Treg cell은 우리 몸에서 과도한 염증반응이 일어나지 않도록 하고 자가면역반응이 일어나지 않도록 면역반응을 조절하는 중요하는 세포입니다. 그럼에도 불구하고 다양한 자가면역질환들이 생기고, 이러한 질병들을 가진 환자들에게서는 Treg cell의 기능이 떨어지는 것을 확인하게 됩니다. 자가면역질환을 연구하는 사람들에게, 특히 Treg cell을 연구하는 사람들에게, Treg cell의 안정성(Stability)이 어떻게 유지되고 어떻게 망가지는지가 큰 관심사입니다. 이번 글에서 소개할 논문은 Treg cell이 기능을 상실하는 한 가지 기전을 밝힌 논문이며, Science Translational Medicine 저널에 2024년 8월 28일에 발표되었습니다.

Sumida, Tomokazu S., et al. "An autoimmune transcriptional circuit drives FOXP3+ regulatory T cell dysfunction." Science Translational Medicine 16.762 (2024): eadp1720.

<배경지식 소개: Treg cell stability & dysfunction>

Treg cell은 면역 반응을 억제하는 세포로서 우리 몸에서 자가면역반응이 일어나지 않도록 하는 중요한 세포입니다. 하지만 Treg cell이 존재함에도 불구하고 다양한 자가면역질환들이 생깁니다. 자가면역질환의 원인이 반드시 Treg cell의 문제에 있는 것은 아니지만, 분명한 것은 Treg cell이 본래의 역할을 충분히 하지 못한다는 것입니다.

우리가 Treg cell의 존재를 알게 된 역사는 그리 오래 되지 않았습니다. 1960년말-1970년초에 일부 과학자들이 면역반응을 억제하는 세포의 존재를 발견했으나, 이 세포의 실체를 알게되기까지 오랜 시간이 걸렸습니다. 면역학의 역사에서 중요한 연구들에 대해 소개하는 Pillars of Immunology (The Journal of Immunology에서 발간)에서 설명하는 Treg cell의 역사를 읽어보면 1969년으로 그 시작을 설명합니다(Shevach, Ethan M. "The resurrection of T cell-mediated suppression." The Journal of Immunology 186.7 (2011): 3805-3807.). (Treg cell의 역사에 대해 관심있는 분들은 읽어보시기를 추천드립니다.) 이후 2003년에 Foxp3가 Treg cell을 조절하는 핵심 전사조절인자라는 사실이 발견되면서부터 Treg cell에 대한 연구는 지난 20년간 급성장을 했습니다 (그림 1).

그림 1. Pubmed에서 ‘Regulatory T cell’로 키워드 검색을 했을 때 나오는 연간 논문 편수 (2024년 9월 3일 기준). Treg cell에 대한 연구가 1980년대에 활발하다가 1990년대에 가서는 줄어들었다. 이후 2003년에 Treg cell을 결정짓는 핵심 전사조절인자가 Foxp3라는 것이 밝혀진 후부터 지난 20년동안 Treg cell에 대한 수많은 연구들이 이루어졌다.

하지만 Treg cell에 대해 연구를 하면 할수록 학자들은 Treg cell의 안정성(Stability)이 유지되는 것이 중요하고, Treg cell은 때때로 안정성을 잃고 면역반응을 억제하는 세포로서의 기능을 상실한다는 것을 알게 되었습니다. 게다가 단순히 Treg cell로서의 기능을 잃는 것에서 그치지 않고 오히려 면역반응을 촉진하는 새로운 기능을 얻게 되기도 한다는 것을 알게 되었습니다. 실제로 Treg cell을 In vitro에서 다양한 염증성 사이토카인 존재 하에 키우게 되면 Treg cell은 IFNγ 같은 염증성 사이토카인을 발현하고 Foxp3 발현을 잃어버리고 오히려 염증반응을 촉진하게 됩니다. Treg cell의 안정성, 특히 Foxp3의 발현과 기능에 있어서는 다양한 전사조절인자와 후생유전학 관점에서 수많은 연구들이 진행되어 왔습니다. 예를 들어 Foxp3와 함께 중요한 역할을 하는 다양한 전사조절인자들이 밝혀졌고, Foxp3 유전자의 Locus에서 어떤 부분이 Foxp3 발현에 중요한지도 많이 연구되었고, Foxp3 유전자의 특정 부분에서의 DNA demethylation정도가 (Treg-specific demethylated regions, TSDR) Foxp3 발현에 중요하다는 것도 알게 되었습니다. 그럼에도 불구하고 여전히 Treg cell이 기능을 상실하는 것을 막지 못하고 있습니다.

특히나 Treg cell을 이용한 Cell therapy를 개발하는 것에 있어서 Treg cell의 안정성을 확보하는 것은 매우 중요합니다. 이를 위해 Foxp3을 과발현 시키거나 Treg cell의 안정성을 해치는 유전자를 제거하는 등의 방법들을 시도하고 있습니다.

<논문 소개>

배경지식 소개에서 소개했듯이 Treg cell이 안정성을 잃는 Destabilization 혹은 Dysfunction에 관련된 연구는 Treg cell을 연구하는 많은 과학자들 사이에서 매우 중요한 연구주제입니다. 저자들은 중추신경계의 손상을 일으키는 자가면역질환인 다발성 경화증(Multiple sclerosis) 환자들에게서 얻은 Treg cell이 면역억제기능을 잃어버린다는 것(Dysfunction)을 확인한 바 있고, 이에 대한 원인을 알기 위해 다발성 경화증 환자들에게서 얻은 Memory Treg cell (mTreg)의 전사체(Transcriptome)와 후성유전체(Epigenome)를 분석하였습니다.

논문의 Figure 1에서 보여주듯이 저자들은 Bulk RNA-sequencing을 통해 다발성 경화증을 포함한 여러 종류의 자가면역질환 환자들의 mTreg cell에서 PRDM1 유전자가 높게 발현되는 것을 확인하였고, Treg cell에서의 PRDM1 (단백질은 BLIMP1)의 기능에 집중하였습니다.

PRDM1은 두 가지의 Isoform을 갖는데, 이때 짧은 형태의 Isoform (PRDM1-S, 단백질: BLIMP1-S)이 다발성 경화증 환자들의 mTreg cell에서 높게 발현되는 것을 확인했습니다. 이후 PRDM1-S의 기능을 밝히기 위해 PRDM1-S를 과발현 시킨 mTreg cell에서 다르게 발현되는 전사체를 RNA-sequencing을 통해 분석했고, 이 중에서 SGK1 유전자가 PRDM1-S 과발현에 의해 높게 발현되는 것을 확인했습니다. 또한 PRDM1-S의 과발현이 Treg cell의 기능상실과 Foxp3 발현 감소를 유도하는 것도 확인했고, 이러한 현상이 SGK1 유전자를 없앴을 때는 회복되는 것을 확인함을 통해 PRDM1-S/SGK1 신호전달과정이 Treg cell dysfunction에 중요함을 확인했습니다.

흥미롭게도 SGK1은 염도가 높을 때 활성화되는 Kinase이기도 합니다. 비록 논문에서 이야기하는 SGK1 활성은 AP-1/IRF 전사조절인자들에 의해 PRMD1 발현이 증가함으로 생기는 것이지만, 저자들은 염도가 높은 환경에서 PRDM1-S 발현이 증가하는 것을 확인하기도 했습니다 (fig. S5H).

<해당 연구의 중요성과 의미>

이번에 소개한 논문은 Treg cell 기능상실의 원인이 되는 유전자를 실제 환자에게서 얻은 세포를 통해 밝혔다는 점에서 큰 의미가 있습니다. 또한 다양한 Next-generation sequencing 기법들을 활용함으로써 이러한 발견을 가능하게 했습니다. 최근 논문들에서 심심찮게 보이는 기법들 중 하나가 CITE-sequencing인데, 이것은 항체에도 특정 바코드 서열을 붙임으로써 세포의 단백질정보와 전사체 정보를 함께 얻는 분석방법입니다. 논문의 Figure 2에서는 이 기법을 활용해 CD4+ T cell의 세포막단백질 차이(CD25, CD127, CD45RO, CD45RA)를 기준으로 네 종류의 CD4+ T cell (mTreg, nTreg, mTconv, nTconv)을 구분 짓고, 각각에 대한 전사체 분석을 한 번에 가능하도록 했습니다. 물론 일반적인 Single cell-sequencing을 통해서도 세포들의 Subtype을 구분 지을 수 있지만, mRNA발현과 단백질의 발현이 항상 일치하는 것이 아니기 때문에 전사체를 기준으로 하는 세포의 구분(Clustering)이 항상 정확하지는 않습니다. 따라서 CITE-seq 기법을 활용하면 각각의 세포들을 따로 FACS-sorting 하여 따로 sequencing을 하지 않고도 하나의 Batch에서 여러 종류의 세포들을 동시에 분석할 수 있습니다.

논문의 Discussion에서 이야기하듯이 BLIMP1의 기능은 꽤나 복잡해 보입니다. 비록 논문에서는 BLIMP1-S에 의한 Treg cell 기능 상실을 밝혔지만, BLIMP1을 완전히 없애버리는 것은 마찬가지로 Treg cell의 기능 상실을 초래합니다. 따라서 BLIMP1의 적절한 조절이 최적의 Treg cell 기능을 위해 필요해 보입니다.

논문에서는 실험적으로 BLIMP1-S/SGK1/FOXO 신호전달과정이 Treg cell dysfunction에 미치는 영향을 잘 보여주었지만, 이 기전이 Treg cell dysfunction의 절대적인 원인이라고 하기는 어렵습니다. 또한 이 기전을 막는다고 해서 완벽하게 Treg cell destabilization을 억제하기도 어려울 것입니다. 그럼에도 불구하고 실제 자가면역질환 환자에 존재하는 Treg cell이 보이는 기능상실의 새로운 기전을 밝혔다는 것은 그것 자체로 큰 의미가 있습니다.

논문에서도 언급하지만, SGK1은 염도(Na+ 농도)에 반응하여 조절되는 전사조절인자이기도 합니다. 높은 농도의 나트륨이 Th17 cell을 더 활성화시키고, 이로 인해 다발성경화증의 동물모델인 EAE를 악화시킨다는 연구가 이미 오래전에 발표된 바 있습니다(Wu, Chuan, et al. "Induction of pathogenic TH17 cells by inducible salt-sensing kinase SGK1." Nature 496.7446 (2013): 513-517.). 마찬가지로 높은 나트륨 농도는 Treg cell의 기능을 악화시킨다는 연구도 오래전에 있었고 (Hernandez, Amanda L., et al. "Sodium chloride inhibits the suppressive function of FOXP3+ regulatory T cells." The Journal of clinical investigation 125.11 (2015): 4212-4222.), 이번에 소개한 논문에서도 이를 다시 확인하였습니다. 또한 실제 다발성 경화증 환자의 나트륨 농도가 높다는 연구를 통해 나트륨 농도와 염증 반응이 우리의 생각 이상으로 꽤나 중요한 인과관계를 가질 수도 있겠다는 생각을 하게 합니다. 자가면역질환의 발병과 악화에는 다양한 요인들이 작용하기 때문에 체내의 나트륨 농도가 염증반응에 미치는 영향이 얼마나 되는지를 알기는 어렵지만, 음식을 너무 짜게 먹지 않고 물을 충분히 마시면서 몸의 항상성 유지를 돕는 것은 여러 면에서 좋을 거 같습니다(그러나 논문의 결론이 짜게 먹으면 Treg cell이 나빠진다가 아닙니다).