국내도서

대부분의 동물은 끊임없이 외부로부터 공격을 받는다. 그나마 공격해 오는 상대가 다른 큰 동물이면 피할 수 있지만....눈에 보이지 않는 작은 병원체에 의한 공격을 스스로 알아서 피하기는 쉽지 않다. 

그래서 동물들은 어떻게든 외부의 보이지 않는 병원체에 대한 방어력을 키우는 방향으로 진화하였는데....그래서 동물들이 만들어낸 시스템이 바로 ‘면역’ 이다. 

물론 면역 시스템은 동물뿐 아니라 식물도 유사한 것을 가지고 있다. 면역이란 동물의 몸이 바이러스, 세균과 같은 외부에서 들어오는 병원체나 해로운 물질을 막아내고 자신을 지키는 ‘방어 시스템’이다. 

면역이라는 방어 시스템은 외부의 병원균이나 바이러스와 같이 살아있는 것들뿐 아니라 외부에서 침입하는 다른 물질들에 대한 방어 또한 제공한다.

그래서 면역의 가장 큰 특징, 능력 중 하나는 자기 자신과 외부의 이물질을 구별하는 능력이다. 물론 면역계를 구성하는 여러 세포들, 분자들은 눈도 없고 귀도 없으므로 직접 접촉해서 만져보고(?) 자기 자신의 물질인지 이물질인지 판단한다. 이 과정에 대해서는 앞으로 다양한 상황에서 계속 배우게 될 것이다.

면역의 또 다른 능력은 무엇일까? 면역의 두 번째 중요한 능력은 바로 ‘기억’이다. 면역의 ‘기억’ 능력 덕분에 우리는 예방 접종을 통해 감염병을 예방할 수 있다. 실제로 우리의 면역은 기억력이 좋은 편이며, 감염병을 예방할 수 있다. 실제로 이러한 면역의 기억이 없다면 우리는 어떠한 병에 대해서도 면역을 갖지 못할 것이다. 어른은 쉽게 나을 수 있는 질병이 아이가 걸리면 위험한 상태에 이를 수 있는 이유도 바로 이 ‘면역의 기억’이 없기 때문이다. 

그렇다면 어미 동물이 새끼 동물에게 나누어 준, 그러니까 태어날 때부터 가지고 있었던 면역은 과연 무엇일까? 새끼 동물이 태어날 때부터 가지고 있는 면역을 ‘내재면역’이라 부른다. 내재면역과 반대되는 개념으로 개체가 살아나가면서 갖게 되는 면역을 ‘적응 면역’이라고 한다.

그러면 다음 장에서는 ‘내재면역’과 ‘적응 면역’에 대해서 각각 자세히 공부해 보도록 하자. 

내재면역은 앞 장에서 잠깐 다룬 대로 ‘생물’이 태어날 때부터 가지고 있는 면역을 뜻한다. 여기서 ‘생물’이라고 말한 이유는 동물뿐 아니라 식물도 비슷한 내재면역을 가지고 있기 때문이다.

내재면역 시스템들 중 식물, 곤충과 같은 하등동물, 고등동물이 서로 공통적으로 가지고 있는 것은 바로 ‘톨 유사 수용체(Toll-like receptor)’라는 것이다.

‘톨 유사 수용체’에 대해 공부해 보기 전에 일단 ‘수용체’가 무엇인지부터 알아보자. ‘톨 유사 수용체’는 초파리가 가지고 있는 ‘톨 수용체’와 구조와 기능이 유사하기 때문에 붙여진 이름이다. 식물이 가지고 있는 내재면역 시스템도 비록 톨 유사 수용체는 아니지만 비슷한 구조와 기능을 가지는 수용체 분자들을 구비하고 있다.

그렇다면 과연 톨 수용체/톨 유사 수용체는 내재면역에 있어서 어떠한 기능을 하는 것일까? 톨 수용체도 다른 세포 표면의 수용체와 마찬가지로 세포 내부로 신호를 전달한다. 세포 외부의 곰팡이인 진균류, 박테리아 등이 분비하는 단백질 분해효소에 의해 초파리의 톨 수용체가 활성화되어 내재면역 시스템을 작동하도록 한다.

초파리에게는 모두 9종의 톨 수용체가 있어서 초파리의 내재면역뿐 아니라 배아 발생, 면역과 신경계 발생에 관여한다. 고등동물은 초파리의 ‘톨 수용체’와 구조와 기능이 유사한 ‘톨 유사 수용체’를 가지고 있다고 앞에서 배웠다.

고등동물이 가지고 있는 ‘톨 유사 수용체’는 ‘양식 인지’를 한다. ‘양식 인지’라 하면 영어로는 pattern recognition, 톨 수용체가 외부의 병원체가 가지고 있는 특수한 분자의 패턴을 접촉하여 인식하는 것을 뜻한다.

초파리의 톨 수용체, 고등동물의 톨 유사 수용체 모두 작용기전의 공통점이 있다.

첫째, 수용체에 수용체에 결합하는 작은 물질인 리간드가 결합하면 수용체 두 개가 모인다.

둘째, 수용체의 세포 내부에 여러 단백질, 효소 등이 모인다.

셋째, 수용체 주변에 모인 단백질, 효소들에 의한 신호전달에 의해 특정 전사인자가 세포질에서 세포핵으로 이동하여 내재면역 관련 유전자를 발현시킨다.

이제는 염증이 무엇인지도 정확히 정의해야 할 때가 되었다. 염증은 그냥 열나고 붓는 것 아니냐고?

물론 맞지만, 염증을 좀 더 과학적으로 정의해 보도록 하자.

염증이란 병원체 감염, 손상된 세포, 외부에서 유입된 자극 물질 등에 대한 생체의 방어 반응으로 면역세포 및 기타 염증 매개체들이 조직 손상을 억제하고 조직 복구를 촉진하는 과정을 뜻한다. 염증은 내재면역의 아주 중요한 기전으로 염증 반응을 통해 면역세포들을 손상 부위로 이동하도록 해준다.

여기서 호중구에 이어 아주 중요한 면역 세포들 중 하나인 대식세포(macrophage)가 등장한다. 병원체에 의한 감염이 일어난 조직에서 세균에서 유래한 LPS 등에 의해 자극받은 대식세포는 인터루킨-8을 분비하여 호중구를 불러 모은다. 염증이 발생한 조직에는 대식세포와 호중구 이외에도 많은 다른 백혈구들이 모여든다.

내재면역 시스템의 슈퍼스타라고 할 수 있는 NK 세포는 병원균이나 바이러스를 죽이는 호중구와는 달리 ‘우리 몸’의 세포를 직접 죽인다. 그렇다면 NK 세포는 바이러스에 감염된 세포나 악성 암세포를 어떻게 알아내어 죽이는 것일까?

나중에 자세히 다시 설명할 기회가 있겠지만, 우리 몸의 모든 세포는 건강한 ‘우리 몸 자신의 세포라는 표식’을 세포 표면에 가지고 있다. 이러한 ‘건강한 우리 몸 자신의 세포라는 표식’이 바로 주조직적합성 복합체라는 의미를 가진 MHC(major histocompatibility complex)라는 세포 표면의 분자이다. 바이러스에 감염된 세포나 암세포는 종종 이 MHC에 이상이 생기거나 제대로 세포 표면에 MHC가 존재하지 않아 NK 세포의 공격을 받게 된다.

MHC는 ‘건강한 우리 몸 자신의 세포라는 표식’ 외에도 ‘항원 제시’라는 또 다른 중요한 역할을 한다. 항원(antigen)은 면역 반응을 일으키는 모든 물질, 그중에서도 특히 항체(antibody)를 만들어 내도록 자극하는 물질을 말한다.

항원은 주로 박테리아나 바이러스의 구성 물질, 꽃가루, 독성 물질처럼 외부에서 침입하는 물질이나 암세포 또는 바이러스에 감염된 세포가 만드는 물질처럼 자신의 생체 내부에서 비정상적인 경로를 통해 만들어지는 물질이다. 앞 페이지에 출연한 MHC는 주로 아미노산이 20개 이하로 연결된 고분자인 펩티드 항원을 결합하여 세포 외부로 ‘제시’하는 역할을 한다.

이제부터 고등동물의 진정한(?) 면역 시스템이라 할 수 있는 적응 면역에 대해서 알아보자. 적응 면역의 진정한 주인공은 림프구 중에서도 B 세포와 T 세포다. 적응면역은 외부에서 침입한 병원체나 항원에 대한 ‘특이적’인 면역 반응으로 내재면역과는 달리 동물이 경험을 통해 획득하는 면역이다. 그렇다고 내재면역이 적응 면역보다 열등한 것인가? 절대 그렇지 않다.

내재면역은 생명체가 오랜 면역 시스템의 진화 과정을 통해 획득한 면역 기전으로 주변에서 쉽게 침입할 수 있는 여러 감염성 병원체에 대한 ‘신속한’ 대처를 할 수 있는 면역이라는 것에 큰 의미가 있다. 그렇다고 적응 면역의 면역 반응이 모두 오랜 시간이 걸리는 것은 아니다. 

적응 면역의 또 다른 중요한 특징은 ‘면역 기억’이다. 우리가 감염병을 예방하기 위하여 백신을 맞는 이유도 바로 이 적응 면역의 면역 기억을 활성화하기 위함이다. 

적응 면역에서 또 다른 중요한 기전은 ‘항원 제시’이다. 항원 제시란 외부에서 들어온 항원을 다른 적응 면역에서 활약하는 면역세포에게 ‘이런 놈이 들어왔다.’라고 알려주는 과정을 뜻한다. 

앞 장에서 항원은 면역체계가 인식하여 면역 반응을 일으키는 물질, 그중에서도 항체(antibody)를 만들어 내도록 자극하는 물질이라고 정의하였다. 일반적으로 항원은 우리의 몸 안으로 들어왔을 때 면역 반응을 일으키는 외부-비자기 물질을 통틀어 이르는 말이다. 병원균, 바이러스, 기생충과 같은 우리의 몸에 감염하거나 기생하는 녀석들의 분자가 항원으로 작용하기도 하고, 꽃가루, 기타 생체 외부 물질 유래 화학물질 등이 항원으로 면역 반응을 일으키기도 한다.

B세포는 골수에서 조혈모줄기세포로부터 분화되어 만들어지는데 이 기간동안 항체를 만드는 유전자 재조합이 일어난다. B세포가 처음에 만드는 항체는 IgG가 아닌 IgM이다. 골수 유치원을 졸업한 미성숙 B 세포는 혈관을 타고 림프절로 들어가서 나이브 B 세포가 되고 이어서 항원을 만나 성숙하면 IgM뿐만 아니라 IgD도 표면에 가진 성숙 B 세포가 된다. 2;

항체는 B 세포 표면에서 B세포 수용체인 BCR(B cell receptor)로 기능할 수도 있고 B 세포 외부로 분비될 수도 있다. BCR은 B 세포 표면에서 항원과 직접 결합하여 세포 내로 B 세포 활성 신호 전달을 수행한다. BCR로 작용하는 B 세포의 세포막에 박혀 있는 항체는 세포질 내부로 내밀고 있는 부분이 너무 작아서 세포 내로 신호를 전달하려면 다른 수용체의 도움을 받아야 한다. Iga와 Igb가 IgM 또는 IgD의 공수용체(co-receptor)로 작용하여 B 세포 내부로 B 세포 활성화 신호를 전달한다.

성숙한 B 세포는 항원과 결합하면 활성화되고 도움 T 세포의 도움을 받아 IgM 또는 IgD에서 다른 종류의 Ig를 발현하는 형질세포나 기억 B 세포로 분화한다. B세포의 활성화에는 도움 T 세포가 필요하고, 도움 T 세포는 B 세포가 제시한 항원 조각을 인식하여 B 세포와 결합한다.

활성화된 중심세포들은 항원과 BCR 사이의 친화도에 따라 기억 B 세포 또는 형질세포로 분화한다.

B 세포 표면에 항체로 이루어진 B 세포 수용체인 BCR이 있는 것처럼 T 세포도 항원 특이적 수용체인 T 세포 수용체라는 TCR을 발현한다. TCR은 항체가 다양성이 있는 것처럼 이론적으로 10억 종류가 넘는 클론이 존재한다. 물론 B 세포의 항체처럼 TCR도 V(D)J 유전자 조각의 조합에 의해 다양성을 획득한다.

TCR은 여러모로 항체와 닮았다. 왜냐하면 TCR과 Ig를 암호화하는 유전자가 공통 조상 유전자로부터 진화하였기 때문이다. TCR은 항원 제시 세포가 주조직적합성복합체인 MHC가 결합하고 있는 펩타이드 항원만 인지할 수 있다.

적혈구를 제외한 우리 몸의 모든 세포는 MHC 클래스 I을 이용하여 세포 내부에서 생성된 자신의 단백질 조각인 펩타이드를 세포 표면에 제시한다. 이것은 면역세포들로 하여금 자기 자신 세포와 외부 세포를 분간할 수 있도록 하는 행위이다.

세포독성 T 세포인 CD8+ Tc세포는 TCR과 공수용체 CD8을 이용하여 MHC 클래스 1에 제시된 펩타이드 항원과 결합하고, 도움 T 세포인 CD4+ Th 세포는 TCR과 공수용체 CD4를 이용하여 MHC 클래스 2에 제시된 펩타이드 항원과 결합한다.

전문 ‘항원 제시 세포’는 수지상세포, 대식세포, B 세포가 있고 이들은 MHC 클래스 2에 ‘외부 단백질 항원’을 제시한다.

TCR 다양성 역시 TCR 유전자의 재조합을 통해 이루어진다. T 세포도 B 세포와 마찬가지로 골수에서 만들어지지만 B 세포와는 달리 흉선에서 성숙한다. 흉선에 처음 도착한 T 세포 전구체는 성숙한 T 세포들이 발현하는 공수용체인 CD4와 CD8을 모두 발현하지 않으므로 이중 음성이라는 뜻의 DN(double-negative) 세포라고 불린다.

DN 세포는 여러 가지 세포 표면 단백질들을 다르게 발현하는 단계인 DN1, DN2, DN3 세포를 거쳐 제대로 된 TCR를 발현할 준비가 된 DN4 세포로 변신한다. DN4 세포는 CD4와 CD8을 모두 발현하는 이중양성이라는 뜻의 DP(double-positive) 세포로 변신한 후 아주 빠르게 분열한다.

CD4와 CD8을 모두 발현하는 DP 세포는 흉선 안에서 ‘양성 선택’과 ‘음성 선택’을 거친 후 CD4+ 도움 T 세포나 CD8+ 세포독성 T 세포로 분화한다. 굉장히 다양한 펩타이드 항원 결합부위를 가진 TCR을 발현하는 DP 세포들 중 TCR과 펩타이드 항원-MHC 복합체와의 결합력을 기준으로 많은 DP 세포들이 도태되고 극히 일부만 살아남는다.

B 세포의 경우 효과 B 세포가 현역 선수, 형질세포가 예비군으로 대기하고 있는 것처럼 T 세포도 효과 T 세포는 현역으로 면역반응에 참여하고 기억 T 세포는 예비군으로 대기하다가 2차 면역반응에 참여한다.

면역 관용이란 무엇일까? ‘관용’이란 ‘너그럽게 허용하고 봐준다’라는 의미이므로 면역 관용은 면역계가 특정 항원에 대해 면역 반응을 일으키지 않고 ‘봐준다’라는 뜻이다.

그렇다면 어떠한 항원에 대해 ‘면역 관용’을 베푸는 것일까? 자가 항원에 대해 면역 관용을 베푸는 이유는 그렇게 하지 않으면 ‘자가면역질환’이 발생할 수 있기 때문이다. 자가면역질환은 자기 면역세포의 활동으로부터 자기 자신의 세포를 보호하려는 기전인 ‘면역 관용’이 제대로 작동하지 못하기 때문에 일어나는 현상이다.

자가면역질환에는 류마티스 관절염, 다발성 경화증, 전신 홍반 루푸스 등이 있다. 자가면역질환 중 가장 잘 알려진 것은 류마티스 관절염이다. 40~60대 여성에게 가장 흔하게 나타나며, 관절뿐 아니라 호흡기 등에도 나타나는 만성 질병이다. 류마티스 관절염 환자는 RF라는 자가 항체를 만드는데 이것이 IgG와 결합하여 환부에서 보체 연쇄반응을 일으킨다. 

다발성 경화증은 단순히 저린 증상에서 마비까지 올 수 있는 무서운 자가면역질환으로 신경세포의 미엘린초를 면역세포가 항원으로 인식하여 발생한다. 바이러스 감염 등에 의해 손상된 미엘린초의 파편을 대식세포나 미세아교세포가 항원으로 제시하여 T 세포를 활성화시켜서 발생한다고 생각되고 있다.

‘전신 홍반 루푸스’는 젊은 흑인이나 히스패닉 여성에게서 주로 발생하는 자가면역질환이다. 세포 핵 안의 DNA나 히스톤과 같은 고분자, 적혈구, 혈소판, 혈액 응고 인자와 같은 여러 자가 항원에 대한 자가 항체를 만들어 내어 전신에 걸쳐 고열, 피부 발진, 늑막염, 신장부전 등의 다양한 증상이 나타난다.

면역 관용은 중추관용과 말초관용으로 나눌 수 있다. B 세포와 T 세포가 만들어지는 도중 자가 항원을 인식하는 B 세포와 T 세포들이 제거되는 과정이 중추관용이다. 자가항원에 반응하는 B 세포는 골수 안에서 세포 예정사(apoptosis)에 의해 사멸한다.

말초관용은 골수와 흉선에서 이루어진 중추관용을 통과하고도 남아있는 자가 항원과 반응하는 B 세포와 T 세포가 체내 조직을 공격하지 못하도록 하는 면역 시스템의 두 번째 안전장치이다. 

말초관용에서 가장 보편적으로 쓰이는 반응은 ‘무반응’이다. 자가 항원과 반응하는 면역세포들은 중추관용에서 사멸하기도 하지만 이렇게 무반응 세포로 남아있을 수도 있다. 무반응 B 세포는 BCR이 자가 항원과 결합해도 증식하지 않고 항체를 분비하는 형질세포로 분화하지도 않는다. 무반응 T 세포도 TCR이 자기 항원과 결합하여도 증식하지 않고 사이토카인도 분비하지 않는다.