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[바이오토픽] 면역학의 역사: B림프구 발견 50주년
의학약학 양병찬 (2015-01-12 09:52)

진화는 자연계에서만 일어나는 게 아니다. 인체 내에서도 진화는 계속 일어나는데, 그 핵심은 T세포의 수용체와 B세포의 항체다. 지난주는 B 림프구가 발견된 지 50주년 되는 주였다. 록펠러 대학교의 미혤 C. 누센츠바이크 교수(면역학)와 알렉산더 D. 기틀린(웨일코넬/록펠러/슬론케터링 통합 박사과정)은 Nature에 기고한 글을 통해, 2가지 후천성 면역세포의 발견과정에 대해 회고하고, 그것이 백신, 암 치료, 항체기반 약물의 개발에 미친 영향을 평가했다.

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출처: http://commons.wikimedia.org/wiki/File:T-dependent_B_cell_activation.png?uselang=ko


1963년 맥스 데일 쿠퍼가 미네소타 대학교 로버트 굿 교수의 연구실에 합류했을 때, 면역학계에는 두 학파가 대립하고 있었으며, 양쪽 진영은 서로를 매우 미워했다.

당시 면역학계의 핵심 과제는 '척추동물이 (거의 무한하게 다양한 화학구조를 지닌) 세균과 바이러스에 대한 방어체계를 어떻게 형성하는지'를 알아내는 것이었다. 굿의 연구실에 합류한 지 채 2년도 안 되어, 쿠퍼는 림프구(lymphocytes)라는 세포에 대해 새로운 사실을 발견함으로써 이 과제를 성공적으로 수행했다. 림프구는 면역계의 미스터를 해결하는 데 필수적인 것으로 밝혀져, 종국에는 면역계의 양대학파를 통합하는 데 기여했다.

지난주는 굿, 쿠퍼, 레이몬드 피터슨 세 사람이 《Nature》에 논문을 발표하여(참고 1), 림프구에는 두 가지 종류가 있음을 밝힌 지 50주년 되는 주였다. 그들의 통찰력은 현대 면역학의 뼈대를 형성하고, 면역결핍증 및 백혈병의 연구와 치료, 그리고 단클론항체(monoclonal antibodies)의 개발에 큰 영향을 미쳤다.

주사전자현미경으로 관찰한 B세포의 모습
주사전자현미경으로 관찰한 B세포의 모습


1.  클론전쟁

1960년대에 한 무리의 면역학자들은 주로 화학용어를 사용했으며, 그 즈음 상당한 진보를 이루었다. 이 그룹은 "항체분자는 2개의 결합부위(binding site)를 가진 단백질이며, 이 결합부위들은 다양한 범위의 외래분자(항원), 심지어 합성분자까지도 인식할 수 있다"는 사실을 발견했다. 또한 "항체는 중쇄(heavy chain)와 경쇄(light chain)를 각각 2개씩 보유고 있는데, 한쪽 말단(N 터미널)의 아미노산은 가변적이고, 다른 쪽 말단(C 터미널)의 아미노산은 일정하다"는 사실도 밝혀냈다.

다른 무리의 면역학자들은 주로 세포 및 유기체 수준에서 면역학을 연구했다. 이들 사이에서는 클론선택이론(clonal-selection theory)이 점차 힘을 얻고 있었는데, 이 이론은 "림프구는 다양하고, 각각의 림프구는 독특하다"는 가정에 근거하고 있었다. 즉, 각각의 세포는 독특한 표면 수용체(surface receptor)를 보유하고 있어서, 여기에 항원이 결합하면 해당 클론의 증식이 촉발된다는 것이다. 이 이론은 1950년대 후반 월터&엘리자 홀 의학연구소(WEHI)의 프랭크 맥팔레인 버넷과 시카고 대학교의 데이비드 탈미지가 제창한 이론이었다(참고 2, 3). 클론선택이론은 면역학에 개념적 틀을 제공했지만, 실증적 근거와 메커니즘은 밝혀지지 않은 상태였다.

1961년 WEHI의 자크 밀러는 "흉선(thymus)이 제거된 마우스는 다른 마우스의 피부조직을 이식받아도 거부반응을 나타내지 않는다"고 보고했다(참고 4). 이는 흉선이 이식 거부반응을 매개하는 핵심원인이라는 것을 시사했지만, 밀러의 실험은 널리 받아들여지지 않았다. 그 당시 항체는 오직 림프구에서만 - 형질세포(plasma cells)를 경유하여 - 생성되는 것으로 생각되었기 때문이다. 당시의 면역학자들은 '(항체를 생성하는) 림프구'와 '(이식 거부반응에 관여하는) 림프구'가 연관되어 있는지, 만약 연관되어 있다면 그 메커니즘은 무엇인지를 알지 못하고 있었던 것이다.

소아과 의사이자 임상면역학자인 쿠퍼가 일련의 임상적 관찰을 통해 두 가지 계열의 림프구가 존재한다는 실마리를 찾아낸 것은, 이러한 상황 하에서였다(참고 5). 비스코트-올드리치 증후군(Wiskott–Aldrich syndrome)은 X 염색체와 관련된 질병인데, 이 질병에 걸린 환자들은 고수준의 항체를 보유하고 있음에도 불구하고 심각한 헤르페스바이러스 감염증(면역결핍과 관련된 것으로 알려져 있음)을 앓는다. 이와 대조적으로, 선천성 면역결핍증인 X연관성 무감마글루불린혈증(X-linked agammaglobulinaemia)에 걸린 소년들은 항체반응이 부족함에도 불구하고 바이러스 감염증을 제어할 수 있었다. 이 두 가지 관찰들을 종합하면, '항체를 생성하는 림프구'와 '흉선에서 유래하여 이식거부 반응을 일으키는 림프구(밀러의 실험에서 밝혀진 림프구)'가 각각 별개의 림프구일지 모른다는 것을 시사한다.

1960년대에 미네소타 대학교 로버트 굿 교수의 연구실에서 촬영한 맥스 쿠퍼의 사진
1960년대에 미네소타 대학교 로버트 굿 교수의 연구실에서 촬영한 맥스 쿠퍼의 사진


2. 핵심적 실험

쿠퍼는 1956년 《Poultry Science》에 실린 논문을 읽고 이상과 같은 역설을 해결할 실마리를 찾아낸, 몇 안 되는 면역학자 중 한 명이었다(참고 6). 그것은 파브리시우스낭(bursa of Fabricius)과 관련된 우연한 발견에서 비롯되었다. 파브리시우스낭이란 조류의 독특한 기관으로, 당시에는 성장 및 발육 과정에서 호르몬 역할을 하는 것으로 여겨졌었다. 논문의 저자인 브루스 글릭 등은 '파브리시우스낭이 항체생성 과정에서 중요한 역할을 할지 모른다'고 생각하고, (다른 실험에 사용할 목적으로) 파브리시우스낭이 제거된 닭을 이용하여 실험을 수행했다. 실험 결과, 놀랍게도 이 닭들은 항체생성이 현저하게 감소한 것으로 밝혀졌다.

글릭의 논문을 읽은 굿과 쿠퍼는 닭의 파브리시우스낭과 흉선의 역할을 다시 연구해 보기로 결정했다. 그 당시까지만 해도, 닭의 기관을 제거한 연구에서는 엇갈리는 결과가 나왔었다. 쿠퍼는 "연구마다 다른 결과가 나온 것은, 몇몇 닭들이 기관을 제거하기 전에 면역세포를 발달시켰기 때문일 것"이라고 생각하고, 갓 부화된 병아리에게 기관을 제거한 다음날 방사선을 조사(照射)했다. (이런 방법으로, 부화된 리후에 흉선이나 파브리시우스낭에 의해 생성된 면역세포를 제거함으로써, 이 기관들이 면역발달 과정에서 수행하는 역할을 제대로 연구할 수 있었다.)

1965년 《Nature》에 발표된 연구결과는 놀라웠다(참고 1). 파브리시우스낭이 없는 닭들은 소혈청알부민(BSA: bovine serum albumin)이나 세균(Brucella abortus)을 주입해도 항체를 생성하지 않는 것으로 나타났다. 닭의 혈청에서는 주요 항체들이 전혀 보이지 않았지만, 흉선과 독립적인 비장의 백색속질(white pulp)은 온전했는데, 이 같은 극적인 표현형은 X연관성 무감마글로불린혈증 환자와 너무도 흡사했다.

다음 해에 쿠퍼가 이끄는 연구진은 연구의 범위를 좀 더 확대하여 《Journal of Experimental Medicine》에 기념비적인 논문을 발표했다(참고 7). 그들은 흉선과 파브리시우스낭이 없는 닭을 이용하여, 두 기관이 각각 생성하는 면역세포의 상이한 기능을 밝혀냈다. 즉, “B세포('B'라는 이름은 bursa에서 유래함)는 항체반응에 필요한 데 반해, T세포('T'라는 이름은 thymus에서 유래함)는 지연형 과민반응(delayed-type hypersensitivity reaction), 이식편대숙주반응(graft-versus-host reaction), 피부이식 거부반응(skin-graft rejection)을 매개한다”는 사실을 밝혀낸 것이다.

면역결핍질환에 대한 「2림프구모델(two-lymphocyte model)」의 설명력은 엄청났다(참고 5). X연관성 무감마글로불린혈증 환자들은 항체생성이 부족하지만 세포성 면역(cellular immunity)은 온전하므로, 그들의 질병은 오직 B세포 발달의 결핍 때문이라고 할 수 있다. 이와 대조적으로, 스위스형 무감마글로불린혈증(Swiss-type agammaglobulinaemia) 환자들의 경우에는 세포성 면역과 항체기반 면역(antibody-based immunity)이 모두 심각하게 손상되어 있으므로, T세포와 B세포의 공통 전구세포가 결핍됨으로써 발생한다고 할 수 있다. 면역학자들보다 임상의들이 쿠퍼의 연구결과를 더 반긴 것은 놀랄 일이 아니었다.

다음으로, 쿠퍼는 포유류의 기관 중에서 파브리시우스낭에 해당되는 것을 찾기 시작했다. 그것이 발견되지 않자, 향후 약 10년 동안 쿠퍼의 발견은 적절성 및 일반성 논란에 휘말렸다. 과학자들은 쿠퍼를 만날 때마다 '올해는 파브리시우스낭의 등가물을 찾아낸 거요?'라고 묻곤 했다(참고 5). 그러나 포유류에서 파브리시우스낭의 등가물을 찾는 것은 매우 어려웠다. 처음에 쿠퍼는 장(腸)조직이 B세포의 원천이라고 생각하고, 이곳을 연구하느라 엄청난 노력을 쏟았다(참고 5).

1974년 마침내 기다리고 기다리던 결과가 나왔다. 쿠퍼는 유니버시티칼리지런던(UCL)의 마틴 래프, 존 오언과 함께 마우스 태아의 간세포 배양물을 임신 14일째부터 배양했는데, 4~7일 만에 B세포가 생성되는 것으로 나타났다(참고 8). 이와 동시에 WEHI의 구스타프 노살과 제네바 대학교의 피에르 바살리가 이끄는 연구진 역시, 마우스의 골수를 이용한 실험에서 이와 비슷한 발견을 했다(참고 5). 결론적으로, 닭의 파브리시우스낭과 같은 기능을 수행하는 포유류의 기관은 조혈조직(haematopoietic tissue)인 것으로 밝혀졌다.

닭의 파브리시우스낭 = 포유류의 골수

1970년대에 들어 상이한 림프구 계열의 원천이 이해되자, 백혈병과 림프종의 치료방법이 바뀌기 시작했다. 이 두 가지 종양의 원천이 되는 세포들은 암을 구분하고 맞춤형 치료법을 설계하는 데 이용된다. 즉, 급성림프구성백혈병(acute lymphoblastic leukaemia)는 B세포 또는 T세포에서 유래하며, 비호지킨림프종(non-Hodgkin's lymphomas)과 버킷림프종(Burkitt's lymphomas)은 B세포에서 유래하는 것으로 밝혀졌다. 오늘날 이들 질병에 대한 다양한 치료법의 효과는 적절한 분류 여하에 따라 좌우되곤 한다.


3. 약물과 백신

B세포 생물학이 의학에 미친 지대한 영향 중 하나는 하이브리도마(hybridomas)를 만드는 데 기여했다는 것이다. 하이브리도마란 항체를 생성하는 불멸의 세포주(immortal antibody-producing cell lines)를 말한다. 1975년 영국 MRC 분자생물학 연구소의 게오르게스 쾰러와 세사르 밀스테인은 "B세포를 골수종 세포주(myeloma cell line)와 융합하는 데 성공했다"고 보고했다(참고 9). 두 사람이 만든 잡종세포는 지속적으로 특정 항체를 생성했다. 이것은 단클론항체 기술의 효시로, 쾰러, 밀스테인, 닐스 예르네에게 1984년 노벨 생리의학상을 안겨줬다.

하이브리도마 기법의 중요성은 아무리 강조해도 지나치지 않다. 그 후 단클론항체는 모든 실험생물학에 보급되었다. 단클론항체는 강력하고 특이적인 시약으로 활용되어, 거의 모든 분자 및 세포를 동정·분리·저해할 수 있다. 임상적으로도, 단클론항체는 가장 강력한 진단 및 치료 수단 중 하나로 인정받고 있다.

쿠퍼의 발견은 또한, 클론선택이론의 기본적 의문("클론의 다양성이 생성되는 과정은 무엇인가?")에 답변을 제공할 수 있는 토대를 마련했다. 1976년 일본의 토네가와 스스무는 이 의문에 대해 우아한 분자적 솔루션을 제공했다(참고 10). 그에 의하면, “B세포는 커다란 유전자조각(gene segment)의 풀(pool)에서 3가지 유형의 유전자조각을 골라낸 다음, 이들을 조합하여 일련의 다양한 항체세트를 조립한다”고 한다.

마지막으로, 과거에는 화학적 수준에서 해명되었던 항체들이 지금은 유전적·세포적·유기체적 수준에서 이해되고 있다. 1980년대에는 T세포 시스템의 클론적 성격이 이해되었다. B세포 시스템과 T세포 시스템의 발견을 통해, 쿠퍼와 동료들은 일련의 랜드마크적 발견에 시동을 걸었는데, 이는 종국적으로 면역학의 두 진영(화학적 측면을 중시하는 그룹, 세포적 측면을 중시하는 그룹)을 통합하는 성과를 거뒀다.

하지만 B세포 생물학의 핵심적 의문들은 아직 남아 있다. 특히 HIV, 인플루엔자, 기타 감염질환에 대한 백신을 개발하는 데 있어서 해결되지 못한 점들이 몇 가지 있다. 예컨대 감염을 예방하려면 B세포 중 일부가 선택되어 장기생존세포(long-lived cells)로 분화하는 과정을 이해해야 하지만, 이 부분에 대한 연구는 아직 미흡한 실정이다. 쿡을 비롯한 많은 면역학자들의 발견은 인간의 건강증진에 지속적인 영향을 미치게 될 것이다. 우리는 “지금으로부터 50년 전 쿡이 실험을 통해 그 물꼬를 텄다”는 점을 꼭 기억해야 한다. 그게 과학자에 대한 최소한의 예의다.

※ 참고문헌
1. Cooper, M. D., Peterson, R. D. A. & Good, R. A. Nature 205, 143–146 (1965).
2. Burnet, F. M. The Clonal Selection Theory of Acquired Immunity (Vanderbilt Univ. Press, 1959).
3. Talmage, D. W. Science 129, 1643–1648 (1959).
4. Miller, J. F. A. P. Immunol. Rev. 185, 7–14 (2002).
5. Cooper, M. D. A. Ann. Rev. Immunol. 28, 1–19 (2009).
6. Glick, B., Chang, T. S. & Jaap, R. G. Poultry Sci. 35, 224–225 (1956).
7. Cooper, M. D., Raymond, D. A., Peterson, R. D., South, M. A. & Good, R. A. J. Exp. Med. 123, 75–102 (1966).
8. Owen, J. J. T., Cooper, M. D. & Raff, M. C. Nature 249, 361–363 (1974).
9. Köhler, G. & Milstein, C. Nature 256, 495–497 (1975).
10. Hozumi, N. & Tonegawa, S. Proc. Natl Acad. Sci. USA 73, 3628–3632 (1976).

※ 출처: Nature 517, 139–141 (08 January 2015) doi:10.1038/517139a (http://www.nature.com/news/immunology-fifty-years-of-b-lymphocytes-1.16653)


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양병찬 (약사, 번역가)
서울대학교 경영학과와 동대학원을 졸업하고, 은행, 증권사, 대기업 기획조정실 등에서 일하다가, 진로를 바꿔 중앙대학교 약학대학을 졸업하고 약사면허를 취득한 이색경력의 소유자다. 현재 서울 구로구에서 거주하며 낮에는 약사로, 밤에는 전문 번역가와 과학 리포터로...
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