여, 1950년대 많은 임산부에게 처방되었다. 하지만, 이 thalidomide가 태아의 사지 발달 저해를 일으켜, 수많은 기형아를 유발하였으며, 결국 1960년대 초에 시장에서 퇴출되었다.
ㅇ 최근 이 약물은 다발성 골수종에 탁월한 효과가 있는 것으로 알려지면서, 이 약물이 제한적으로 다시 다용되기 시작하였으며, thalidomide를 기반으로 한 약물들이 개발되면서 이 약물에 대한 타깃 및 분자기전에 관심이 집중되었다.
ㅇ Thalidomide 계열 약물은 CRBN을 타깃으로 하여, CRBN의 기능에서 E3 유비키틴 ligase 활성에 변화를 주어 다발성 골수종 세포와 면역세포 특히, T세포의 활성을 조절하는 것으로 밝혀져 왔다. 하지만, 정작 CRBN 고유 기능에 대한 연구는 thalidomide 타깃 분자로써의 역할에 비하면 거의 이루어지지 않았다.
ㅇ 본 연구에서는 thalidomide 타깃 분자로써의 CRBN이 아닌 T세포에서의 CRBN 고유 기능을 밝혀내는 것을 목적으로 연구가 진행되었으며, CRBN이 T세포의 활성을 조절하여 신경 염증과 같은 자가면역 조절에 관여 할 수 있음을 밝혀내었다.
ㅇ 본 과제는 한국연구재단의 이공학개인기초연구사업(NRF-2013 R1A1 A2010995)와 선도연구센터사업(세포 로지스틱스 센터, 2016R1A 5A1007318)의 지원을 받아 수행되었다.

 2. 연구내용
ㅇ Thalidomide 계열의 면역조절약제 (IMiDs)가 CRBN이라는 단백질에 결합하여 작용을 한다는 것과 처리 이후에 나타나는 여러 가지 효과 (태아의 사지발달 저해, 다발성 골수종 저해, 면역세포 활성화 등)로 인하여, 그 분자 기전에 대해 많은 관심이 있어왔다.
ㅇ 이와 관련하여, CRBN이 면역조절약제 (IMiDs)에 의해 Ikaros와 Aiolos라는 단백질의 유비퀴틴화를 이용해 단백질의 분해를 조절하여 면역세포의 활성화에 관여한다고 밝혀졌다 (Lu et al., 2014, Science).
ㅇ 하지만, 면역조절약제 (IMiDs)의 타깃 분자로써의 역할에 비하여 CRBN의 고유 기능은 거의 밝혀지지 않아왔다.
ㅇ 따라서, CRBN이 가장 많이 발현되는 T세포내에서의 고유 기능을 분석하기 위하여, 본 연구팀은 CRBN이 결핍된 마우스의 CD4+ T세포를 이용하여 연구를 진행하였다.
ㅇ CRBN이 결핍된 CD4+ T세포는 항원을 인지하는 TCR 신호에 의해 더 높게 활성화 되었으며, 원인 기전을 분석하기 위하여 microarray를 이용하여 대용량 유전자 발현 정보를 분석하였다. 이를 통해 K+ 이온의 이동에 관여하는 Kv1.3 라는 채널의 발현이 CRBN이 결핍된 T세포에서 증가되어 있음을 확인하였으며, 이러한 K+ 채널의 증가는 CD4+ T세포의 활성화에 중요한 Ca2+의 흐름을 조절하여 T세포의 활성화를 조절함을 밝혀내었다. 이렇게 T세포의 활성화를 유도하는 K+ 채널은 CRBN이 Kv1.3 발현 유전자의 후성 유전 정보를 조절하여 이루어짐을 밝혀내었다. 결국 CRBN에 의한 T세포의 활성 조절은 신경 염증 마우스 모델에서 CRBN의 결핍이 염증을 더 악화시키는 효과를 나타내는 것을 나타내었다.
ㅇ 지금까지의 결과를 종합하면, CRBN이 T세포의 활성을 조절할 수 있는 K+ 채널의 발현을 후성 유전 조절을 통해 조절하여, 이는 결국 자극에 민감한 T세포 형태로 만들어 신경 염증과 같은 자가면역질환에 취약하게 만들 수 있음을 보여준 실험적 결과이다.
ㅇ 본 연구결과는 면역조절약제의 타겟으로서가 아닌 CD4+ T세포에서의 고유한 CRBN 유전자의 기능 연구에 대한 최초의 논문이며, 다학제 분야의 세계적인 학술지 ‘미국국립과학원회보(PNAS)’에 발표하였다.

3. 기대효과
 ㅇ 본 연구결과를 통해 기존에 밝혀지지 않은 CRBN의 세포내에서 후성 유전 조절이라는 고유 기능을 제공할 수 있었다. 
 ㅇ CRBN의 조절은 T세포의 활성 민감도를 조절할 수 있음을 보여준 예로, T세포 활성 민감도 조절이 필요한 기술인 세포 치료 기술 CAR (chimeric antigen receptor) 기술과 메모리 T세포 형성이 많이 필요한 백신 기술 및 T세포 기반 면역 억제 기술 등에 응용될 수 있을 것으로 기대되고 있다.
 ㅇ 또한, CRBN의 고유 기능인 후성 유전 조절 기능은 기타의 다양한 유전자의 발현을 조절할 수 있는 후성 유전 조절 기술에 활용될 수 있어, 다양한 질환 (암질환, 면역질환 등등) 등에 응용될 수 있을 가능성을 열어 놓았다.

★ 연구 이야기 ★

□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

Thalidomide 계열 면역조절약제의 표적으로 잘 알려진 CRBN은 면역반응과 관련된 단백질인 Ikaros와 Aiolos를 선택적으로 분해 일으킴으로써 T 세포내 면역반응 조절에 관여한다는 연구가 발표되었다. 하지만, 발표된 논문에서 CRBN을 shRNA로 녹다운 시켰을 때에도 면역반응을 조절하는 IL-2 사이토카인이 증가되어있는 것을 확인하였다. 여기에서 CRBN이 없어도 면역반응이 증가되는 현상에 대해 의문을 가졌다. 또한, CRBN 유전자가 면역반응을 조절하는 면역세포 등에서 발현이 높은 것을 확인 한 후 면역반응을 중개하는데 중요한 세포인 CD4+ T 세포에서의 CRBN의 고유한 기능에 대한 연구가 필요할 것이라 생각되어 본 연구를 시작하게 되었다. 

□ 연구 전개 과정에 대한 소개

본 연구의 책임자인 광주과학기술원 박성규 교수는 2009년 Nature immunology에 T 세포에 관한 연구결과를 발표한 이후 광주과학기술원 교수로 부임한 이래로 T 세포에 대한 연구를 지속적으로 수행해왔다. 본 연구는 한국연구재단의 이공학개인기초연구사업 (NRF-2013R1A1A2010995) 선도연구센터사업 (세포 로지스틱스 센터, 2016R1A5A1007318)의 지원으로 이루어졌다. CRBN의 CD4+ T 세포에서의 고유한 기능 연구를 위하여 필수적인 녹아웃 마우스는 광주과학기술원 박철승 교수로부터 지원 받아 연구가 이루어졌다. CRBN이 결핍된 CD4+ T세포는 항원을 인지하는 TCR 신호에 의해 더 높게 활성화 되었으며, 원인 기전을 분석하기 위하여 microarray를 이용하여 대용량 유전자 발현 정보를 분석하였다. 이를 통해 K+ 이온의 이동에 관여하는 Kv1.3 라는 채널의 발현이 CRBN이 결핍된 T세포에서 증가되어 있음을 확인하였으며, 이러한 K+ 채널의 증가는 CD4+ T세포의 활성화에 중요한 Ca2+의 흐름을 조절하여 T세포의 활성화를 조절함을 밝혀내었다. 이렇게 T세포의 활성화를 유도하는 K+ 채널은 CRBN이 Kv1.3 발현 유전자의 후성 유전 정보를 조절하여 이루어짐을 밝혀내었다. 결국 CRBN에 의한 T세포의 활성 조절은 신경 염증 마우스 모델에서 CRBN의 결핍이 염증을 더 악화시키는 효과를 나타내는 것을 나타내었다.

□ 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소가 있었다면 무엇인지? 어떻게 극복(해결)하였는지?

본 연구팀이 CRBN이 조절할 것이라 예상되는 K+ 채널의 발현이 CD4+ T 세포 중에서 Naive T 세포와 Effector memory T 세포에서 차이가 났기 때문에 두 세포를 각각 분리 후 실험에 이용하는 것이 필요하였다. Effector memory T 세포의 경우 전체 CD4+ T 세포에서 10% 미만이었기 때문에 실제로 실험에 이용하는 점이 세포수가 작았기 때문에 분석을 하는데 무척 애를 먹었다. 대부분 마우스 실험이 그러하듯이 여러 변수를 고려하여 이를 최소화하기 위하여 노력하였고 최소의 세포수를 이용하기 때문에 사전에 실험계획을 철저히 하고 집중하여 실험에 임할 수 있도록 지도하였다.

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

Thalidomide 계열의 약물은 CRBN을 타깃으로 하여, CRBN의 기능에서 E3 유비키틴 ligase 활성에 변화를 주어 다발성 골수종 세포와 면역세포 특히, T세포의 활성을 조절하는 것으로 밝혀져 왔지만, 정작 CRBN 고유 기능에 대한 연구는 thalidomide 타깃 분자로써의 역할에 비하면 거의 이루어지지 않았다. 이 연구를 통하여 CRBN이 T세포의 활성을 조절할 수 있는 K+ 채널의 발현을 후성 유전적 조절을 통해 조절하여, 이는 결국 자극에 민감한 T세포 형태로 만들어 신경 염증과 같은 자가면역질환에 취약하게 만들 수 있음을 보여주었다. 뿐만 아니라, thalidomide 계열 약물에 의해서도 CRBN에 의한 후성 유전적 조절이 영향을 받음을 밝혀내어, thalidomide에 의한 CRBN의 새로운 조절 기전을 제시한 것이다.

□ 꼭 이루고 싶은 목표와, 향후 연구계획은?

이번 연구를 통하여, T 세포의 활성 민감도를 조절할 수 있는 CRBN 유전자의 결핍이 자가면역질환에 영향을 끼치는 것을 확인하였다. 본 연구팀에서는 향후 연구에서, 다양한 자가면역질환에서 CRBN과 자가면역질환과의 관계를 확인하는 것이 필요하다고 생각된다. 이를 이용하여 실제 다양한 자가면역질환에서의 후성 유전 조절 기능을 이용한 면역 조절 기전을 밝히는 것이 목표이다.

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