우리 몸의 면역체계는 매우 높은 민감도와 선택성을 동시에 필요로 합니다. 특히 T세포는 수많은 자기(self) 분자가 존재하는 환경에서 극소량의 외부 항원을 선택적으로 인식해야 하며, 경우에 따라서는 단 하나의 항원 펩타이드-MHC 복합체와 T세포 수용체(T cell receptor, TCR)의 결합만으로도 세포 전체의 반응을 유도할 수 있습니다. 반면 우연히 발생하는 비특이적인 분자 상호작용이나 기저 신호전달에는 쉽게 활성화되지 않아야 합니다. 따라서 작은 입력 신호를 효과적으로 증폭하면서 동시에 배경 잡음을 억제하는 원리를 이해하는 것은 T세포 신호 전달 연구에서 중요한 질문입니다.
TCR이 항원을 인식하면 일련의 인산화 연쇄반응을 통해 ZAP70 인산화효소가 활성화되고, ZAP70은 세포막에 존재하는 어댑터 단백질인 LAT(Linker for Activation of T cells)을 인산화합니다. 인산화된 LAT(pLAT)은 Grb2, SOS, Gads, SLP76, PLCγ1과 같은 다양한 신호전달 단백질을 모집하며, 이들 사이의 다가 상호작용을 통해 세포막 위에 LAT 응축물(condensate)이 형성됩니다. 이전 연구들을 통해 개별 TCR 활성화 사건이 독립적인 LAT 응축물 형성으로 이어질 수 있으며, 이러한 응축물이 초기 항원 인식 신호를 하위 신호전달 과정으로 전달하는 데 중요한 역할을 한다는 사실이 밝혀져 왔습니다.
이 과정에서 PLCγ1은 T세포 활성화를 결정하는 핵심 단백질 중 하나입니다. 활성화된 PLCγ1은 세포막의 PIP₂를 IP₃와 DAG로 분해하고, 이를 통해 세포 내 칼슘 신호전달과 Ras, PKC 등의 하위 신호전달 경로를 활성화합니다. 따라서 PLCγ1은 세포막에서 발생한 국소적인 TCR 신호를 세포 전체의 반응으로 전환하는 중요한 연결고리입니다. 하지만 LAT 응축물이 PLCγ1의 활성화를 정확히 어떻게 조절하는지는 명확하지 않았습니다. 특히 응축물 내부의 높은 단백질 농도가 PLCγ1의 효소 활성을 직접 증가시키는 것인지, 아니면 응축물이 다른 방식으로 PLCγ1 신호전달을 제어하는지가 본 연구의 출발점이었습니다.
이 질문을 해결하기 위해 저희는 지지 지질 이중층(supported lipid bilayer)을 이용한 막 재구성 시스템을 구축했습니다. 살아 있는 세포에서는 단백질 모집, 인산화, 응축물 형성, 효소 반응 등이 동시에 일어나기 때문에 각각의 과정을 독립적으로 분석하기 어렵습니다. 반면 재구성된 인공 세포막에서는 LAT의 밀도와 인산화 상태, 막의 지질 조성, 응축물 형성 여부 등을 개별적으로 조절할 수 있습니다. 여기에 전반사 형광현미경(TIRF microscopy)을 결합하여 PLCγ1의 세포막으로의 모집과 활성화, 그리고 막 기질인 PIP₂의 분해를 실시간으로 정량화했습니다.
먼저 PLCγ1이 어떻게 세포막으로 모집되는지를 조사했습니다. PLCγ1은 포스포이노시타이드와 결합할 수 있는 PH 도메인을 가지고 있기 때문에 PIP₂ 또는 PIP₃와의 직접적인 상호작용이 세포막으로의 모집에 중요한 역할을 할 가능성이 있었습니다. 하지만 실험 결과, PLCγ1은 PIP₂나 PIP₃가 존재하는 세포막 자체에는 거의 모집되지 않았으며, LAT이 인산화되었을 때 강하게 세포막으로 모집되었습니다. 즉, PLCγ1의 세포막 위치를 결정하는 가장 중요한 요인은 지질 조성 자체보다는 LAT의 인산화 상태였습니다.
흥미롭게도 pLAT에 결합한 PLCγ1은 매우 긴 막 체류 시간을 보였습니다. PLCγ1의 평균 결합 시간은 약 100초로, LAT에 결합하는 대표적인 어댑터 단백질인 Grb2의 수십 밀리초 수준의 결합 시간보다 훨씬 길었습니다. 이러한 결과는 PLCγ1이 단순히 LAT 응축물에 의해 모집되는 하위 효소에 그치지 않고, pLAT과 장시간 결합하면서 LAT 신호전달 복합체 자체를 안정화하는 구성 요소로도 작용할 가능성을 보여주었습니다.
다음으로 LAT 응축물 형성이 PLCγ1의 효소 활성을 직접 증가시키는지를 조사했습니다. 생체분자 응축물은 일반적으로 특정 단백질을 좁은 공간에 농축함으로써 생화학적 반응을 촉진할 수 있다고 생각되어 왔습니다. 따라서 저희 역시 LAT 응축물 안에 PLCγ1과 인산화효소가 함께 농축되면 PLCγ1의 활성이 크게 증가할 것으로 예상했습니다. 그러나 실제 결과는 예상과 달랐습니다. pLAT에 모집된 PLCγ1은 LAT이 분산되어 있는 상태에서도 충분히 빠르게 활성화되었으며, PLCγ1의 활성화 자체에는 LAT 응축물 형성이 필수적이지 않았습니다. 오히려 응축물 내부에서는 PLCγ1 한 분자당 효소 활성이 다소 감소하는 현상도 관찰되었습니다.
이 결과는 중요한 질문을 남겼습니다. PLCγ1의 효소 활성 자체가 응축물 형성에 의해 크게 증가하지 않는다면, 왜 실제 T세포에서는 PLCγ1의 활성화가 LAT 응축물 형성과 강하게 연결되어 있을까요?
그 단서는 PLCγ1의 활성화 속도를 분석하는 과정에서 발견되었습니다. T세포에서 PLCγ1을 활성화하는 주요 인산화효소는 TEC 계열 인산화효소인 ITK입니다. 본 연구에서는 정량적인 시험관 내 분석을 위해 같은 TEC 계열에 속하는 BTK를 대체 인산화효소로 사용하였습니다. 실험 결과 BTK는 PLCγ1을 인산화할 뿐 아니라 LAT 자체에도 추가적인 인산화를 유도할 수 있음을 발견했습니다. 이 과정에서 새롭게 형성된 pLAT은 다시 더 많은 PLCγ1과 신호전달 단백질을 모집할 수 있었습니다. 즉, PLCγ1을 활성화하는 TEC 계열 인산화효소가 동시에 PLCγ1의 모집 발판인 LAT을 강화할 수 있는 인산화효소 간 교차작용이 존재했습니다.
이러한 결과를 바탕으로 저희는 LAT 응축물이 일종의 양성 피드백 시스템으로 작동할 수 있다는 모델을 제안했습니다. 초기에는 TCR을 통해 활성화된 ZAP70이 LAT을 인산화하고, 충분한 pLAT이 형성되면 여러 신호전달 단백질이 모집되면서 LAT 응축물의 핵생성이 일어납니다. 이후 응축물로 모집된 TEC 계열 인산화효소가 주변의 LAT을 추가로 인산화하면 새로운 단백질 결합 부위가 만들어지고, 그 결과 더 많은 신호전달 단백질과 인산화효소가 응축물로 유입될 수 있습니다. 결국 LAT 인산화 → 단백질 모집 및 응축물 형성 → TEC 계열 인산화효소 모집 → 추가적인 LAT 인산화로 이어지는 양성 피드백 회로가 형성될 수 있습니다.
특히 이러한 양성 피드백은 세포막에 존재하는 강한 탈인산화효소(phosphatase)의 활성과 경쟁할 때 중요한 기능을 갖게 됩니다. 우연히 발생한 소량의 LAT 인산화는 응축물이 형성되기 전에 탈인산화효소에 의해 빠르게 제거될 수 있습니다. 따라서 자극이 없는 상태에서는 LAT이 낮은 인산화 상태에 머무르면서 배경 신호 전달이 억제됩니다. 반면 충분한 TCR–ZAP70 신호에 의해 LAT 응축물이 형성되기 시작하면, 응축물 내부의 인산화효소에 의한 양성 피드백이 LAT 인산화를 빠르게 증폭할 수 있습니다. 이러한 인산화효소와 탈인산화효소 사이의 경쟁은 LAT을 단순히 연속적으로 변화하는 인산화 상태가 아니라, 낮은 인산화 상태와 높은 인산화 상태라는 두 개의 뚜렷한 상태로 나뉘는 이봉성(bimodal) 반응으로 전환시킬 수 있었습니다.
동역학적 모델링을 통해서도 이러한 기전을 확인할 수 있었습니다. 모델에서는 ZAP70이 LAT 응축물 형성을 시작하기 위한 초기 자극을 제공하지만, 일단 응축물이 형성되고 TEC 계열 인산화효소에 의한 양성 피드백이 시작되면 응축물의 추가적인 성장과 높은 LAT 인산화 상태가 초기 ZAP70 신호와 부분적으로 분리될 수 있었습니다. 이러한 결과는 TCR 신호가 LAT 응축물 형성을 시작하는 ‘불씨(spark)’를 제공하고, 이후 응축물 내부의 양성 피드백이 신호를 증폭시키는 ‘점화(ignition)’ 과정으로 작동할 수 있음을 시사합니다.
이러한 관점에서 LAT 응축물의 역할은 PLCγ1의 효소 활성을 직접적으로 높이는 것이 아닙니다. 오히려 LAT 응축물은 LAT을 신호 전달이 어려운 낮은 인산화 상태와 신호 전달이 가능한 높은 인산화 상태로 구분하고, PLCγ1이 높은 pLAT 상태에 선택적으로 모집되도록 합니다. 따라서 LAT 응축물 형성은 LAT의 이봉성 인산화 상태를 만들어냄으로써 PLCγ1의 활성화를 선택적으로 허용하는 분자적 관문 역할을 한다고 이해할 수 있습니다. 이는 T세포가 약한 배경 신호를 효과적으로 억제하면서도 실제 항원으로부터 발생한 작은 신호는 빠르게 증폭할 수 있는 하나의 분자적 원리를 제공합니다.
본 연구는 생체분자 응축물의 기능을 바라보는 관점에서도 중요한 의미를 갖습니다. 응축물의 기능은 흔히 특정 분자를 국소적으로 농축하여 반응 속도를 증가시키는 것으로 설명됩니다. 그러나 본 연구에서는 단순한 농축 효과만으로는 설명하기 어려운 현상을 관찰했습니다. LAT 응축물은 PLCγ1 자체의 고유한 효소 활성을 직접 증가시키기보다, 인산화효소와 탈인산화효소 사이의 반응망과 양성 피드백을 재구성함으로써 신호전달의 역치와 증폭 정도를 조절했습니다. 이는 생체분자 응축물이 단순한 분자 저장소나 반응 공간을 넘어, 세포 내 생화학적 반응망의 작동 방식을 변화시키는 기능적인 신호전달 상태가 될 수 있음을 보여줍니다.
종합하면, 본 연구는 LAT 응축물 형성과 LAT 인산화가 서로 독립적인 현상이 아니라 양성 피드백을 통해 긴밀하게 연결되어 있으며, 그 결과 형성되는 LAT의 이봉성 인산화 상태가 PLCγ1 신호전달을 선택적으로 조절할 수 있다는 새로운 기전을 제시합니다. 이러한 결과는 T세포가 단일 항원 수준의 작은 입력에도 민감하게 반응하면서 비특이적인 배경 신호를 억제할 수 있는 원리를 이해하는 데 새로운 관점을 제공합니다. 더 나아가 세포막에서 형성되는 생체분자 응축물이 단순히 단백질을 모으는 구조체가 아니라, 신호전달의 민감도와 선택성, 그리고 증폭 정도를 결정하는 능동적인 조절 요소로 작동할 수 있음을 보여줍니다.

• 형식Research article
• 게재일2026년 09월 (BRIC 등록일 2026-10-02)
• 연구진국외 연구진
• 분야 생명과학 > 면역학