1990년 - Class switch recombination: 항체의 Fc 기능은 DNA excision으로 바뀐다

Circular DNA Is Excised by Immunoglobulin Class Switch Recombination

T. Iwasato, A. Shimizu, T. Honjo, H. Yamagishi · Cell · 1990

자극된 B세포에서 switch region을 포함한 extrachromosomal circular DNA를 검출해, class switch recombination이 염색체 DNA의 looping-out과 절단으로 일어난다는 직접적 증거를 제시한 논문입니다.

같은 특이성, 다른 효과 기능

도네가와의 유전자 재배열 연구는 항체의 variable region이 어떻게 다양해지는지를 설명했습니다. 그러나 B세포에는 또 하나의 중요한 능력이 있습니다. 항원 특이성은 유지하면서, 항체의 class를 IgM에서 IgG, IgA, IgE 등으로 바꿀 수 있습니다.

이 현상이 바로 class switch recombination입니다. 항원 결합 부위는 유지되지만, heavy chain constant region이 바뀌면서 Fc 기능이 달라집니다. 같은 항원을 인식하더라도 IgM으로 있을 때와 IgG, IgA, IgE로 있을 때 몸 안에서 하는 일이 달라지는 이유입니다.

class switch recombination(항체 class 전환 재조합)

B세포가 이미 만든 variable region은 유지하면서 heavy chain constant region을 다른 class로 바꾸는 DNA 재조합 과정입니다. 이 과정을 통해 같은 항원 특이성을 가진 항체가 IgM, IgG, IgA, IgE 같은 다른 효과 기능을 갖게 됩니다.

Ig heavy chain locus에서 constant region 유전자는 일정한 순서로 배열되어 있습니다. 생쥐에서는 JH 뒤에 Cμ, Cδ, Cγ3, Cγ1, Cγ2b, Cγ2a, Cε, Cα가 이어집니다. 각 constant gene 앞쪽에는 switch region이 있고, class switch는 Sμ와 선택된 downstream S region 사이에서 일어납니다. 예를 들어 IgG1 전환에서는 Sμ와 Sγ1이 재조합됩니다.

사라진 DNA를 찾다

class switch가 일어나려면 Ig heavy chain locus에서 중간에 놓인 DNA가 제거되어야 합니다. 오래전부터 Honjo와 다른 연구자들은 이 현상이 looping-out deletion으로 일어날 수 있다고 생각했습니다. Sμ와 downstream S region이 가까워지도록 염색체 DNA가 고리를 만들고, 재조합 뒤 중간 DNA가 잘려 나간다는 모델입니다. 문제는 실제로 그런 DNA excision이 일어나는지를 어떻게 보여 줄 것인가였습니다.

Honjo 연구진은 LPS와 IL-4로 자극한 생쥐 비장세포를 사용했습니다. 이 조건은 IgG1 class switching을 강하게 유도합니다. 논문에서는 유도 전 IgG 양성 세포가 3% 미만이었지만, 유도 뒤에는 70% 이상으로 증가했다고 설명합니다. 연구진은 이 세포들에서 선형 DNA를 제거한 뒤 extrachromosomal circular DNA를 정제하고, 그 DNA를 BamHI로 자른 다음 phage vector에 클로닝했습니다.

그 다음 Cμ probe와 Sγ1 probe로 library를 걸렀습니다. LPS+IL-4 자극 세포에서 만든 140만 개 phage clone 가운데 Cμ 양성 clone 63개를 얻었고, 그중 52개가 Cμ와 Sγ1에 모두 hybridization했습니다. μ에서 γ1으로 switch될 때 잘려 나가는 circle 안에는 Cμ 주변 서열과 Sγ1 주변 서열이 함께 들어 있어야 하므로, 이 결과는 이미 loop-out 모델과 잘 맞았습니다.

switch circle(class switch circle)

Class switch recombination에서 염색체 밖으로 잘려 나간 원형 DNA입니다. 염색체에 남은 쪽은 새로운 heavy chain constant region을 사용하고, circle 쪽은 삭제된 중간 DNA와 reciprocal switch junction을 담습니다.

접합부가 보여 준 것

가장 중요한 증거는 염기서열이었습니다. 연구진은 여러 circular DNA clone의 S region 접합부를 읽었습니다. 그 결과 circle 안에서 Sγ1 서열의 끝부분이 Sμ 서열의 시작부분과 직접 이어져 있었습니다. 방향도 5' to 3'로 일관되었습니다. 이것은 염색체에서 Sμ와 Sγ1이 재조합되어 중간 DNA가 빠져나갈 때 생기는 reciprocal product의 형태와 맞습니다.

또 하나 중요한 점은 접합부의 상동성이 거의 없었다는 것입니다. 원문은 Sμ-Sγ1 접합부에서 두 germline S sequence 사이의 공통 염기가 많아야 2개였다고 정리합니다. 따라서 이 재조합은 긴 상동서열을 맞춰 교환하는 전형적 homologous recombination으로 설명하기 어렵습니다. switch region의 반복서열과 그 서열을 인식하는 단백질들이 별도의 재조합 반응을 일으킨다는 방향의 해석이 필요했습니다.

Fc 기능을 바꾸는 유전자 편집

이 결과의 의미는 큽니다. 항체 class 전환은 단순한 RNA splicing이나 발현 조절이 아니라, B세포 유전체에서 실제 DNA가 잘려 나가는 사건입니다. 한 번 class switch가 일어나면 그 세포와 후손 세포는 바뀐 constant region을 사용하게 됩니다.

이렇게 보면 class switch recombination은 항체 반응의 두 번째 유전학입니다. V(D)J recombination이 "무엇을 인식할 것인가"를 만들고, class switch recombination은 "그 인식으로 어떤 효과 기능을 낼 것인가"를 정합니다.

다만 저자들은 해석을 지나치게 단정하지는 않았습니다. circular DNA가 선형 중간체의 나중 circularization으로 생겼을 가능성이나 sister chromatid 사이의 trans reaction 가능성을 완전히 배제하지는 않았습니다. 그럼에도 선형 DNA가 거의 없는 circular DNA preparation에서 Sγ1-Sμ 접합부가 반복적으로 검출된 것은, class switch가 deletional looping-out으로 일어난다는 직접 증거로 받아들여졌습니다.

AID 발견으로 이어지다

1990년 논문은 class switch의 형태를 보여 주었습니다. 하지만 어떤 효소가 이 반응을 시작하는지는 아직 남은 질문이었습니다. 2000년 Muramatsu와 Honjo 연구진이 AID를 발견하면서, class switch recombination과 somatic hypermutation이 같은 핵심 효소에 의존한다는 그림이 세워집니다.

따라서 이 글은 도네가와의 V(D)J 재배열과 AID 발견 사이에 놓이는 다리로 읽으면 좋습니다. 항체 유전자는 처음 한 번만 재배열되는 것이 아니라, B세포 반응의 여러 단계에서 다시 편집됩니다.

한 줄 정리

Honjo 연구진의 1990년 논문은 class switch recombination이 항체 heavy chain locus에서 DNA가 실제로 잘려 나가는 사건임을 보여 주며, 항체 Fc 기능 변화의 분자적 실체를 제시했습니다.

Iwasato T, Shimizu A, Honjo T, Yamagishi H. Circular DNA Is Excised by Immunoglobulin Class Switch Recombination. Cell. 1990;62(1):143-149. https://doi.org/10.1016/0092-8674(90)90248-D