Introduction

  장 점막은 지속적으로 미생물과 음식물에서 유래한 항원과 접촉하면서 외부와의 경계를 형성하는 주요 점막 장벽으로 기능하고 있다. 장 점막 하부 조직인 lamina propria에서 주로 활동하는 다양한 면역세포를 포함하는 장 면역계는 두 가지의 서로 상반된 기능을 수행해야 한다. 외부 병원균의 침입을 감지했을 때에는 염증 반응을 유발함과 동시에 다양한 면역세포를 동원하여 침입한 미생물을 제거해야 하지만, 장관 내부와 장 점막에 정착하여 숙주와 장기적인 공생관계를 형성하고 있는 미생물들의 총합인 마이크로바이옴(microbiome, 미생물 군집)에 대한 면역 관용 (immune tolerance)를 유지하여 공생균에 대한 과도한 면역 반응이 유익한 공생균을 감소시키거나 숙주에게 치명적인 만성 염증 질환으로 이어지지 않도록 해야 하는 것이다. 이와 같은 면역 관용을 유지하는데 있어서 핵심적인 역할을 수행하는 면역세포는 바로 조절T세포(regulatory T cell, Treg)이다. 기본적으로 Treg은 Th1, Th2, Th17과 같은 T helper 세포들에 의한 염증 반응을 직접적으로 억제하는 동시에 수지상세포(dendritic cell, DC) 등의 다양한 면역세포의 기능을 조절함으로써 면역 항상성을 유지할 수 있도록 한다. 상시적으로 미생물에 노출되어 있는 장 점막은 염증 반응이 과도하게 발생할 수 있는 가능성이 상존하고 있기 때문에 정상적인 Treg의 분화와 기능 조절은 숙주와 마이크로바이옴과의 공생관계 유지에 있어서 필수적이라고 할 수 있다.

분화 장소에 따른 Treg의 구분과 장에서의 Treg 분화 기작

  장 조직에 분포하고 있는 Treg은 크게 보아 흉선에서 분화하여 장으로 이동한 tTreg(thymic Treg)과 장에서 분화한 pTreg(peripherally-induced Treg)으로 구분할 수 있으며, 서로 다른 유래를 가진 Treg들의 구별되는 특징과 기능을 파악하기 위한 다양한 연구들이 시도되고 있다. pTreg의 경우에는 흉선에서 분화를 마친 CD4⁺ T세포가 장과 같은 주변부 조직이나 림프기관으로 이동한 후에 분화하며, tTreg이 발현하는 전사조절인자 Helios나 표면 단백질 neuropilin-1(Nrp1)을 발현하지 않는다. 따라서 Helios와 Nrp1의 발현 여부에 따라 pTreg과 tTreg을 구분할 수 있다. Helios는 염증이 일어났을 때 Treg의 조절 기능을 안정화시키는 역할을 하는 것으로 알려졌으며 Treg 분화를 조절하는 주요 전사조절인자인 Foxp3 발현을 유지시키는데 필요한 것으로 알려졌다. 몸에 미생물이 존재하지 않는 무균마우스에서는 대장에서 pTreg이 거의 생성되지 않으며, 모든 항원이 제거된 사료를 먹으며 자란 무균 마우스인 무항원 마우스에서는 소장에서의 pTreg 마저도 모두 사라지는 것을 볼 수 있다. 따라서 마이크로바이옴과의 공생 관계에 있어서는 대장에서의 pTreg이 특히 중요한 역할을 하는 것으로 추측할 수 있다. 비록 무균마우스에서 pTreg이 크게 감소하지만, 동시에 tTreg이 증가하면서 전체 Treg의 총량은 크게 변화하지 않음에도 불구하고 다양한 면역 불균형 상태가 관찰되는 것으로 보아 pTreg과 tTreg은 상황에 따라 구별되는 기능을 수행하는 것으로 여겨지고 있다. 장 lamina propria에 위치한 DC 중의 일부인 CD103⁺ DC와 CX3CR1⁺ 대식세포(macrophage)들은 소화관을 통과하는 다양한 미생물과 음식 항원을 수집하여 이들 항원을 인지하는 수용체(T cell receptor, TCR)를 가진 CD4⁺ T 세포로부터 pTreg이 분화하도록 유도하는 역할을 수행한다. 단순한 항원 전달을 넘어서서 CD103⁺ DC와 CX3CR1⁺ 대식세포들은 비타민A의 대사체인 retinoic acid를 분비함으로써 Foxp3의 발현을 촉진하고, 결과적으로 pTreg으로의 분화를 촉진하는 역할을 수행한다 [7].

장에서 마이크로바이옴에 의해 유도되는 Treg의 분화

  장 pTreg이 가지고 있는 TCR은 세균에서 유래한 항원들을 인지할 수 있는 것으로 알려졌다 [6]. tTreg이 가지고 있는 TCR의 경우에도 pTreg TCR과 일부 오버랩되는 경향성이 관찰되기는 하였으나 주로 자가 항원(self antigen)을 인지하는 것으로 보고 있다. 이와 같은 항원 특이성이 Treg의 분화에 있어서 중요한 역할을 하는 것은 사실이나 항원 외의 다른 요소들이 필수적이며 pTreg을 분화시키는 능력이 뛰어난 세균들이 있음을 보여주는 연구 결과들이 보고되었다. 일본의 Kenya Honda 그룹은 포자를 형성하는 그람양성 세균들을 무균마우스에 정착시켰을 때 장에서 pTreg의 분화가 촉진됨을 발견하였으며, 특히 Clostridium cluster IV와 XIVa에 속하는 다양한 Clostridium 종들이 컨소시움을 형성하며 동시에 장에 정착하였을 때 가장 효과적으로 pTreg이 분화되는 현상을 보고하였다 [3]. 이와 같이 분화된 pTreg은 장에서의 염증을 효과적으로 억제할 수 있음이 증명되었다. Clostridium genus에 속하는 다양한 세균들이 식이섬유를 발효시켜 만들어내는 산물인 acetate, propionate, butyrate 등의 단사슬지방산(short chain fatty acid, SCFA)은 CD4⁺ T세포에서의 Fopx3의 발현을 촉진함으로써 pTreg의 분화를 유도한다 [4]. SCFA는 G protein-coupled receptor GPR43이나 GPR109a 등을 통해서 T세포와 DC의 유전자 발현을 조절할 수 있다. 특히 butyrate는 히스톤 H3 acetylation을 증가시켜 Treg 분화의 핵심인자인 Foxp3 유전자의 발현을 증가시킴과 동시에 Fopx3 단백질의 acetylation을 증가시켜 안정성을 증가시킨다.

마이크로바이옴과 RORgt⁺ Treg

  RORgt (retinoic acid receptor-related orphan receptor gt)는 Th17 세포와 ILC3의 분화에 있어서 필수적인 전사조절인자이다. Innate lymphoid cell의 한 종류인 ILC3는 fetal lymphoid tissue inducer(LTi) 세포와 natural killer marker NKp46(마우스) 또는 NKp44(인간)을 발현하는 세포 등을 포괄한다. ILC3는 선천면역세포의 일부로서 개체의 발생 단계에서부터 만들어져 림프 조직의 형성을 조절하는 역할을 한다. 반면 Th17 세포는 적응면역계의 일부로서 주로 소장에서 많이 발견되며 병원균의 점막 침입을 차단하는 역할을 한다. Th17이 분비하는 사이토카인인 IL-17은 감염부위에 neutrophil을 불러들여 이들에 의한 병원균의 제거가 일어나도록 하며, IL-22는 상피세포 장벽을 강화하고 항균물질의 분비를 촉진한다. 하지만 Th17 외에도 RORgt를 발현하는 CD4⁺ T세포가 있음이 발견되었으며 이들 세포들은 RORgt 외에도 Treg을 분화시키는 Foxp3를 발현하고 있음이 관찰되었다 [8]. Th17 세포는 병원균에 대한 염증 반응의 유도를 일으키고 Treg은 이를 억제하는 역할을 하기 때문에 이와 같이 상반된 기능을 하는 두 종류의 세포와 연관된 전사조절인자가 한 세포에서 동시에 발현될 수 있다는 사실은 RORgt⁺ Treg이 독립된 정체성을 가진 면역세포인지에 대한 논란을 불러일으키기도 하였다. 그러나 RORgt⁺ Treg은 마우스의 대장에 분포한 Treg 중에서 다수를 차지하고 있으며 CD4⁺ T세포의 활성화를 강하게 억제할 수 있음이 증명되었다. 또한 tTreg을 포함한 RORgt^- Treg과 비교할 때 IL-10, CTLA-4, ICOS 등과 같이 Treg의 핵심 기능과 연관된 단백질들을 보다 높게 발현하고 있으며, Helios나 Nrp1은 발현하지 않는 것으로 보아 장에서 분화된 pTreg임을 알 수 있었다. RORgt⁺ Treg을 분리하여 Rag2 knockout 마우스에 adoptive transfer하였을 때 70~80%의 세포들이 Foxp3 발현을 유지하며 대부분 RORgt를 여전히 발현하고 있음을 확인하였다. 흥미롭게도 RORgt^- Treg을 adoptive transfer하였을 때에는 대장에서 이들 세포에서의 RORgt 발현이 증가하였다. 따라서 RORgt⁺ Treg과 Th17에서의 RORgt의 발현은 미생물과 밀접 접촉을 유지하는 장 환경과 연관되어있음을 추정할 수 있었으며, Foxp3의 발현 여부에 따라 전혀 상반된 기능을 가지는 세포로 분화하게 됨을 알 수 있다. 실제로 만성적인 염증 환경에서는 RORgt⁺ Treg이 Th17과 같이 IL-17을 분비하는 세포로 변환됨이 관찰되었으며, 이러한 환경에서는 Treg으로서 기능은 약화되고 오히려 Th17과 더 유사한 방향으로 유전자 발현이 조절됨이 알려졌다.
Th17의 분화를 위해서는 Stat3에 의해 매개되는 IL-6 및 IL-23 신호전달경로가 활성화되어야 한다. IL-6나 IL-23가 결핍된 마우스나 Stat3가 제거된 마우스에서 RORgt⁺ Treg의 생성이 감소하며 RORgt⁺ Treg에서의 IL-23 수용체 발현이 RORgt^- Treg에 비해 더 높다. 따라서 같은 전사인자 RORgt를 공유하는 두 종류의 세포들은 동일한 사이토카인 신호전달체계를 수반한 분화 과정을 거친다는 것을 알 수 있다. 그러나 비타민A로부터 유래한 retinoic acid에 의해 Th17이 아닌 RORgt⁺ Treg으로의 분화가 결정된다(그림1). Retinoic acid는 DC, 장 상피세포 등에서 만들어져서 pTreg의 분화를 유도하는 동시에 Th17의 분화를 억제하기 때문에 Th17과 Treg 간의 균형을 결정짓는 중요 인자라 할 수 있다. 비타민A가 없는 사료나 retinoic acid 수용체의 억제제를 처리하였을 때 RORgt⁺ Treg의 발달이 저해되는 동시에 Th17이 증가함이 보고되었다 [8].

  무균마우스나 항생제를 장기 처리한 마우스의 대장에서는 RORgt⁺ Treg이 거의 존재하지 않는 것으로 보아 이들 세포의 분화는 장내 마이크로바이옴에 의해 촉진됨을 알 수 있으며, 이전 연구들에서 알려졌던 장내 pTreg 세포들, 특히 세균에 의해 분화된다고 알려졌던 세포들이 RORgt⁺ Treg으로 분류될 수 있음이 확인되었다. RORgt⁺ Treg이 분화되기 위해서는 세균 항원을 전달해줄 수 있는 DC의 역할이 필수적이며, 이들 항원을 인지할 수 있는 TCR을 가지고 있는 세포들이 RORgt⁺ Treg으로 분화될 수 있는 가능성을 가진다. 또한 RORgt⁺ Treg의 TCR 레퍼토리는 RORgt^-Treg 또는 Th17의 TCR 레퍼토리와 구분된다. 앞서 언급되었듯이 RORgt는 마이크로바이옴에 의해 장에서 분화된 pTreg의 마커라고 할 수 있으며, Th17을 분화시키는 것으로 알려진 SFB(segmented filamentous bacteria) 뿐만이 아니라 Clostridium, Lactobacillus, Bacteroides, Staphylococcus, Bifidobacterium genus에 속하는 다양한 세균들이 RORgt⁺ Treg을 분화시킬 수 있다. 다만 세균의 종류에 따라 RORgt⁺ Treg을 분화시킬 수 있는 능력에는 차이가 있는 것이 관찰되었다. 일반적인 pTreg과 마찬가지로 SCFA가 RORgt⁺ Treg의 분화를 촉진할 수 있으나, 각 세균의 생리와 특성에 따른 분화 기작의 차이는 앞으로 지속적으로 연구해야 할 과제로 남아있다.

RORgt⁺ Treg에 의한 장 면역항상성의 유지

  분화 경로와 TCR 레퍼토리의 차이로 인해 tTreg과 pTreg은 기능에 있어서도 차이가 있을 가능성이 제기되어 왔다. pTreg이 없이 tTreg만을 가지고 있는 마우스의 경우 장과 폐와 같은 점막 기관에서 Th2의 증가로 인한 염증이 증가하는 것으로 보아 tTreg만으로는 면역항상성을 유지할 수 없음이 밝혀졌다. 게다가 Foxp3에 결함이 있는 마우스에 tTreg을 이식하는 것만으로는 염증을 조절할 수 없으며 naive Foxp3^- T 세포를 같이 이식하여 이들이 pTreg으로 분화해야 experimental colitis를 치료할 수 있었다. 이러한 결과들은 pTreg은 tTreg과는 구별되는 고유의 기능을 가지고 있음을 보여준다. RORgt⁺ Treg이 결핍된 마우스에서는 정상 상태의 장에서도 Th2가 증가해 있으며, 장에 oxazolone을 처리하여 대장염을 유발하였을 때 정상 마우스에 비해 RORgt⁺ Treg이 결핍된 마우스에서 증상이 더 강하게 나타나며 생존률도 낮아지고 IL-4와 IL-5와 같은 Th2 사이토카인의 생성도 증가한다. 한편 기생충을 장에 감염시켰을 때에는 RORgt⁺ Treg이 결핍된 마우스에서 더 강하게 Th2 면역반응이 일어나면서 기생충을 보다 빨리 제거할 수 있었다 [8]. 이와 같은 결과들은 RORgt⁺ Treg이 Th2 세포와 type 2 면역반응을 억제하는데 있어 중요한 역할을 하고 있음을 보여준다. 또한 pTreg이 결핍된 마우스의 점막 조직에서 Th2 증가로 인한 염증반응이 나타난다는 기존의 연구 결과와도 일치하였다[5]. 이후 RORgt⁺ Treg이 음식 알러지의 발생을 억제하는데 있어서도 중요한 역할을 하고 있음이 밝혀졌다 [1].
   RORgt⁺ Treg에서는 RORgt^- Treg에 비해 CTLA-4의 발현량이 높다. CTLA-4는 T세포의 반응을 조절하는 인자로 알려져 있으며, CTLA-4가 발현되지 않는 마우스에서는 비장과 림프절에서 IL-4나 IFN-g를 생성하는 T세포가 증가하고, 정상마우스에 비해 혈청 IgE의 농도가 높아진다 [10]. Treg의 CTLA-4는 DC 표면의 CD80와 CD86 발현을 억제함으로써 T세포의 활성화 기능을 조절한다. RORgt⁺ Treg이 결핍된 마우스에서 DC 표면의 CD80와 CD86 발현이 증가하며, CTLA-4가 발현되지 않는 Treg을 가진 마우스에서는 장에서 Th2가 증가하는 반면 Th1이나 Th17은 변화를 보이지 않았다 [8]. 따라서 RORgt⁺ Treg은 CTLA-4를 통해 DC의 CD80과 CD86을 억제함으로써 T세포 활성화 기능을 감소시키고 결과적으로 Th2에 의한 면역반응을 조절할 수 있게 된다 (그림 2). 하지만 Th2에 대한 선택적인 조절이 이루어지는 원인에 대해서는 보다 심도 깊은 연구가 필요한 것으로 보인다. 실제로 RORgt⁺ Treg이 IFN-g나 IL-17을 발현하는 T세포를 조절하는 연구 결과도 보고되었다 [9]. 이와 같은 상반된 관찰들은 각 연구 그룹에서 사용한 마우스 콜로니 간의 마이크로바이옴 조성 및 기능의 차이에서 기인하는 것으로 추정할 수 있으며, Th1이나 Th17 반응을 강하게 유도하는 세균이나 바이러스를 가진 마우스에서는 RORgt⁺ Treg의 부재가 Th1/Th17의 과분화로 이어질 가능성을 배제할 수 없다. 상황에 따른 RORgt⁺ Treg의 역할 변화에 대해서는 추가적인 연구가 필요할 것으로 여겨진다.

  한편 마우스 이유기에 모유에서 고체 사료 섭취로 전환되는 과정에서 마이크로바이옴에 변화가 일어나는 동시에 면역 세포의 발달에도 변화가 나타나는 현상이 알려졌다 [2]. 이 과정에서 Clostridiales와 Bacteroidales에 속하는 종들의 팽창이 이루어지는 동시에 IFN-g 또는 TNF-a를 발현하는 장내 T세포들이 일시적으로 증가한다. 이와 같은 마이크로바이옴의 변화는 RORgt⁺ Treg의 분화를 수반하는 것으로 여겨진다. 이유기 전 무균마우스에 미생물을 정착시키면 이와 같은 이유반응(weaning reaction)이 일어나지만, 이유기 이후에 미생물을 정착시키면 이유반응에서 나타나는 IFN-g와 TNF-a의 증가가 나타나지 않는다. 따라서 마이크로바이옴에 의해 면역계가 조절되는 특정 시기가 존재함을 알 수 있다. 이유기 이후에 면역 관용이 형성되는데 실패하면 성체가 되었을 때 대장염이나 알러지에 대한 민감성이 증가하게 되며, 이는 RORgt⁺ Treg의 정상적인 분화가 이루어지지 않았기 때문으로 생각된다. 즉 RORgt⁺ Treg이 생애 초기의 장에서 정상적으로 분화하여야 성체가 되었을 때에도 미생물과 음식물에 대한 면역 관용이 유지된다고 할 수 있다. 음식 알러지를 가지고 있는 유아들의 분변 세균 조성을 분석해본 결과 생애 첫해부터 디스비오시스(dysbiosis), 즉 마이크로바이옴의 불균형 상태를 보이며, 음식 알러지 마우스 모델에서 RORgt⁺ Treg의 분화를 유도하는 세균들을 처리함으로써 알러지 반응을 억제할 수 있음이 보고되었다 [1].

결론

  RORgt⁺ Treg에 의한 염증 조절은 숙주와 마이크로바이옴 간의 호혜적인 공생관계의 좋은 예라고 할 수 있다. 숙주는 장내미생물에게 서식지와 영양분을 제공하고 미생물은 Treg의 분화를 통해 숙주의 면역 항상성을 유지함으로써 염증으로 인한 만성 질환의 발생을 억제하는 동시에 스스로의 장내 정착을 촉진하게 된다. 이와 같은 균형 관계가 무너졌을 때 발생할 수 있는 다양한 질병들에 대해 이해하고 공생관계를 회복함으로써 산업화 사회에서 증가하고 있는 다양한 만성질환들을 극복하기 위한 노력이 계속되고 있다.

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