2016년 - 성체에서 CTLA-4를 없애면 정말 자가면역이 생길까: PNAS 2016 논문 정리

오늘의 질문: “성체에서 CTLA-4를 없애도 자가면역이 생기나요?”

CTLA-4(Cytotoxic T Lymphocyte Antigen-4)는 면역 반응에 브레이크를 거는 대표적인 면역관문(immune checkpoint) 분자입니다. 배아기부터 CTLA-4가 결손된 전신 노크아웃(knockout) 마우스가 생후 수 주 내 치명적인 전신 염증으로 사망한다는 사실은 오래전부터 잘 알려져 있었습니다.

그런데 임상에서는 전혀 다른 장면이 펼쳐집니다. 성체 암 환자에게 항-CTLA-4(anti-CTLA-4) 항체를 투여하면 종양은 줄어들 수 있지만, 동시에 자가면역성 부작용, 즉 면역관련 이상반응(immune-related adverse events)이 중요한 문제로 떠오릅니다. 바로 이 간극 때문에 다음과 같은 질문이 자연스럽게 생깁니다.

“그렇다면 실험실에서 성체 마우스의 CTLA-4를 유도적으로 제거하면, 사람에서처럼 자가면역이 재현될까?”

오늘 정리할 PNAS 2016 논문은 이 질문에 대해 비교적 직접적인 데이터를 제시합니다.

참고로, 제공해주신 원고에는 저자 이름이 “Catherine Clock”처럼 들리는 부분이 있었는데, 실제 논문의 제1저자는 Katrin Klocke입니다.

배경 정리: 2008 이후, 2015의 “엇갈린 결과”

이 논문을 이해하려면 두 가지 흐름이 먼저 머리에 들어와야 합니다. 하나는 2008년 Kaya Wing 연구팀이 조절 T 세포(regulatory T cell, Treg) 특이적으로 CTLA-4를 제거했을 때 치명적인 전신 염증이 나타날 수 있다는 강한 결과를 보여 주었다는 점입니다. 다만 이 경우에도 전신 knockout보다 진행은 다소 느렸습니다. 다른 하나는 2015년 Arlene Sharpe 연구진이 성체에서 CTLA-4를 제거해도 전신 자가면역이 뚜렷하지 않다는 결론을 제시했다는 사실입니다.

즉, “성체 CTLA-4 결손은 곧바로 자가면역으로 이어지는가?”라는 질문에 대해 이미 서로 다른 방향의 결과가 존재하고 있었습니다. 2016년 PNAS 논문은 바로 이 엇갈린 결과 한가운데에 놓인 연구입니다.

연구 설계: 성체에서 ‘유도성’ CTLA-4 결손을 만드는 방법

Klocke/Wing 연구팀은 성체가 될 때까지는 정상적으로 성장한 뒤, 특정 시점에 CTLA-4를 제거할 수 있는 유도성 노크아웃(inducible knockout) 전략을 사용합니다. 핵심은 CTLA-4 floxed(loxP로 둘러싼) 마우스에 Cre-ERT2 시스템을 결합하고, 여기에 타목시펜(tamoxifen)을 투여해 Cre-ERT2를 활성화함으로써 목표 유전자를 절단하는 구조입니다.

즉, “성체에서 타목시펜을 투여하는 순간 CTLA-4가 사라지도록” 설계한 셈입니다. 여기서 중요한 점은, 이 시스템이 Treg만 선택적으로 겨냥하는 구조가 아니라는 사실입니다. 오히려 Treg와, 항원 자극을 받으면 일반 T 세포(conventional T cell)까지 포함해 CTLA-4가 빠질 수 있는 구조에 더 가깝습니다. 저자들도 바로 이 점을 논의에서 한계로 인정합니다.

결과 1: 치명적이지는 않지만, 면역계는 확실히 ‘과열’됩니다

2016년 PNAS 논문의 결과를 한 문장으로 줄이면 이렇습니다. 성체에서 CTLA-4를 제거하면, 자발적인 림프구 증식과 항체 증가, 그리고 여러 장기의 염증성 병리가 나타납니다. 다만 발달기부터 CTLA-4가 결손된 경우처럼 짧은 시간 안에 치명적으로 폭발하지는 않습니다.

실제로 관찰된 대표 소견은 림프구 증식(lymphoproliferation), 림프절 비대(lymphadenopathy), 비장 비대(splenomegaly), 고감마글로불린혈증(hypergammaglobulinemia), 그리고 폐·위·췌장·침샘 등 여러 장기에서 나타나는 염증성 병리였습니다. 장기 특이적 자가항체도 동반되었고, CTLA-4 결손 이후 CD4⁺ FOXP3⁺ Treg의 선호적 확장도 함께 관찰됩니다.

결과 2: 장기 병리의 ‘질감’이 선천적 결손과 다릅니다

선천적 CTLA-4 결손은 짧은 시간 안에 폭발적인 전신성 염증이 몰아치며 생존을 위협하는 양상으로 잘 알려져 있습니다. 반면 성체 유도성 결손은 여러 장기에서 염증이 확인되더라도, 진행 속도와 치명도가 상대적으로 완만하고 조직마다 침윤 정도와 병리 양상이 다르게 나타날 수 있다는 점이 특징입니다.

이 차이는 단순히 “성체라서 덜 심하다”는 말로는 충분히 설명되지 않습니다. 발달기 면역계 전체가 CTLA-4 없이 형성되는 경우와, 이미 형성된 면역계에서 뒤늦게 CTLA-4를 제거하는 경우는 출발선 자체가 다르기 때문입니다.

가장 흥미로운 지점: 왜 2015 논문과 결과가 달랐을까?

이 논문에서 특히 흥미로운 부분은 왜 2015년 논문과 결과가 달랐는지를 설명하려는 시도입니다. 가능한 이유로는 마우스의 유전적 배경(mouse genetic background) 차이, Cre 시스템과 프로모터(promoter)의 차이로 인한 삭제 효율과 세포 범위의 차이, 그리고 분석 시점과 판정 기준의 차이, 즉 어떤 장기를 어떤 타이밍에 어떤 기준으로 자가면역으로 분류했는가 하는 문제가 거론됩니다.

결국 “성체에서 CTLA-4를 제거하면 자가면역이 생기느냐”라는 질문은 단순한 예/아니오로 정리되기 어렵고, 실험 설계의 세부 변수에 따라 충분히 다른 결론에 도달할 수 있다는 점이 드러납니다.

남는 질문: 핵심 표적은 Treg일까, 일반 T 세포일까?

또 하나의 중요한 한계이자 다음 단계 과제는, 성체에서 CTLA-4를 제거했을 때 관찰되는 병리가 주로 FOXP3⁺ 조절 T 세포(Treg)의 기능 상실 때문인지, 아니면 항원 자극을 받은 일반 T 세포의 브레이크 해제 때문인지 이 연구만으로는 분리하기 어렵다는 점입니다.

이 논문이 사용한 유도성 시스템은 “성체에서 CTLA-4를 지웠을 때 무슨 일이 벌어지는가”라는 질문에는 강하지만, “정확히 어느 T 세포 집단의 CTLA-4가 결정적인가”라는 질문에는 분명한 제한을 갖습니다.

정리: 2016 PNAS 논문이 주는 메시지

이 논문이 남긴 메시지는 비교적 분명합니다. CTLA-4는 발달기뿐 아니라 성체 면역계에서도 면역 과열을 막는 데 중요하고, 성체에서 CTLA-4를 제거해도 최소한 특정 조건에서는 자발적 자가면역성 병리가 나타날 수 있습니다. 다만 선천적 결손처럼 초고속으로 치명적 전신 염증으로만 흘러가지는 않으며, 병리의 속도와 강도, 장기 분포는 다르게 나타납니다.

또한 2015년 결과와의 불일치는 단순한 “누가 맞고 틀리냐”의 문제가 아니라, 유전적 배경과 Cre 시스템, 다시 말해 삭제 효율과 세포 특이성 같은 기술적·생물학적 변수까지 함께 읽어야만 이해할 수 있다는 점을 보여 줍니다.

참고문헌

• Klocke, Katrin, et al. “Induction of Autoimmune Disease by Deletion of CTLA-4 in Mice in Adulthood.” Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, vol. 113, no. 17, 2016, pp. E2383–E2392.

• Paterson, Amanda M., et al. “Deletion of CTLA-4 on Regulatory T Cells during Adulthood Leads to Resistance to Autoimmunity.” Journal of Experimental Medicine, vol. 212, no. 10, 2015, pp. 1603-1621.

• Walker, Lucy S. K. “CTLA-4 and Autoimmunity: New Twists in the Tale.” Immunity, 2015.