보체 3: 보체의 기능 - 옵소닌화, 염증 유도, 막공격복합체 생성

보체의 3가지 기능

숙주 방어를 위하여 보체 시스템들이 항원을 인식하는 방법과 3가지 활성화 경로를 앞 글에서 자세히 살펴보았다. 이제 그러한 과정을 통해 활성화된 보체들이 숙주 방어를 위해 어떤 구체적인 역할을 수행하는지 자세히 살펴보자. 면역계에서 이들의 기능은 크게 3가지로 구분할 수 있다. (1) 표적 병원체 세포 표면을 옵소닌화(C3b, C5b), (2) 강력한 염증성 아나필라톡신 생성으로 면역 세들을  소집하고 활성화 (C3a, C5a) , (3) 막공격복합체(MAC) 조립을 통한 표적 병원체 용해와 사멸 유발(C5b, C6 ~C9) 이 그것이다.

 

1. 옵소닌(opsonin)과 옵소닌화(opsonization) : C3b, C4b

보체 조각들은 병원체에 결합한 항체(= 면역복합체)와 도킹을 하거나, 병원체 세포막의 당단백질의 특정 탄수화물과 결합하는 방식으로 개시되어 C3 전환효소를 만들고, 대체 경로 역시 자발적 방식으로 시작하여 C3 전환효소를 만들어낸다. 흥미로운 것은 이 모든 활동이 병원체의 세포 표면이나 세포 표면과 아주 가까운 곳에서만 진행된다는 것이다. 사실 이것은 숙주 방어라는 측면에서 본다면 매우 다행스러운 현상이다. C3 전환효소와 특히 C5 전환효소에 의해 분절되어 만들어진 수많은 C3b,C5b 조각분자들은 병원체 세포에 다닥다닥 붙는다. 이렇게 코팅하듯 세포 표면에 들러붙는 현상을 옵소닌화(Opsonization), 그리고 달라붙는 C3b과 C5b를 옵소닌(Opsonin)이라고 부른다. 병원체 입장에서 한번 생각해 보라. 온몸을 조각덩어리들이 온통 에워쌌으니 운신이 매우 힘들어질 것이다. 하지만 정작 옵소닌의 목적은 병원체를 괴롭히는 것이 아니다. 이들을 포식하러 달려올 대식세포(Macrophage)나 호중구(Neutrophil)와 같은 식세포들을 위한 사전작업이다. 맛있는 음식에 표시(tag)를 해주는 것이다. 돈가스 덩어리에 붙은 빵가루 같은 존재라고나 할까. 더욱 먹음직스러워 보일 것이다. 이들 면역세포는 보체 수용체(CR)를 발현하여 보체와 잘 결합한다.

 

옵소닌의 작용기전을 조금 더 자세하게 알아보자면, 모든 세포막은 음전하를 띠고 있어 두 세포가 서로 가까워지기 어렵다. 즉, 병원균과 대식세포의 세포벽은 서로를 밀어내어 대식식포가 병원균을 포획하는 것을 어렵게 만드는데, 옵소닌이 병원균의 세포표면을 뒤덮어 표시함으로써 반발력을 해결하는 역할을 하여 대식세포가 이들을 먹어 삼키는 속도를 증가시킨다. 물론 옵소닌들은 숙주의 건강한 세포에는 달라붙지 않는데, 병원체 분자나, 손상된 분자를 구별하여 인식하도록 진화해왔다고 한다. 탄수화물 인식 도메인(CRD: carbohydrate recognition domain)이 미생물 표면의 올리고당과 결합한다.

 

 

숙주세포도 옵소닌대상?

혹 C3b 분자가 인간을 비롯한 숙주 세포도 옵소닌화하지는 않는가? 하는 의문이 들 것이다. 다행히도 그렇지 않다. 인체는 보체 인자 H(factor H)를 생성하여 숙주세포를 방어한다. 인자 H는 미생물과 같은 병원체에는 일반적으로 존재하지 않는 숙주 세포의 고유한 탄수화물 구조(주로 시알산, Sialic acid)와 강한 친화력이 있어 이를 인식하고 먼저 결합함으로써 C3b로부터 가로채 C3b 조각이 이에 결합하고 옵소닌화하는 것을 방지하여 숙주세포가 면역의 공격대상이 되지 않도록 막아 준다. 보체 억제에 대한 글에서 다시 다루겠지만, 세포막에 결합되지 않은 유체 상태의 인자 H는 대체 경로에서 C3b와 결합하기 위해 인자 B와 경쟁하는 관계에 있는데, 먼저 C3b와 결합하여 C3bH를 형성하여 C3 전환효소 생성을 막아버림으로써 보체 활성화를 막는 역할도 수행하며, 이후 인자 I를 활성화시켜 C3b를 비활성형태로 분해되도록 돕기도 한다.

 

청소부 역할

여기서 잠깐, 대식세포의 중요한 역할 하나를 더 짚고 가자. 대식세포들은 외부로부터 침입한 외래 병원체와 같은 항원들을 먹어치우는 면역 활동뿐만 아니라, 손상된 숙주의 조직이나 정상적인 프로그램된 세포 사멸로 죽은 세포가 남긴 부스러기 등을 돌아다니면서 먹어치워 우리 몸을 깨끗하고 청결하게 유지해 주는 청소부와 같은 역할도 한다. 이런 숙주의 찌꺼기가 제때에 제대로 제거되지 않고 돌아 다니면 자가 면역 반응을 초래할 수도 있다. 보체에 대한 첫 글에서 보체가 면역활동 이외에도 많은 역할을 한다고 언급하였는데, 보체 역시 병원체뿐만 아니라 제거되고 청소되어야 할 숙주의 자가물질을 옵소닌화 하여 대식세포의 청소를 도와주는 중요한 어시스트 역할을 한다. (나는 개인적으로 대식세포를 떠올릴 때마다 센과 치히로의 행방불명에서 본 가오나시가 자꾸 연상된다… ㅎㅎ)

 

옵소닌의 종류

옵소닌은 선천면역과 적응 면역 모두와 관련 있는 것으로, 항체(IgG, IgM), 급성기 반응성 단백질(CRP), 보체(C3b, C4b), 칼슘 의존 렉틴계열의 콜렉틴 패밀리에 속하는 만노스 결합 렉틴(MBL), 피콜린, 폐의 상피 표면을 세척하는 액체에 존재하는 폐 계면활성제 단백질(surfactant protein) A와 D들 역시 모두 옵소닌으로 작용할 수 있다. 여러 계면활성제 지단백질 중에서도 특히 A와 D(SP-A, SP-D)는 폐를 손상시키고 가스 교환을 방해할 수 있는 과도한 염증 반응을 저지하여 숙주를 보호하는 중요한 역할을 한다. [1] 펼치면 테니스 코트 크기의 표면적을 자랑하는 폐 상피조직은 병원체, 알레르겐, 독성 가스 등에 지속적으로 노출되는 아주 섬세한 통로이므로 매우 꼼꼼한 숙주 방어기제가 필요한 것은 말할 필요도 없다. 그래서 폐포에는 아예 24시간 자리를 틀고 앉아 상주하는 대식세포(Alveolar macrophages)와 수지상 세포들이 있어, 흡입된 공기를 끊임없이 샘플링하고 검사한다. 이때 병원체가 포착되면 그 병원체의 표면을 코팅(옵소닌화)하여 대식세포들의 식세포작용을 더 용이하게 만들어 주는 기능을 한다. SP-A 및 SP-D는 사실 고전적 경로의 C1q와 MBL과 구조적으로 매우 유사하지만, 다만 이들은 MASP와 연결되지 않기 때문에 보체계를 활성화하지는 않는다.

 

 

2. 염증 매개체: C5a > C3a > C4a

Cascade단계 상 순서대로 보자면 C1s에 의해 분절된 결과물 C4a, C3 전환효소에 의해 분절/생성된 C3a, 마지막으로 C5 전환효소에 의해 분절/활성화된 C5a는 모두 면역 세포를 각성시켜 염증 반응을 일으키게 하는 염증 유발인자들이다. 흥미로운 것은 이 들이 만들어내는 염증 반응의 강도가 cascade 단계의 뒤로 갈수록, 즉 C5a가 제일 강력하며, 사실 C4a는 염증을 유발하는 기능이 매우 미미하여 자체적인 수용체도 없는 것으로 보여 거의 염증매개체로 간주하지 않을 정도이다. C3a와 C5a가 만일 과잉으로 생성될 경우 전신 알레르기 반응과 유사한 쇼크를 야기할 수 있다. 이러한 반응을 아나필락시스 쇼크(anaphylactic shock)라고 부르기 때문에 C3a와 C5a을 아나필락시톡신(anaphylatoxin) 또는 아나필락시 펩타이드라고도 부른다.

 

염증반응

국소 염증 반응이란 혈류에 있는 면역세포들이 감염조직으로 옮겨가도록 유도하기 위한 반응이다. C3a와 C5a조각들이 단핵구(호산구, 호중구, 호염구), 대식세포, 비만세포, 내피세포 표면의 GPCR(수용체)에 결합되면, 염증 반응을 일으키기 위한 신호 전달 체계(cascade)가 시작되어 IL-6와 TNF-𝛼 등의 사이토카인을 분비한다. 이러한 사이토카인의 분비는 혈관을 둘러싼 평활근을 수축시켜 혈관이 확장되어 혈류가 증가되고, 혈관 투과성을 높여 느슨하게 만들어 체액들이 혈관을 떠나 조직으로 더 잘 스며들 수 있도록 만든다. 체액이 조직으로 이동하면 그 부위가 퉁퉁 부어오르게 된다. C3a와 C5a 조각 분자는 혈관 속에서 순환하고 있던 면역세포들을 감염지로 유인하고 유도하기 위하여 IL-8(CXCL8)과 같은 화학적인 주성(chemokine)을 분비하는데, 면역세포들이 이를 인식하면 혈관벽쪽 방향으로 이동하게 된다. 감염된 조직 근처 혈관벽의 내피세포는 이 면역세포들을 잡아 끌어당겨 혈관벽에 붙도록 도와주기 위해 접착(adhesion) 분자들을 발현하여 면역세포와 결합한다. 염증신호 사이토카인이 혈관 내피세포의 GPCR수용체에 결합하면 신호 전달 체계를 통해 접착분자 P-셀렉틴(selectin)과 E-셀렉틴을 발현한다. 그 작은 면역세포들에게 혈류는 이미 어마어마하게 빠른 속도로 흐르는 강과 같은 존재일텐데, 거기다 더해 염증반응으로 더 많이 소집된 혈류로 인해 이런 접착 수용체들이 당겨주지 않는다면 혈류를 타고 계속해서 떠내려 흘러갈 수밖에 없을 것이다. 곧이어 혈관벽에 붙은 면역세포 들을 위해 내피세포들이 움츠러들면서 틈을 약간 내어 주면 면역세포가 아메바 모양으로 찌그러지고 압착되어 그 틈을 비집고 뚫고 들어가 조직으로 이동한다. 이러한 과정을 diapedesis라고 한다(유대민족의 대이동 디아스포라(diaspora)와 왠지 어원이 비슷할 것 같은 느낌이.. ㅎㅎ). 아래 그림에 잘 표현되어 있다. 물론 면역세포들의 크기가 실제로는 훨씬 작다는 것은 기억하자.

 

 

이렇게 조직으로 도착한 호중구와 대식세포들은 감염지에서 병원체에 다닥다닥 옵소닌으로 붙어있는 C3b들과 CR(보체 수용체)로 결합하여 병원체를 먹어치우게 된다. 비만세포와 호염구(basophil)는 병원체를 제거하기 위하여 탈과립 하여 히스타민을 뿜어낸다. 이 히스타민의 주요 기능도 혈관을 확장시키고 투과성을 높이는 역할을 한다. 안티히스타민제를 한 번이라도 복용한 적이 있는 사람이라면 히스타민이 과도할 경우 어떤 일이 벌어지는지 알고 있을 것이다. 

 

히스타민 반응

비만세포의 과립에서 분비되는 히스타민이 일으키는 반응을 보면 마치 외부로부터 들어온 것을 밖으로 내보내려는 아주 본능적인 발버둥 또는 몸부림 같다는 생각을 한다. 소화기관을 통해 들어온 이물질을 밖으로 배출하기 위해 위액을 마구 분비하고 연동운동을 증가시켜 구토나 설사를 하게 하거나, 호흡기를 통해 들어온 이물질을 배출하기 위해, 콧물 가래 등을 마구 분비하게 하고, 재채기나 기침을 과하게 하게 하거나, 더 이상 이물질의 반입을 막기 위해 기도를 축소시킨다. 기도는 좁아지고 분비액은 늘어 흡입된 공기가 폐에 갇히게 되면 숨쉬기가 매우 힘들어진다. 천식 발작이 생길 수 있다. 또한 백혈구, 혈장 단백질 등 면역활동을 할 효과기 세포들을 더 많이 소집하기 위해 혈관을 확장되고 투과성도 증대시킨다. 혈관이 온몸에 걸쳐 확장된다면 심각한 상황으로 이어질 수 있다. 왜냐하면 혈관이 늘어나면 결과적으로 혈압이 급격히 떨어져 저혈압성 쇼크가 발생할 수 있고, 그 결과로 중요 장기에 혈액이 제대로 공급되지 않아 산소가 부족해지면 사망에 이를 수도 있기 때문이다. 심각할 경우, 보통 에피네프린을 주사하여 기도의 평활근을 이완 등 히스타민의 효과를 되돌려 놓아 회복시킨다. 

 

 

3. 막공격복합체(Membrane Attack Complex)와 세포용해(lysis) : C5b6789 복합체

보체들은 병원체의 세포 표면에 기공을 뚫어 직접 병원체를 파멸시킬 수 있다. MAC의 첫 단계는 C5 전환효소가 C5를 절단하여 C5b를 방출하는 것이다. 방출된 C5b는 인근의 C6과 결합하여 복합체 C5b6를 형성한다. 여기에 C7 분자가 결합하면 C7에 구조적 변형이 생겨 소수성(hydrophobic)부위가 노출되고 그 부위가 병원체 세포의 지질이중층에 삽입되어 들어간다. 뒤따라 C8분자 역시 복합체에 결합하면서 소수성 부위가 노출되어 지질이중층에 삽입된다. 최종적으로 10 ~19개 정도의 C9 단편들이 하나씩 중합을 시작하여 마침내 약 10nm 직경의 기공을 완성한다. 막공격복합체가 생성되었다.

 

세포막에 의해 무결성과 항상성을 유지하던 유기체들은 세포막에 구멍이 뚫리게 되면 에너지 생산과 같은 정상적인 대사나 생리적 활동을 수행하기 힘들어진다. 뚫린 기공 때문에 병원체의 세포 안과 밖은 삼투압 차이가 생기고, 이로 인해 계속해서 물과 전해질들이 유입되어 들어오고, 또한 이후 내부의 물질들이 외부로 유출되기도 한다. 한마디로 병원체가 더 이상 견디지 못하고 부풀어 오르다가 결국은 글자 그대로 터져버리는 끔찍한 종말을 맞게 된다.   

 

MAC의 공격에 취약하여 용해가 더 쉽게 되는 병원체나 박테리아들이 있다. 헤르페스 바이러스(herpesviruses), 홍역 및 볼거리를 유발하는 오르토믹소바이러스(orthomyxoviruses), 인플루엔자와 같은 파라믹소바이러스(paramyxoviruses), 그리고 레트로바이러스(retroviruses) 들은 모두 외피(envelope)를 가진 바이러스들로서 보체 매개 용해에 취약하다. 두꺼운 세포벽(펩티도글리칸)을 가진 그람양성 박테리아들은 보체 단편들이 세포벽을 뚫고 그 너머의 막에 접근하기 어렵기 때문에 보체의 공격을 물리칠 수 있다. 2개의 세포막을 가진 그람음성 박테리아의 경우, MAC가 내막과 외막이 접한 부위에 국한되어 두 막을 모두 공격하는 것으로 보인다. 뇌수막염을 일으키는 Neisseria meningitidis와 같은 그람음성 박테리아는 특히 MAC 공격에 약하다.

 

 

그람 양성/음성 박테리아(gram-positive/gram-negative bacteria) 세균이나 미생물과 관련하여 그람 양성 또는 그람 음성이라는 표식을 자주 본다. 이는 세균들을 분류하는 커다란 범주로서 그람염색법(Gram stain)의 결과에 따른 분류인데, 세포벽의 화학적 특성과 물리적 특성의 차이를 이용하여 세균을 구별하는 방법이다. 그람이라는 이름은 이 실험을 행한 미생물학자 Hans Christian Gram의 이름에서 따온 것이다. 세균들은 펩티도 글리칸(peptidoglycan)으로 이루어진 세포벽을 가지고 있다 (참고로 인간을 포함한 진핵생물은 펩티도글리칸이 발견되지 않는다). 염색은 여러단계에 걸쳐 진행된다. 1차는 크리스탈 바이올렛 염료를 적용한다. 이어 여기에 요오드를 첨가하여 염료가 세포안에서 머물수 있게 하여 착색시킨다. 세포벽층이 얇은 세균(그람 음성균)의 경우, 염료가 탈색되어 색을 잃고, 이들보다 몇배나 더 두꺼운 세포벽층이 두꺼운 세균(그람양성균)은 그 다층적 특징으로 염료가 갇혀 보라색을 유지하게 된다. 마지막으로, 대비염색을 실시하여 그람 음성균의 색이 빨간색이나 분홍색을 띠게 한다. 그람 양성균은 보라색이 강하여 대비염색에도 보라색을 유지한다. 세균의 세포벽을 파악하면 그에 알맞는 항생제를 사용하여 효과를 증가시킬수 있다는 임상적 의미가 있다.

 

선천면역부터 적응면역까지

보체의 3가지 주요 역할을 살펴보았다. 병원체가 숙주에 대한 공격을 시작한 초기 시점에 MBL, C1q, C3b, C4b 등이 항원에 결합하면 이들은 모두 각각 항원 제시 세포들 즉, 수지상 세포와 대식세포들의 보체 수용체에 결합하여 이들의 항원 인식 신호 전달 과정을 시작하게 한다. 또한, 항원 제시 세포들이 아나필라토신 수용체(C5aR)로 아나필라토신 보체 분자들과 결합하면 IL-12와 같은 사이토카인들을 분비하여 아직 분화되지 않은(naive) T세포가 Th1 세포로 분화되도록 자극한다. 항원과 결합된 보체를 인식한 B세포 역시 항체생산을 시작하여 병원체 소탕에 나서게 된다. 보체의 역할과 관련하여 우리가 주목해야 할 중요한 측면은 이들은 감염 초기부터 시작하여 적응면역에 이르기까지 포괄적으로 관여하면서 숙주 방어에 적극적으로 다양하게 기여하는 면역체계라는 점이다.

 

 

[참고 자료]

[1]  Immunomodulatory Roles of Surfactant Proteins A and D

doi: 10.1513/pats.200701-018AW. PMID: 17607008; PMCID: PMC2647627.

[기본 자료]

Kuby Immunology. 8th New York: Macmillan Learning, 2019. Text. MLA Style. Punt, Jenni, Stranford, Sharon A, Jones, Patricia P, Owen, Judith A

 

Janeway's immunobiology. Kenneth Murphy, Janeway Jr., Paul Travers, Walport Sir. 9th Edition, New York, Garland Science/Taylor & Francis Group, LLC, [2016]

 

Fundamental Immunology 5th edition (August 2003): William E. Paul(Editor). Philadelphia : Lippincott Williams & Wilkins, c2003.

 

Roitt’s Essential Immunology, Thirteenth Edition. Peter J. Delves, Seamus J. Martin, Dennis R. Burton, and Ivan M. Roitt. Published 2017 by John Wiley & Sons, Ltd