1965년 - Dreyer와 Bennett: 항체 유전자의 역설을 제기하다

항체가 만든 유전학의 난제

1960년대 중반 항체 연구자들은 이상한 문제에 부딪혔습니다. 항체는 두 개의 light chain과 두 개의 heavy chain으로 이루어진 약 150 kDa의 단백질이지만, 그 안에는 서로 다른 성격의 정보가 함께 들어 있었습니다. 한쪽은 항원마다 달라지는 variable portion이고, 다른 한쪽은 같은 계열 안에서 반복해서 보존되는 common sequence였습니다.

이 문제는 특히 Bence-Jones protein, 즉 myeloma 세포가 분비하는 항체 light chain 연구에서 선명해졌습니다. Dreyer와 Bennett은 생쥐 myeloma clone과 사람 Bence-Jones protein의 peptide mapping 결과를 근거로, light chain의 대략 절반은 같은 class 안에서 공통적이지만 나머지 절반은 각 단백질마다 다르다고 정리했습니다. 단백질 수준에서는 variable/common 구조가 보였지만, 당시의 유전학으로는 이 구조를 설명하기가 쉽지 않았습니다.

한 유전자가 하나의 폴리펩타이드를 만든다는 원칙을 엄격하게 적용하면, 항체 하나하나마다 variable과 common sequence가 모두 들어 있는 완성된 유전자가 따로 있어야 합니다. 그러나 그렇게 생각하면 유전체 안에 엄청난 수의 항체 유전자가 필요합니다. 반대로 common sequence가 하나의 유전자 자리에서 나온다면, 그것이 수많은 variable sequence와 어떻게 한 사슬로 이어지는지 설명해야 합니다.

왜 역설인가

Dreyer와 Bennett이 말한 역설은 단순히 "항체가 다양하다"는 말이 아니었습니다. light chain의 한쪽 끝은 마치 1,000개가 넘는 유전자 가운데 하나에서 만들어지는 것처럼 다양해 보입니다. 그런데 다른 쪽 끝은 하나의 유전자 산물처럼 행동합니다. 실제로 common portion은 allotype 변이, Mendelian segregation, 일정한 아미노산 서열이라는 성질을 보였기 때문에 단일 유전자 자리의 산물로 해석하기 쉬웠습니다.

그렇다면 하나의 폴리펩타이드 사슬 안에 "많은 유전자 중 하나처럼 행동하는 부분"과 "하나의 유전자처럼 행동하는 부분"이 붙어 있는 셈입니다. 이것이 논문 제목의 paradox입니다.

처음에는 이 light chain이 실제로는 두 개의 작은 사슬이 결합한 것일 가능성도 생각할 수 있었습니다. 그러면 각 사슬이 별도 유전자에서 만들어지고 나중에 disulfide bond나 ester bond 같은 결합으로 이어졌다고 설명할 수 있습니다. 하지만 저자들은 그런 비펩타이드 결합을 찾으려 한 여러 실험에서 근거를 얻지 못했다고 썼습니다. 결국 문제는 피할 수 없었습니다. 하나의 폴리펩타이드 안에서 variable과 common을 어떻게 연결할 것인가.

당시에는 매우 위험한 생각이었다

이 제안은 오늘날에는 자연스럽게 들리지만, 당시에는 상당히 도발적이었습니다. 체세포의 DNA는 기본적으로 안정적이고, 한 유전자는 하나의 단백질을 만든다는 생각이 강했기 때문입니다. 항체를 만들기 위해 면역세포에서 유전 물질이 조합될 수 있다는 생각은 당시 분자유전학의 보통 문법에서 벗어난 가설이었습니다.

Dreyer와 Bennett은 몇 가지 가능한 해법을 검토했습니다. 하나는 common gene 주변에서 극단적인 hypermutation이나 genetic scrambling이 일어난다는 생각입니다. 하지만 variable portion에도 어느 정도 구조적 homology가 있고, 특정 항원에 반응하는 능력이 유전될 수 있다는 관찰도 있었기 때문에, 완전히 무작위적인 scrambling만으로 설명하기는 어렵다고 보았습니다.

그래서 그들이 제안한 대안은 더 과감했습니다. variable portion을 암호화하는 유전 물질은 germ line 안에 많이 존재하고, 면역학적으로 competent한 세포가 분화하는 과정에서 그중 하나가 common gene locus와 결합한다는 모델입니다. 논문은 이를 박테리아의 lysogeny, 특히 lambda phage가 세균 염색체의 특정 위치에 삽입되는 현상에 비유했습니다. 그림 3에서는 variable portion을 암호화하는 많은 nucleic acid ring이 염색체 안팎에 있고, 그중 하나가 common gene 부분과 결합해 하나의 항체 light chain 유전 단위를 만드는 것처럼 그렸습니다.

도네가와가 답을 준 질문

Dreyer와 Bennett은 직접 유전자 재배열을 증명하지는 못했습니다. 그들의 논문은 실험적 결론이라기보다, 당시 단백질 서열 자료와 유전학 원칙 사이의 모순을 정리한 이론적 제안에 가까웠습니다. 특히 그들이 그린 "nucleic acid ring이 common gene에 삽입된다"는 구체적 그림은 오늘날의 항체 유전자 재배열 기전과 같지 않습니다.

하지만 1976년 Tonegawa의 실험이 배아 세포와 B세포의 항체 유전자 배열이 다르다는 것을 보여 주면서, 이 "paradox"는 실제 분자 기전의 단서였음이 드러납니다. 항체 유전자는 림프구 발생 과정에서 재배열되고, variable region과 constant region의 연결은 실제 DNA 수준의 사건이었습니다.

현대적으로 말하면 Dreyer와 Bennett의 직관은 절반은 맞고 절반은 빗나갔습니다. 항체 유전자는 실제로 조각으로 존재하고 B세포에서 재배열됩니다. 그러나 그 조각은 논문이 상상한 ring 형태의 유전 물질이 common gene에 lambda phage처럼 삽입되는 방식은 아닙니다. light chain에서는 V와 J 조각이, heavy chain에서는 V, D, J 조각이 RAG 효소에 의해 재배열되고, 이후 전사와 RNA splicing을 통해 constant region과 연결됩니다.

항체 역사 속 위치

Hilschmann과 Craig가 단백질 서열에서 variable/constant 구조를 보여 주었다면, Dreyer와 Bennett은 그 구조가 유전자 수준에서 얼마나 이상한 문제인지를 드러냈습니다. Edelman과 Porter의 항체 사슬 구조 연구, Bence-Jones protein의 서열 비교, myeloma clone 연구가 모여 만든 질문을 유전학의 언어로 바꾼 셈입니다. 그리고 Tonegawa는 그 문제가 실제 DNA 재배열로 풀린다는 것을 보였습니다.

따라서 이 논문은 항체 역사에서 "좋은 추측" 이상의 의미가 있습니다. 면역학이 생화학적 구조 연구에서 분자유전학으로 넘어갈 때, 어떤 질문을 해야 하는지를 먼저 보여 준 글입니다.

한 줄 정리

Dreyer와 Bennett의 1965년 논문은 항체 variable region과 constant region이 어떻게 하나의 사슬로 만들어지는가라는 역설을 제기하며, 항체 유전자 재배열 발견을 예고했습니다.

참고문헌

• Dreyer WJ, Bennett JC. The Molecular Basis of Antibody Formation: A Paradox. Proceedings of the National Academy of Sciences. 1965;54(3):864-869. https://doi.org/10.1073/pnas.54.3.864