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면역계의 세균 침입 식별법은?

여섯가지 방법으로 침입 세균 찾아내

신체의 보안검색팀은 공항의 검색대보다 더 철저하게 침입자를 가려낸다. 과학자들은 쥐의 면역계 단백질이 침투하는 박테리아가 있는지 수색하는 모습을 처음으로 관찰하는데 성공했다.

침입자 수색은 연구팀이 상상한 것보다 훨씬 광범위하게 이뤄졌다. 인간의 것과 유사한 쥐의 면역계 단백질은 올바른 식별을 하기 위해 여섯 가지 다른 방법으로 세균 단백질을 검사하는 것으로 밝혀졌다.

하워드 휴즈 의학연구소(HHMI) 연구원이자 미국 캘리포니아(버클리)대 구조생물학자인 에바 노갈레스(Eva Nogales) 교수는 “이것은 매우 놀라운 일”이라며, “면역계 단백질은 이전에 알려지지 않은 기능을 포함해 단백질의 많은 부분을 활용한다”고 말했다.

침입한 박테리아는 NAIP5 면역계 단백질(노랑)에 의해 검색되는 단백질 조각(빨강)을 남기고, NAIP5 단백질은 두 번째 면역 단백질(파랑)을 불러내 염증조절복합체(inflammasome) 구조를 형성한다. 동영상 Russell Vance Lab/UC Berkeley/Howard Hughes Medical Institute

침입한 박테리아는 NAIP5 면역계 단백질(노랑)에 의해 검색되는 단백질 조각(빨강)을 남기고, NAIP5 단백질은 두 번째 면역 단백질(파랑)을 불러내 염증조절복합체(inflammasome) 구조를 형성한다. 동영상    Russell Vance Lab/UC Berkeley/Howard Hughes Medical Institute

면역계의 병원균 인식 세부과정 밝혀

16일자 과학저널 ‘사이언스’(Science)에 발표된 이번 연구는 면역시스템이 세포로 들어오는 병원균을 인식하는데 사용하는 기본적인 세부 과정을 밝혀준다. 이와 함께 인체 병원균인 살모넬라와 슈도모나스, 레지오넬라와 같은 세균들이 인체 면역계를 뚫고 들어오는 것이 왜 어려운지를 설명해 준다.

연구진은 학제간 국제 협력을 통해 이 병원체 검출 시스템을 직접 목격할 수 있었다. 연구팀의 한 사람인 러셀 밴스(Russell Vance) HHMI 연구원 겸 캘리포니아(버클리)대 미생물학 및 면역학 교수는 식물과 동물이 세포 내부로 들어오는 병원균을 검출하는데 사용하는 NLR 수퍼패밀리 면역계 단백질을 연구해 왔다. 그는 이런 단백질 가운데 하나인 NAIP5 단백질이 질병 유발 세균인 레지오넬라 뉴모필라가 흘린 단백질 조각들을 검출해 내자 그 모습이 보고 싶었다.

전형적인 그람-양성 세균의 세포 구조 Credit : Wikimedia Commons / Ali Zifan

전형적인 그람-양성 세균의 세포 구조 Credit : Wikimedia Commons / Ali Zifan

저온전자현미경 이미지를 컴퓨터로 모델링

초기 유전학 연구에 따르면 NAIP5 단백질은 레지오넬라 균에 대한 저항성에서 중요한 역할을 하는 것으로 알려져 있다. 밴스 교수팀은 이를 더 자세히 살펴보기로 했다. 이에 따라 밴스 교수 연구실의 자네트 텐소리(Jeannette Tenthorey) 연구원은 첨단 이미징 기술인 저온전자현미경(cryo-EM)을 사용하는 노갈레스 교수 랩의 니콜 할루텍(Nicole Haloupek) 연구원과 팀을 이뤄 연구에 착수했다.

저온전자현미경을 이용해 단백질 용액을 섞어서 얼린 다음 이를 전자빔으로 폭발시키면 단백질을 때린 전자가 산란되고, 산란된 전자는 렌즈를 거쳐 탐지기로 전달된다. 연구원들은 이렇게 생성된 이미지로부터 상세한 삼차원 단백질 구조를 구성할 수 있다.

이전에 다른 과학자들도 NAIP5 단백질이 박테리아를 면밀히 조사하는 모습을 포착하려고 시도했었다. 그러나 이들이 확보한 이미지에는 단백질의 어느 부분이 박테리아와 접촉하는지에 대한 상세한 정보가 부족했다. 노갈레스와 밴스 박사팀은 이 문제를 극복하기 위해 마드리드 로카솔라노 물리화학연구소의 컴퓨터 모델링 전문가와 협력했다.

연구팀은 첨단 저온전자현미경을 사용해  NAIP5-NLRC4 인플라좀으로 불리는 다중 단백질 복합체의 구조를 밝혀냈다. 이 단백질 복합체는 침범한 박테리아 식별하는데 도움을 준다. 동영상 Nicole Haloupek/UC Berkeley/Howard Hughes Medical Institute

연구팀은 첨단 저온전자현미경을 사용해 NAIP5-NLRC4 인플라좀으로 불리는 다중 단백질 복합체의 구조를 밝혀냈다. 이 단백질 복합체는 침범한 박테리아 식별하는데 도움을 준다. 동영상 Nicole Haloupek/UC Berkeley/Howard Hughes Medical Institute

세균의 작은 변이로는 면역계 못 속여

노갈레스 교수는 “이 단백질들이 스스로 조립되는 모습은 정말 아름답고 환상적”이라고 말했다.

연구진은 NAIP5 단백질이 박테리아의 편모 부분을 상세히 조사한다는 사실을 발견했다. 이 편모는 많은 병원균들이 이동할 때 사용하는 꼬리 같이 생긴 부속기관이다. 밴스 교수는 “이는 매우 효과적인 면역반응으로서 병원균들이 왜 돌연변이를 일으켜 빠져나갈 수 없는지를 이해할 수 있게 한다”고 말했다.

그는 박테리아가 돌연변이 등으로 편모 단백질에 작은 변화를 준다고 해서 면역체계를 간단히 숨길 수는 없다고 설명했다. 그렇다고 탐지를 피하기 위해 큰 변이를 일으키면 이동에 지장을 받을 수 있다.

연구팀은 이 같은 생각을 시험하기 위해 레지오넬라 변이주를 만들어 면역계 단백질과 접촉시켰다. 역시 박테리아 편모 단백질의 작은 변이는 NAIP5를 속일 만큼 충분하지 못 했다. 그러나 좀더 강한 돌연변이는 편모에 방해가 돼 박테리아가 이리저리 움직이는데 문제가 생겼다.

‘위험’ 신호를 인식한 후 파이롭토시스의 신호 경로. Credit : Wikimedia Commons / Aiyaya at English Wikipedia

‘위험’ 신호를 인식한 후 파이롭토시스의 신호 경로. Credit : Wikimedia Commons / Aiyaya at English Wikipedia

박테리아가 세포 거주 시도하면 자가 파열

밴스 교수는 면역체계의 집중적인 검색은 적에 대항해 대포를 겨누기 전에 위협을 식별하는 사려깊은 일이라고 말했다. 면역계 단백질은 박테리아 단백질 토막을 낚아챈 후 제2의 단백질을 불러내 염증조절복합체(inflammasome)를 형성한다. 그런 다음 두 번째 단백질이 세포가 침범당했음을 경고하고, 이는 극적인 형태의 세포 사멸로 마무리된다.

밴스 교수는 “세포는 말 그래도 파열된다”고 말했다. 죽어가는 세포가 강한 염증성 반응을 나타내고 사멸하는 것을 파이롭토시스(pyroptosis)라고 한다. 이 드라마틱한 피날레는 박테리아가 세포 안에 거주를 시도할 때는 좋은 일이지만 너무 자주 일어나면 질병을 일으킬 수 있다. 그는 이러한 일련의 과정은 면역계가 철저하고 또 박테리아 편모에 고도로 특화돼 반응하는 것이 왜 중요한가를 설명해 준다고 말했다.

 

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