1993년 – Howard Young: CD28은 NF-κB/Rel을 IL-2 유전자에 직접 연결한 분자였다

CD28 신호는 정확히 어디에 작동하는가

1980년대 후반, CD28이 T세포 활성화에 필수적인 보조자극 분자라는 사실은 확립되어 있었습니다. June와 Ledbetter 연구는 CD28이 IL-2 mRNA를 안정화시킨다는 가능성을 제시했고, Weiss 연구는 CD28 자극이 IL-2 enhancer 활성을 크게 증가시킨다는 사실을 밝혔습니다.

그러나 여전히 핵심 질문이 남아 있었습니다.

CD28 신호는 IL-2 유전자의 어느 DNA 부위를 직접 조절하는가?
그리고 그 부위에 결합하는 전사인자는 누구인가?

IL-2 유전자는 AP-1, NF-AT, NF-κB 등 여러 전사인자가 복합적으로 작동하는 매우 복잡한 구조를 가지고 있습니다. 하지만 CD28 자극에 특이적으로 반응하는 독립적 조절 부위는 아직 분자 수준에서 규명되지 않았습니다.

이 문제를 해결한 연구가 1993년 NIH의 Howard A. Young 연구진에 의해 발표되었습니다.

IL-2 프로모터 안에서 CD28 반응 요소를 찾다

Young 연구진은 IL-2 프로모터 및 enhancer 영역을 포함한 리포터 플라스미드를 제작하여, 항-CD3 단독 자극과 항-CD3 + 항-CD28 동시 자극 조건에서 전사 활성을 비교했습니다.

그 결과, 특정 DNA 부위를 삭제하거나 돌연변이를 도입하면 CD28에 의한 전사 증폭 효과가 사라지는 영역이 확인되었습니다.

이 부위가 바로 CD28 Response Element (CD28RE) 입니다.

즉, IL-2 유전자 안에는 CD28 신호에 특이적으로 반응하는 독립적인 조절 요소가 존재한다는 사실이 처음으로 실험적으로 입증되었습니다.

CD28RE에 결합하는 전사인자는 누구인가

다음 단계는 CD28RE에 결합하는 전사인자를 규명하는 것이었습니다.

Young 연구진은 EMSA(전기이동천이 분석. 단백질과 DNA의 결합을 확인하는 실험 기법)를 이용해 CD28RE에 결합하는 핵 단백질 복합체를 분석했습니다. 항-CD3 단독 자극과 항-CD3 + CD28 자극 조건을 비교한 결과, CD28 신호가 있을 때만 형성되는 특이적 DNA–단백질 복합체가 관찰되었습니다.

이어 supershift 분석을 통해 결합 전사인자의 정체를 확인했습니다.

• anti-p65(RelA) 항체 → band supershift

• anti-c-Rel 항체 → band supershift

• anti-p50 항체 → 영향 미미

즉, CD28RE에 결합하는 핵심 전사인자는 NF-κB 패밀리 중 RelA(p65)와 c-Rel 이라는 사실이 명확히 밝혀졌습니다.

이것은 CD28 신호가 NF-κB/Rel 축을 통해 IL-2 유전자를 직접 조절한다는 최초의 직접 증거였습니다.

CD28은 TCR과 협동할 때만 작동한다

중요한 점은 CD28 단독 자극으로는 CD28RE 활성화가 일어나지 않았다는 것입니다. 반드시 항-CD3(TCR 신호)가 함께 존재해야 했습니다.

이는 CD28이 독립적 신호가 아니라 TCR 신호와 결합하여 전사를 증폭시키는 보조자극이라는 개념을 분자 수준에서 다시 한 번 확정한 결과였습니다.

TCR은 NF-AT, AP-1 경로를 활성화하고,
CD28은 RelA/c-Rel 경로를 강화하며,
이 전사인자들이 협동적으로 작동할 때 IL-2 전사가 폭발적으로 증가합니다.

이 과정에서 CD28은 세포 내부의 PI3K/Akt 경로를 가동하며, NF-κB 유도 키나아제(NIK) 등을 통해 RelA와 c-Rel이 핵 안으로 들어가 유전자를 직접 조절할 수 있도록 돕습니다.

CD28–NF-κB–IL-2 축의 확립

이 연구의 가장 중요한 의의는 CD28 신호를 하나의 구체적인 분자 경로로 연결했다는 점입니다.

CD28 → RelA/c-Rel 활성화 → CD28RE 결합 → IL-2 전사 증가

이 축은 이후 IL-2 enhancesome 모델의 핵심 기반이 되었고, c-Rel 결손 마우스에서 IL-2 생산이 현저히 감소한다는 후속 연구로 이어졌습니다.

CD28은 더 이상 추상적인 “보조자극”이 아니라, 특정 전사인자를 통해 특정 DNA 요소를 직접 조절하는 분자로 자리 잡았습니다.

왜 이 발견이 중요한가

CD28RE의 규명은 세 가지 면에서 결정적이었습니다.

첫째, CD28 신호가 NF-κB/Rel 계열과 직접 연결된다는 최초의 분자적 증거였습니다.
둘째, TCR–CD28 협동 모델을 유전자 수준에서 확정지었습니다.
셋째, 이후 CTLA-4, B7, PD-1 축 연구가 확장되는 분자적 토대를 제공했습니다.

오늘날 CAR-T 세포에서 CD28 co-stimulatory domain이 강력한 IL-2 생산을 유도하는 이유 역시, 바로 이 전사 증폭 경로에 근거합니다.

일반인을 위한 한 문장 요약

1993년 Howard Young은 IL-2 유전자 안에 숨어 있던 작은 스위치를 찾아냈습니다. 그 스위치(CD28RE)에 RelA와 c-Rel이라는 전사인자가 달라붙을 때만, IL-2는 폭발적으로 증가했습니다. CD28은 그 전사인자들을 불러오는 신호였던 것입니다.

참고 문헌 (확인된 1차 논문)

Hariharan N, Kelley M, Perry M, Davis M, Young HA.
Characterization of a CD28-responsive element in the interleukin-2 promoter.
J Biol Chem. 1993;268(29):21951–21959.

Fraser JD, Irving BA, Crabtree GR, Weiss A.
Regulation of interleukin-2 gene enhancer activity by the T-cell accessory molecule CD28.
Science. 1991;251(4991):313–316.

June CH, Ledbetter JA, Thompson CB.
Role of the CD28 receptor in T-cell activation.
Immunol Today. 1990;11(6):211–216.

참고 사항

NF-κB란 무엇인가?

NF-κB(Nuclear Factor kappa-light-chain-enhancer of activated B cells)는 면역세포에서 염증 반응과 생존 신호를 조절하는 대표적인 전사인자(transcription factor)입니다.

원래는 B세포에서 면역글로불린 κ(light chain) 유전자를 활성화하는 인자로 처음 발견되었지만, 이후 거의 모든 면역세포에서 작동하는 핵심 염증 신호 조절자로 밝혀졌습니다.

NF-κB는 다음과 같은 유전자들의 전사를 유도합니다:

• IL-2

• TNF-α

• IFN-γ

• IL-6

• GM-CSF

• 항아폽토시스 유전자(Bcl-xL 등)

즉, **면역 반응을 시작하고 유지하는 ‘점화 장치’**에 해당하는 전사인자입니다.

🔁 NF-κB는 하나의 단백질이 아니다

NF-κB는 단일 단백질이 아니라 패밀리(family) 입니다. 주요 구성원은 다음과 같습니다:

• RelA (p65)

• c-Rel

• p50 (NF-κB1)

• p52 (NF-κB2)

• RelB

이 단백질들은 서로 **이합체(dimer)**를 형성하여 DNA에 결합합니다. 특히 T세포에서는 RelA와 c-Rel이 IL-2 전사에 가장 중요합니다.

평소에는 왜 작동하지 않는가?

NF-κB는 평상시 세포질(cytoplasm)에 존재하며, IκB라는 억제 단백질에 묶여 핵으로 들어가지 못합니다.

TCR 또는 CD28 신호가 들어오면:

1. IκB가 인산화되어 분해되고

2. NF-κB가 자유로워지며

3. 핵으로 이동하여 DNA에 결합하고

4. IL-2 같은 유전자의 전사를 유도합니다.

이 과정이 바로 NF-κB 활성화 경로입니다.

RelA(p65)와 c-Rel은 왜 중요한가?

T세포에서 특히 중요한 NF-κB 구성원이 바로 RelA와 c-Rel입니다.

▪ RelA (p65)

• 대부분의 세포에서 광범위하게 발현

• 염증성 유전자 발현에 관여

• 빠른 초기 반응 담당

▪ c-Rel

• 주로 림프구에서 발현

• IL-2 전사에 필수적

• c-Rel 결손 마우스는 IL-2 생산이 거의 불가능

Howard Young의 1993년 연구는 바로 이 두 전사인자가 CD28 신호에 의해 선택적으로 활성화되어 IL-2 유전자 내 CD28RE에 결합한다는 사실을 보여주었습니다.

즉, CD28 → RelA/c-Rel 활성화 → IL-2 enhancer 결합 → IL-2 전사 증폭이라는 분자 경로가 완성된 것입니다.