2003년 - IL-28과 IL-29: IFN-λ 축이 드러나다

핵심 요약

이 논문은 지금의 type III interferon, 즉 IFN-λ 계열로 이어지는 IL-28A, IL-28B, IL-29를 인간 유전체에서 찾아낸 연구입니다. 저자들은 세 단백질이 type I IFN과 IL-10 family 사이에 놓인 class II cytokine receptor ligand처럼 보인다는 점을 sequence와 gene structure로 제시했습니다. IL-28A와 IL-29는 서로 81% amino acid identity를 보였고, IL-28A와 IL-28B는 96% identity를 보였습니다.

기능적으로도 이들은 인터페론다웠습니다. 사람 PBMC에서 IL-28과 IL-29 RNA는 poly(I)·poly(C) 처리나 EMCV 감염 뒤 증가했고, HepG2 세포에서는 EMCV로 인한 cytopathic effect를 막았습니다. 다만 같은 조건에서 IFN-α2a보다 potency는 낮았습니다. Half-maximal protection은 IL-29가 약 2 ng/ml, IL-28A가 약 30 ng/ml, IFN-α2a가 약 0.5 ng/ml였습니다.

수용체는 기존 IFNAR가 아니었습니다. Type I IFN receptor를 중화해도 IL-28/IL-29의 항바이러스 활성은 막히지 않았고, 저자들은 orphan class II receptor chain인 IL-28Rα를 찾았습니다. IL-28Rα를 과발현한 293 HEK 세포는 IL-28A에 훨씬 민감해졌고, IL-10Rβ neutralizing antibody는 IL-28A 의존 항바이러스 활성을 낮췄지만 IFN-α2a 반응에는 영향을 주지 않았습니다. 그래서 이 논문은 IL-28과 IL-29가 IL-28Rα와 IL-10Rβ로 구성된 heterodimeric class II cytokine receptor를 통해 작동한다고 결론 내렸습니다.

연구 배경 및 이 글에서 답하는 질문

2003년 이전의 항바이러스 인터페론 이해는 주로 type I IFN, 특히 IFN-α/β를 중심으로 정리되어 있었습니다. Type I IFN은 IFNAR1과 IFNAR2로 이루어진 수용체를 통해 Jak1/Tyk2, STAT1/STAT2, p48/IRF9로 이어지는 ISGF3 복합체를 만들고, ISRE를 가진 interferon-stimulated genes를 켜는 것으로 이해되었습니다.

한편 IL-10, IL-22 같은 IL-10-related cytokine들도 class II cytokine receptor를 사용하고, IL-10Rβ 같은 receptor subunit을 공유할 수 있다는 사실이 알려져 있었습니다. 즉 class II cytokine receptor ligand family 안에는 항바이러스 IFN 축과 염증 조절 IL-10 family 축이 함께 존재했습니다.

이 논문이 던진 질문은 두 가지였습니다. 첫째, 인간 유전체 안에 type I IFN과 IL-10 family 사이에 놓일 수 있는 새로운 helical cytokine이 더 있는가? 둘째, 그런 분자가 있다면 실제로 바이러스 감염으로 유도되고 항바이러스 활성을 내며, 어떤 receptor를 통해 신호를 보내는가?

새로운 cytokine의 발견

저자들은 인간 genomic sequence에서 signal peptide를 가진 예측 단백질을 추리고, helical cytokine으로 접힐 가능성이 있는 후보를 계산적으로 찾았습니다. 이 과정에서 IL-28A와 IL-29가 먼저 나왔고, 이후 같은 genomic contig에서 IL-28B가 확인되었습니다.

서열 유사성은 높지 않았습니다. IL-28/IL-29는 IL-10과 11-13%, IFN-α 및 IL-22와 15-19% 정도의 amino acid identity만 보였습니다. 그러나 cysteine pattern과 amphipathic helical cytokine profile이 맞았고, 구조적으로 class II cytokine receptor ligand 계열에 넣을 수 있는 단서가 있었습니다.

유전자 구조는 type I IFN보다 IL-10 family에 가까웠습니다. Type I IFN 유전자는 대체로 single exon으로 암호화되고 chromosome 9에 모여 있습니다. 반면 IL-28A와 IL-29는 chromosome 19q13.13 영역의 같은 contig에 있었고, IL-28A/IL-28B는 여섯 exon, IL-29는 다섯 exon을 가졌습니다. 따라서 이 분자들은 기능적으로는 IFN을 닮을 가능성이 있지만, 유전자 구조상으로는 IL-10 계열과 더 가까운 독특한 위치에 있었습니다.

바이러스 감염으로 유도되는가

저자들은 사람 peripheral blood mononuclear cells를 poly(I)·poly(C) 또는 EMCV로 자극하고 RT-PCR로 RNA를 보았습니다. Untreated cell에서는 IL-28, IL-29, IFN-α, IFN-β RNA가 낮거나 거의 검출되지 않았습니다. 반면 poly(I)·poly(C) 처리와 EMCV 감염 뒤에는 IL-28과 IL-29 RNA가 증가했고, 같은 조건에서 type I IFN RNA도 증가했습니다.

이 결과는 IL-28과 IL-29가 단순히 유전체상에 존재하는 예측 cytokine이 아니라, viral infection 또는 double-stranded RNA-like stimulus에 의해 유도되는 inducible cytokine임을 보여 주었습니다. 저자들은 여러 세포 type에서도 poly(I)·poly(C)에 의한 유사한 유도를 보았다고 언급했지만, 그 세부 데이터는 논문에 제시하지 않았습니다.

항바이러스 활성과 ISRE 신호

다음 검증은 기능이었습니다. 저자들은 HepG2 세포에 recombinant IL-28A, IL-29, IFN-α2a를 미리 처리한 뒤 EMCV를 감염시키고 dye-uptake assay로 세포 보호 효과를 측정했습니다. IL-28A와 IL-29는 IFN-α2a처럼 EMCV로 인한 cytopathic effect로부터 HepG2 세포를 보호했습니다.

potency는 서로 달랐습니다. IFN-α2a는 약 0.5 ng/ml에서 half-maximal protection을 보였고, IL-29는 약 2 ng/ml, IL-28A는 약 30 ng/ml에서 비슷한 효과를 냈습니다. 따라서 IL-28과 IL-29는 분명한 항바이러스 cytokine이지만, 이 실험 조건의 wild-type HepG2 세포에서는 IFN-α2a보다 낮은 specific activity를 보였습니다.

신호전달은 ISRE reporter로 확인했습니다. HepG2 세포에 ISRE-luciferase reporter를 넣고 cytokine을 처리하면 IL-28A와 IL-29가 ISRE activity를 증가시켰습니다. Half-maximal response는 IL-28A/IL-29가 1-4 ng/ml 범위였고, IFN-α2a는 0.05 ng/ml 정도였습니다. 이 결과는 IL-28과 IL-29가 type I IFN처럼 ISRE 기반 전사 프로그램의 일부를 켤 수 있음을 보여 줍니다.

IL-28Rα와 IL-10Rβ

논문의 핵심은 이 IFN-like activity가 기존 IFNAR를 통하지 않는다는 점입니다. IL-28과 IL-29가 만든 항바이러스 활성은 type I IFN receptor neutralizing antibody로 막히지 않았습니다. 그래서 저자들은 class II cytokine receptor 후보들을 대상으로 ligand binding을 찾았습니다.

COS cell에 여러 class II receptor 조합을 발현시키고 biotinylated IL-28A 또는 IL-29를 처리했을 때, IL-28Rα를 발현한 세포에서 ligand binding이 관찰되었습니다. IL-28Rα 자체는 human genomic sequence에서 class II cytokine receptor와 유사한 orphan receptor chain으로 찾아낸 분자였습니다. 이 유전자는 chromosome 1p36.11 영역에 있었고, 세 가지 splice form이 확인되었습니다. IL-28Rαv1과 v2는 extracellular cytokine-binding domain, transmembrane region, intracellular region을 가진 막 수용체 형태였고, v2는 intracellular domain에서 29 amino acid deletion을 가졌습니다. v3는 transmembrane과 intracellular region이 빠져 soluble form일 가능성이 있었습니다.

IL-28Rα는 기능적으로도 중요했습니다. 293 HEK 세포에 full-length IL-28Rαv1을 과발현하면 IL-28A에 대한 항바이러스 반응이 크게 민감해졌습니다. IL-28Rα 과발현 세포에서는 IL-28A 0.2 ng/ml에서 EMCV에 대한 half-maximal protection이 나타났지만, wild-type 293 HEK 세포에서는 비슷한 보호 효과를 얻으려면 약 1000 ng/ml의 IL-28A가 필요했습니다. IL-29에서도 유사한 결과가 관찰되었습니다.

두 번째 receptor subunit은 IL-10Rβ였습니다. BHK cell에서 IL-28Rα와 여러 class II receptor subunit을 함께 발현시켜 ISRE reporter 반응을 보았을 때, IL-10Rβ를 함께 넣으면 IL-28/IL-29 민감도가 IL-28Rα 단독보다 10배 이상 증가했습니다. 293 HEK 세포에서는 IL-10Rβ neutralizing antibody가 IL-28A 의존 항바이러스 활성을 뚜렷하게 줄였지만, IFN-α2a 의존 항바이러스 활성에는 영향을 주지 않았습니다. 이 결과들을 종합해 저자들은 IL-28/IL-29 receptor가 IL-28Rα와 IL-10Rβ로 구성된다고 보았습니다.

무엇을 조심해서 읽어야 하나

이 논문은 IL-28과 IL-29를 “type III interferon”이라는 이름으로 부르지는 않습니다. 당시 논문 제목과 본문은 IL-28, IL-29, IL-28R라는 IL nomenclature를 사용합니다. 오늘날 IL-29는 IFN-λ1, IL-28A는 IFN-λ2, IL-28B는 IFN-λ3로 불리며 type III IFN family로 정리됩니다. 따라서 현대적 해석으로는 IFN-λ 축의 발견 논문이지만, 논문 자체의 언어는 “new cytokine family”와 “alternative to type I IFNs”에 가깝습니다.

또한 이 논문은 IL-28/IL-29가 type I IFN을 완전히 대체한다고 말하지 않습니다. 저자들은 wild-type cell에서 IL-28/IL-29의 specific activity가 IFN-α2a보다 낮다고 보았고, 그 이유로 IL-28R density가 낮거나 ligand-receptor affinity가 낮을 가능성을 제시했습니다. 그리고 IL-28/IL-29에 주로 반응하는 자연 세포 type이 실제로 존재하는지는 아직 결정되지 않았다고 적었습니다.

그럼에도 중요한 차이는 receptor distribution입니다. IL-28Rα mRNA는 여러 조직에서 보였고, pancreas, thyroid, skeletal muscle, heart, prostate, testis에서 상대적으로 높았습니다. 저자들은 IL-28R의 expression level과 tissue distribution이 type I IFN receptor와 다르기 때문에, 향후 치료적으로 type I IFN과 다른 효과 또는 부작용 profile을 가질 수 있다고 제안했습니다. 이것은 가능성 제시이지, 이 논문에서 임상적으로 증명된 결론은 아닙니다.

왜 중요한가

이 논문은 인터페론 시스템을 type I IFN 하나의 항바이러스 축에서 다중 cytokine network로 확장시켰습니다. IL-28과 IL-29는 type I IFN처럼 바이러스 자극으로 유도되고, ISRE를 켜며, 항바이러스 상태를 만듭니다. 그러나 수용체는 IFNAR가 아니라 IL-28Rα와 IL-10Rβ입니다.

이 구조는 면역계의 중복성과 분업을 잘 보여 줍니다. 같은 ISRE/antiviral output에 도달하더라도, ligand와 receptor는 다를 수 있습니다. 따라서 “인터페론 반응”은 하나의 ligand-receptor pair가 아니라, 서로 다른 cytokine family가 일부 공통 전사 프로그램으로 수렴하는 시스템으로 이해해야 합니다.

이후 IFN-λ 연구는 특히 barrier tissue, epithelial antiviral immunity, hepatitis virus 감염, 호흡기 바이러스 방어에서 중요해졌습니다. 그 출발점은 바로 이 논문이 보여 준 기본 구조입니다. IL-28/IL-29는 IFNAR와 다른 receptor를 쓰지만, 결과적으로 IFN-like antiviral state를 만들 수 있다는 것입니다.

인터페론 개발사 / 면역과 연결하면

1957년 인터페론 발견은 바이러스 간섭이라는 현상을 설명했습니다. 1990년대의 IFNAR, ISGF3, JAK-STAT, IRF3 연구는 type I IFN이 어떻게 만들어지고, 어떻게 읽히며, 어떻게 항바이러스 유전자 프로그램을 켜는지를 정리했습니다. 2003년 Sheppard 논문은 여기에 또 하나의 축을 추가했습니다. 세포는 IFN-α/β만으로 항바이러스 상태를 만드는 것이 아니라, IL-28/IL-29라는 별도 cytokine family를 통해 비슷한 전사 프로그램을 켤 수 있습니다.

치료적 관점에서도 이 논문은 중요합니다. Type I IFN 치료는 강력하지만 피로, 발열, 식욕저하, 우울, 골수억제 같은 전신 부작용이 문제였습니다. Sheppard 등은 IL-28/IL-29와 IL-28R 축이 receptor 분포와 생물학적 활성 범위에서 type I IFN과 다를 수 있으므로, 향후 더 선택적인 항바이러스 치료 축이 될 가능성을 제시했습니다.

오늘날의 언어로 말하면, 이 논문은 IFN-λ가 “약한 IFN-α”가 아니라 다른 receptor geography를 가진 별도 인터페론 축이라는 생각의 출발점입니다. 같은 ISRE 프로그램을 켜더라도 어떤 세포가 어떤 receptor를 갖고 있느냐에 따라 반응의 위치와 강도가 달라질 수 있습니다.

한 줄 정리

2003년 Sheppard 등은 IL-28A, IL-28B, IL-29와 IL-28Rα/IL-10Rβ 수용체를 규명해, IFNAR와 구별되는 IFN-λ/type III interferon 항바이러스 축의 분자적 출발점을 제시했습니다.

참고문헌

• Sheppard P, Kindsvogel W, Xu W, Henderson K, Schlutsmeyer S, Whitmore TE, Kuestner R, Garrigues U, Birks C, Roraback J, et al. IL-28, IL-29 and their class II cytokine receptor IL-28R. Nature Immunology. 2003;4(1):63-68. doi:10.1038/ni873