B형 간염바이러스 증식 억제법 및 감염세포 치료법 기대
Hepatitis B Virus-triggered Autophagy Targets TNFRSF10B/Death Receptor 5 for Degradation to Limit TNFSF10/TRAIL Response.
▲ 김균환 교수
한국연구재단(이사장 조무제)는 김균환 교수(건국대) 연구팀이 B형 간염바이러스로 인한 만성 감염 현상의 근본적인 원인을 발견했다고 밝혔다.
B형 간염바이러스는 만성간염과 간경화, 간암 유발의 주된 원인으로 알려진 간염바이러스의 일종이다. B형 간염바이러스는 만성간염의 원인 중 약 70%를 차지하고 있다.
세포가 B형 간염바이러스에 감염되면 면역반응이 일어난다. 면역반응은 바이러스나 세균과 같은 병원체 감염으로부터 인체를 보호하기 위한 방어기전이다. 이 반응을 통하여 인체는 병원균이 감염된 세포를 제거하거나 세포 내부에서 병원체의 증식을 저해한다.
그러나 면역반응에 의해서도 감염세포가 제거되지 않은 채 바이러스가 계속 증식하며 염증을 유발하면, 간세포는 점점 더 파괴되어 비정상조직(반흔조직*)으로 변한다. 이와 같은 현상이 6개월 이상 지속되는 간의 염증 상태를 만성감염이라 말한다. 만성감염이 지속될 경우 간경화나 간암과 같은 치명적 질병으로 발전할 수 있다.
* 반흔조직 : 간 손상과정에서 간세포(hepatocyte)가 사멸된 부위에서 간성상세포(hepatic stellate cell)로 대체됨으로서 간이 원래 기능을 못하도록 바뀐 조직
이러한 면역반응에 의해서 B형 간염바이러스에 감염된 간세포가 제거되지 않고 어떻게 생존이 가능한지에 대해서는 아직 규명되지 않았다.
이에 김균환 교수팀은 B형 간염바이러스에 감염된 세포들이 인체의 면역반응을 어떻게 회피할 수 있는지에 대한 기전을 밝혔다.
B형 간염환자 간 조직에서의 바이러스 단백질(HBx)은 바이러스에 감염된 세포에서 자가포식(Autophagy)*을 촉진시켰다. 이렇게 촉진된 자가포식 현상은 TRAIL 수용체(receptor)를 분해시킨다.
* 자가포식(Autophagy) : 세포 내에서 손상된 소기관과 단백질 찌꺼기를 분해하여 에너지원으로 활용하는 현상.
TRAIL은 다양한 면역세포에서 생성되는 감염세포 사멸물질이다. 이는 병원체에 감염된 세포 표면의 TRAIL 수용체와 결합하여, 해당 감염 세포를 사멸시킨다. TRAIL 수용체는 감염 세포 표면에 존재하며 TRAIL과 같은 감염세포사멸물질이 감염세포와 잘 결합할 수 있도록 활성화한다.
그러나 위처럼 HBx에 의한 자가포식 현상이 감염세포의 TRAIL 수용체를 없애면, TRAIL이 감염 세포와 결합할 수 없게 된다. 즉, 인체가 면역반응을 일으켜도 TRAIL 수용체가 분해된 감염세포는 TRAIL과 결합할 수 없으므로 사멸하지 않고 생존하게 된다. 이러한 염증 세포가 지속되면 만성감염 상태로 이어지는 것이다.
교수팀은 HBx가 유발하는 자가포식 현상을 억제하면 TRAIL 수용체가 세포표면에서 증가되어, TRAIL의 공격을 받은 감염세포의 사멸이 증가한다는 것을 확인하였다.
김균환 교수는 “이번 연구는 B형 간염바이러스의 인체 면역반응 회피 원인과 바이러스에 감염된 세포의 생존 이유를 설명하는 기전을 밝힌 것”이라며 “바이러스에 감염된 세포는 보호하면서 바이러스 증식을 억제하는 치료법 개발이 기대된다.”고 연구의 의의를 밝혔다.
한국연구재단 이공분야 기초연구사업(교육부 소관 사업)의 지원을 통해 거둔 이번 연구성과는 세계적으로 권위 있는 세포생물학 전문지 오토파지(Autophagy)에 10월 14일자 온라인으로 게재되었다.
논문의 주요 내용
□ 논문명, 저자정보
- 논문명 : Hepatitis B Virus-triggered Autophagy Targets TNFRSF10B/Death Receptor 5 for Degradation to Limit TNFSF10/TRAIL Response.
- 저자 정보 : 신구철 연구교수(제1저자, 건국대), 김균환 교수(교신저자, 건국대)
□ 논문의 주요 내용
B형 간염바이러스가 감염된 간세포와 만성간염 환자의 간에서 세포사멸 수용체 (TRAIL-R2/TRAIL Receptor)가 현저하게 감소되어 있음을 관찰하고, 라이소좀(lysosome)이 이에 관여되어 있으며, 특히 자가포식 경로(Autophagy pathway)의 활성화에 기인함을 밝혔다. 또한 바이러스의 HBx 단백질이 세포사멸 수용체를 자가포식 작용에 의해 제거할 때, 마치 바이러스 단백질이 세포사멸 수용체에 특화된 자가포식 수용체처럼 작용하여, 세포사멸 수용체와 결합하여 이를 분해하는 라이소좀으로 데리고 간다는 사실을 밝혔다.
바이러스에 의해 촉진된 자가포식 현상으로 인해, 바이러스 감염세포가 인체면역작용을 회피 (TRAIL에 의한 세포사멸에 저항성을 보임)함을 밝혔고 이것이 만성감염에 이르게 한다는 기전을 규명한 데 그 중요성이 있다.
1. 연구의 필요성
B형 간염바이러스가 만성감염 상태에서 지속적인 면역반응은 간 손상을 초래하는 염증반응으로서 간염, 간경화, 간암으로의 질병진행을 초래한다.
이러한 지속적인 면역반응에 의한 간세포 손상이 야기되는 상황 하에서 어떻게 B형 간염바이러스에 의해 감염된 간세포들이 생존할 수 있는지에 대해서는 아직까지 규명되지 않고 있었다.
2. 발견 원리
김 교수팀은 B형 간염바이러스의 주요 유전자인 HBx에 의해 촉진된 자가포식(Autophagy)현상이 세포사멸 수용체 (TNFRSF10B/TRAIL-R2)의 발현을 감소시킴으로서 TRAIL 항바이러스 면역효과를 저해함을 밝혔다.
HBx 단백질은 B형 간염바이러스의 증식을 촉진 및 지속시키는데 관여될 뿐만 아니라 간질환과 관련된 다양한 세포현상을 조절하는 것으로 알려져 왔으며 최근에는 자가포식 현상 조절에 관여하여 바이러스 증식을 촉진시킬 수 있음이 밝혀졌다.
자가포식은 손상된 세포소기관이나 단백질 찌꺼기들을 분해하여 에너지원으로 전환시키는 세포내 청소부 역할을 담당하고 있다. 자가포식 과정은 일련의 특수화된 단백질인 자가포식수용체(autophagy cargo receptor)들에 의해 단백질 찌꺼기 및 세포소기관들이 선택적으로 분해된다. 특히, 염증성 간질환에 의해 초래되는 간세포 손상에서 보호기전으로 알려졌고, TRAIL에 의한 세포사멸에서도 세포를 보호하는 기전으로 알려져 왔다.
3. 연구 성과
연구팀은 이번 연구에서 바이러스가 감염된 간세포 및 B형 간염환자의 간조직에서 세포사멸 수용체가 특이적으로 줄어들어 있음에 주목, 바이러스가 감염된 세포에서 자가포식현상이 촉진되어 있음을 확인하고, 자가포식 과정에서 HBx 단백질이 자가포식 수용체처럼 작용하여 세포사멸 수용체를 선택적으로 분해함을 증명하였다.
또한 자가포식 현상을 억제한 경우 바이러스가 감염된 세포에서 세포사멸 수용체가 증가되면서 TRAIL에 의한 세포사멸이 촉진됨을 증명하였다.
연 구 결 과 개 요
1. 연구배경
B형 간염바이러스는 간염, 간경화, 간암과 같은 중증 질환의 주범으로 알려져 있으며, 이러한 간질환은 우리나라를 비롯한 전세계적으로 높은 사망률을 보이는 질병이다. B형 간염바이러스는 감염된 세포에서 자체적으로는 세포사멸을 초래하지 않는 것으로 알려져 있고, 바이러스 감염에 따른 방어기전으로서 면역반응이 간세포 손상을 초래하여 야기된다는 것이 일반적 견해이다.
그러나 바이러스는 이러한 염증반응 조건하에서도 만성 감염이 되어 일생동안 간조직에 손상을 초래하여 간경화 및 간암으로의 질병진행을 초래하게 된다. 이는 B형 간염바이러스가 면역반응의 존재 하에서도 만성감염 상태를 유지할 수 있는 전략을 구축하고 있음을 시사한다.
2. 연구내용
최근까지 B형 간염바이러스의 만성감염기전 연구들은 바이러스가 면역능을 감소시키는 현상에 초점을 두고 연구가 수행되어왔다. 그러나 본 연구팀은 항바이러스 면역반응의 존재 하에서 어떻게 바이러스가 감염된 세포들이 면역반응을 회피할 수 있는지를 규명하였다.
TNFSF10/TRAIL은 종양괴사인자의 일종으로써 면역반응 조절 및 병원체 감염에 대한 방어면역반응에서 핵심인자로 알려져 왔는데, TRAIL은 병원체에 감염된 세포표면에 존재하는 세포사멸 수용체(TNFRSF10B/TRAIL-R2)를 인식하여 감염된 세포를 제거한다. 연구팀은 B형 간염바이러스가 감염된 간세포와 만성간염 환자의 간에서 세포사멸 수용체 (TNFRSF10B/TRAIL-R2)가 현저하게 감소되어 있음을 관찰하고, 라이소좀(lysosome)이 이에 관여되어 있으며, 특히 자가포식 경로(Autophagy pathway, autophagosome and autolysosome)의 촉진에 의해 기인함을 밝혔다. 이러한 조절기전은 B형 간염바이러스가 생산하는 HBx 단백질이 핵심인자로 작용함을 밝혔다.
자가포식 작용에 의해 손상된 세포소기관 및 단백질 찌꺼기의 제거는 무작위적으로 일어나기 보다는 자가포식 수용체들 (Autophagy cargo receptors)에 의해 각 세포구성물질이 선택적으로 제거된다. 예를 들어 자가포식 작용을 재활용품 청소차량에 비교한다면 자가포식 수용체들은 각 재활용품의 분리수거함에 비교할 수 있겠다. 연구팀은 HBx 단백질이 세포사멸 수용체를 자가포식 작용에 의해 제거할 때, 마치 세포사멸 수용체에 특화된 자가포식 수용체처럼 작용한다는 사실을 밝혔다. 더불어 자가포식작용의 억제를 통해 바이러스 감염세포가 TRAIL에 민감하게 반응함을 보여주었다.
3. 기대효과
B형 간염바이러스가 항바이러스 면역반응을 어떻게 회피해서 감염된 세포를 보호하고, 만성감염상태를 유지할 수 있는지에 대한 규명과 자가포식 현상이 간세포의 보호작용에서 중요함을 밝힘으로써, 최근까지 자가포식 억제제가 항바이러스 후보물질로 여겨졌던 관점에 대해 제고할 필요가 있음을 시사한다.
간세포를 보호하면서 B형 간염바이러스 증식만을 억제하여 감염된 세포를 치료할 수 있는 항바이러스제개발 연구분야의 발전에 이바지 할 것으로 사료된다.
★ 연구 이야기 ★
□ 연구를 시작한 계기나 배경은?
연구를 시작하게 된 특별한 계기는 사실 없습니다. 본 연구팀은 10년 가까이 B형 간염바이러스 치료제에 대한 내성바이러스 연구 및 항바이러스 후보물질 개발을 위한 핵심인자들에 대한 연구를 수행해왔습니다. 다년간 연구수행을 하는 과정에서 생긴 다양한 연구방향들 중에서 하나의 시나리오입니다. 결과적으로 말씀드리면 B형 간염바이러스 연구라는 한 뿌리를 수년간 연구하는 과정에서 생긴 새로운 나무줄기로 생각할 수 있습니다.
□ 연구 전개 과정에 대한 소개
7년전 항바이러스 후보물질 개발을 위한 핵심인자에 대한 연구를 수행하면서, HBx 단백질과 결합하는 단백질들 중에서 항바이러스 효과를 보이는 단백질을 찾았고, 이 단백질과 관련된 연구를 B형 간염바이러스에 의해 초래되는 간질환 연구로 연구분야를 넓히게 되었습니다. 결국 바이러스가 감염된 세포들이 염증반응 조건하에서 어떻게 생존할 수 있느냐는 단순한 질문을 시작으로 수행하게 되었습니다. 특히 금번 2016년 노벨생리의학상을 수상한 오스미 요시노리 교수님이 포문을 연, 자가포식 작용과 간질환의 연관성을 고려해서 바이러스 감염된 세포들이 자가포식 현상을 매개하여 면역공격으로부터 생존할 수 있을 것이라는 가설을 가지고 연구를 하게되었습니다.
□ 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소가 있었다면 무엇인지? 어떻게 극복(해결)하였는지?
특별히 어려운 점은 없었습니다. 연구자로서 초심을 갖고 연구를 수행하였습니다. 항상 질문하고, 답을 찾는 과정 자체가 연구자의 자세이기 때문에, 연구과정에서 발생할 수 있는 문제들은 결국 답을 찾아야 하는 과정으로 생각되었습니다. 국내 의생명공학분야는 예전에 비해서 양적으로나 질적으로 비약적 발전을 했기 때문에 연구과정에서 필요한 새로운 기법이나 소스들은 국내연구자들과 교류를 통해서 확보할 수 있었다. 다시 말씀드려서, 의생명공학분야의 선진국으로 알려진 외국연구자들과의 협력이 없어도 국내연구진들과 협력관계가 원활히 이루어지면 좋은 연구성과들을 이룰 수 있을 것으로 생각됩니다.
□ 이번 성과, 무엇이 다른가?
우선 B형 간염바이러스의 만성감염을 초래하는 원인기전으로서 기존의 연구는 항바이러스 면역반응저해(감소)와 관련되어 밝혔다면, 본 연구성과는 면역반응이 활성화된 상태에서 바이러스가 면역반응을 회피할 수 있다는 사실을 밝혔다고 보시면 될 것 같습니다.
더불어 항바이러스 치료제 후보물질로서 자가포식 억제제는 간손상을 가중시킬 수 있다는 문제점을 상기시키는 사실로서, B형 간염바이러스 치료제에 대한 연구방향을 간염바이러스 증식을 억제하면서도 간손상을 최소화 할 수 있는 물질개발에 초점을 두는 것이 타당함을 표명하는 연구성과입니다.
□ 꼭 이루고 싶은 목표와, 향후 연구계획은?
B형 간염바이러스는 효과적인 백신 및 치료제들이 있음에도 불구하고, 아직까지 전세계적인 주요 간질환요인으로 여겨지고 있으며, 현재 사용되고 있는 치료제에 대한 내성 바이러스의 출현으로 새로운 치료제의 개발이 필요합니다. 따라서 B형 간염바이러스를 효과적으로 제어할 수 있는 새로운 치료제를 개발하고, 중증 간질환 치료법 개발에도 일조할 계획입니다.
□ 기타 특별한 에피소드가 있었다면?
특별한 에피소드라고 할 만한 일은 없었습니다. 연구과정 전반이 어쩌면 특별한 일들의 연속이었다고 할 수 있습니다. 오직 가설만을 바탕으로 시작해서 눈에 보이는 결과물들을 만들어가는 과정, 더욱이 예상하지 못했던 사실들이 밝혀지고, 작은 조각그림들이 하나씩 맞춰져서 큰 그림이 되어가는 과정 전부가 특별한 에피소드들일 겁니다.
용 어 설 명
1. B형 간염바이러스(Hepatitis B virus)
B형 간염바이러스(hepatitis B virus, HBV)는 1967년 미국 Fox Chase Cancer Center의 Blumberg (1976년 이 공로로 노벨의학상을 받았음)에 의해 발견된 이후 세계적으로 가장 많은 감염률 및 인류에 피해를 주고 있는 바이러스 중의 하나이다. HBV는 세계적으로는 약 3억 5천만 명 정도가 만성 감염 보균자로 알려져 있고, 해마다 세계적으로 약 5천만에서 1천2백만 명이 HBV에 의해 사망하는 것으로 추정되고 있다. 만성 HBV 감염은 간염, 간경화 및 간암 등을 유발할 수 있으며 국내 간암 환자의 70% 이상의 원인이 B형 간염이다.
▲ B형 간염바이러스의 전자현미경 사진 및 모식도
B형 간염바이러스의 전자현미경 사진 및 모식도
2. Autophagy
오토파지 (autophagy, 자가포식)의 개념은 1960년대에 처음 생겨났지만, 자가포식 현상에 대한 실질적인 연구는 1990년대 초, 오스미 요시노리 (2016년 노벨 생리의학상을 수상한 일본 세포생물학자, Ohsumi Yoshinori)에 의해 자가포식에 필수적인 유전자들의 발견 이후, 활발한 연구들이 이루어졌다.
오토파지 (autophagy)의 어원은 그리스어 ‘자기’를 뜻하는 auto와 ‘포식’을 뜻하는 phagein의 합성어로써, 미토콘드리아, 리보솜 같은 세포내 소기관이 손상되거나, 세포 노폐물이나 불필요한 단백질 찌꺼기를 제거하는 청소부 역할을 한다. 세포는 이러한 손상된 소기관과 불필요한 단백질들을 분해해서 생존에 필요한 영양분을 얻음으로써 세포내 에너지 사용의 효율을 높인다. 또한 세균 및 바이러스와 같은 병원체에 감염됐을 때 세포 안에 들어온 세균이나 바이러스를 없애기도 한다. 배아 발달 과정에서도 자가포식은 필수이며, 우리 몸의 노화를 억제하는 조절자이기도하다. 특히 자가포식이 교란될 경우, 세포 노폐물이나 불필요한 단백질 찌꺼기가 제거되지 않고 쌓이면 다양한 질병의 원인이 되며, 이러한 노폐물 축적에 의한 세포내 스트레스는 유전자 변이를 일으켜 암을 유발하거나, 뇌에 독성 단백질 찌꺼기가 쌓이면 알츠하이머 치매나 파킨슨병의 원인이 된다. 현재 다양한 질병에서 자가포식을 타겟팅한 질병원인 규명 연구와 약물들이 개발되고 있다.
▲ 자가포식 현상의 매커니즘 연구로 2016년 노벨생리의학상을 수상한 오스미 요시노리 교수
자가포식 현상의 매커니즘 연구로 2016년 노벨생리의학상을 수상한 오스미 요시노리 교수.
3. TNFSF10/TRAIL
TRAIL (Tumor necrosis factor-related apoptosis-inducing ligand)은 세포 외부에서 세포사멸 수용체 (TNFRSF10B/TRAIL-R2 및 TNFRSF10A/TRAIL-R1)에 결합하고, 일련의 신호전달 경로를 활성화하여 세포사멸을 촉진하게 된다. TRAIL은 다양한 암세포에 활성을 보이며 정상세포에는 거의 세포독성을 나타내지 않기 때문에 항암제로서 연구가 되어왔다. 근본적으로 다양한 면역세포에서 생산되는 TRAIL은 종양괴사인자의 일종으로서 바이러스 및 세균과 같은 병원체에 감염된 세포를 공격하여 감염된 세포를 제거하는 역할을 담당한다. 또한 TRAIL은 기타 염증성 질환에서 병원체 감염과는 별개로 간조직 손상을 초래하는 요인으로 알려졌다. 세포사멸 수용체가 세포표면에서 감소된 암세포는 TRAIL에 저항성을 보이고, 만성감염되는 바이러스들에 의해서도 이들 수용체의 발현저해를 통해서 TRAIL에 의한 항바이러스 효과를 감소시키는 것으로 알려져 세포사멸 수용체의 발현조절과 관련된 연구는 암치료 뿐만 아니라 바이러스 치료전략 수립을 위한 주요 타겟으로 여겨지고 있다.
그 림 설 명
그림 1. B형 간염바이러스가 감염된 세포에서는 자가포식현상이 촉진되며 이로 인해 TRAIL에 대한 세포사멸수용체가 바이러스 감염된 세포의 세포표면에서 감소된다. 이는 결과적으로 면역세포들의 주된 공격 무기인 TRAIL의 세포사멸 효과를 무력화시키는 결과를 초래하며 B형 간염바이러스의 만성감염상태를 유지할 수 있는 요인이 된다.
(그림설명: 위쪽 세포는 바이러스가 감염되지 않아서 면역세포에 의해 쉽게 파괴가 되지만, 아래 세포는 감염된 바이러스가 보호막을 둘러서 면역세포의 공격으로부터 파괴되지 않고 생존하여 결국 만성에 이르게 한다는 내용임)
그림 2. B형 간염바이러스가 감염된 세포에서 TRAIL 세포사멸수용체가 현저하게 감소되어있다 (A). B형 간염바이러스에 의한 TRAIL 세포사멸수용체의 감소는 HBx 단백질에 의한 자가포식의 촉진 (B)과 더불어 자가포식수용체 (autophagy cargo receptor)처럼 작용함으로써 (C), TRAIL 세포사멸 수용체의 분해를 촉진하는 주요인자로 밝혀졌다.
그림 3. B형 간염바이러스 HBx 단백질에 의해 TRAIL가 매개하는 간세포 손상효과가 저해됨을 보였고 (A), 자가포식 현상 저해 (siLC3B)를 통해 TRAIL에 의한 세포사멸 효과가 증가됨을 HBx 발현세포 (B) 및 B형 간염바이러스가 증식하는 세포 (C)에서 모두 확인되었다.