1993년 - JAK가 인터페론 신호를 핵 전사 반응으로 잇다

핵심 요약

이 논문은 인터페론 수용체 신호가 핵 안의 전사 반응으로 이어지는 데 Jak family tyrosine kinase가 관여한다는 생화학적 증거를 제시한 연구입니다. 저자들은 마우스 3T3 세포에서 IFN-α가 Jak1의 tyrosine phosphorylation과 kinase activity를 유도하고, IFN-γ가 Jak1과 Jak2를 모두 활성화한다는 점을 보였습니다. 특히 Jak2는 이 실험 조건에서 IFN-γ에 의해 활성화되었고, IFN-α에 의해서는 뚜렷하게 활성화되지 않았습니다.

또한 IFN 자극 뒤 p91의 tyrosine phosphorylation과 DNA 결합 활성화가 Jak 활성화와 시간적으로 연결된다는 점을 확인했습니다. p91은 오늘날 STAT1로 불리는 전사인자입니다. 저자들은 Jak1 또는 Jak2를 세포에 과발현하면 ligand가 없어도 p91 DNA 결합과 p91 의존 reporter transcription이 증가한다는 결과를 얻었고, Jak 과발현이 세포 안의 endogenous Jak kinase까지 활성화할 수 있다는 점도 관찰했습니다. 그래서 이 논문의 결론은 “인터페론 신호에는 특정 Jak kinase가 필요하며, Jak들 사이의 상호작용이 전사인자 활성화에 중요할 수 있다”는 것입니다.

연구 배경 및 이 글에서 답하는 질문

1990년대 초에는 IFN-α/β와 IFN-γ가 서로 다른 세포 표면 수용체를 사용한다는 점이 알려져 있었습니다. 동시에 두 인터페론 모두 매우 빠르게 핵 안의 전사 프로그램을 바꾼다는 사실도 알려져 있었습니다. IFN-α는 ISGF3α 구성 요소의 tyrosine phosphorylation과 nuclear translocation을 유도하고, ISGF3γ와 함께 ISRE에 결합하는 ISGF3 복합체를 만들었습니다. IFN-γ는 p91 homodimer를 활성화해 IFN-γ-responsive DNA element에 결합하게 했습니다.

문제는 수용체와 전사인자 사이의 연결고리였습니다. 인터페론 수용체 자체는 성장인자 수용체처럼 명확한 intrinsic tyrosine kinase domain을 가진 수용체가 아니었습니다. 그런데 IFN 반응에서는 전사인자의 tyrosine phosphorylation이 빠르게 일어났습니다. 그렇다면 수용체 밖에서 ligand를 읽은 신호는 어떤 kinase를 통해 세포질 전사인자까지 전달되는가?

이 질문에 대한 중요한 단서가 Tyk2였습니다. 이전 complementation 연구는 Tyk2가 IFN-α signaling에 필요하다는 점을 제시했습니다. Silvennoinen 등은 여기서 한 걸음 더 나아가 Jak1과 Jak2 자체가 IFN 자극 뒤 실제로 tyrosine phosphorylation과 kinase activation을 보이는지, 그리고 이것이 p91 활성화와 연결되는지를 물었습니다.

이 논문의 핵심 논리

저자들은 먼저 endogenous Jak protein의 상태를 직접 보았습니다. 마우스 3T3 세포에 IFN-α 또는 IFN-γ를 처리한 뒤 Jak1과 Jak2를 immunoprecipitation하고, anti-phosphotyrosine blot과 in vitro kinase assay로 활성화를 확인했습니다. 이 접근의 핵심은 “IFN 처리 뒤 어떤 kinase가 실제로 켜지는가”를 세포 안의 endogenous 단백질에서 확인하는 것이었습니다.

결과는 ligand별로 달랐습니다. IFN-α는 Jak1의 빠른 tyrosine phosphorylation을 유도했지만 Jak2의 phosphorylation은 유도하지 않았습니다. 반면 IFN-γ는 Jak1과 Jak2를 모두 phosphorylate했고, Jak2의 변화는 IFN-γ 반응에서 특히 뚜렷했습니다. 단백질 양 자체가 크게 변한 것이 아니었기 때문에, 이 변화는 abundance 증가가 아니라 phosphorylation 상태 변화로 해석되었습니다.

in vitro kinase assay도 같은 방향을 가리켰습니다. IFN-γ 처리 세포에서는 Jak1과 Jak2 kinase activity가 모두 증가했고, IFN-α 처리 세포에서는 Jak1 activity가 증가했습니다. 따라서 이 논문은 IFN-α와 IFN-γ가 같은 “인터페론”이라는 이름 아래 묶이더라도, 수용체 뒤에서 사용하는 Jak 조합이 다르다는 점을 보여 주었습니다. 오늘날의 표현으로 정리하면 type I IFN 반응에는 Jak1과 Tyk2 축이, IFN-γ 반응에는 Jak1과 Jak2 축이 중심이 됩니다. 이 논문은 그중 Jak1과 Jak2의 활성화를 직접 포착한 초기 연구입니다.

p91 활성화와의 연결

다음 질문은 Jak 활성화가 핵 전사인자 활성화와 시간적으로 맞물리는지였습니다. 저자들은 IFN 처리 뒤 p91의 tyrosine phosphorylation과 DNA binding activity를 함께 보았습니다. IFN-α에서는 Jak1 activation이 빠르게 나타난 뒤 p91 phosphorylation과 p91 DNA binding이 뒤따랐습니다. IFN-γ에서는 Jak1/Jak2 activation과 함께 p91 phosphorylation이 더 지속적으로 증가했습니다.

이 결과만으로 Jak이 p91을 직접 phosphorylate한다고 단정할 수는 없습니다. 하지만 적어도 IFN receptor engagement, Jak activation, p91 phosphorylation, p91 DNA binding이라는 사건들이 같은 짧은 시간 창 안에서 연결된다는 점을 보여 줍니다. 논문의 조심스러운 결론도 여기에 있습니다. Jak family kinase가 IFN-induced nuclear signalling에 관여하며, p91 같은 latent cytoplasmic transcription factor의 활성화와 연결된다는 것입니다.

여기서 p91은 이후 STAT1로 정리됩니다. 당시에는 STAT라는 이름과 JAK-STAT pathway라는 표준 용어가 막 형성되던 시기였기 때문에, 논문은 p91과 ISGF3 구성 요소라는 당시 용어를 사용합니다. 현대적으로 읽으면 이 논문은 STAT1 활성화가 receptor-associated Jak kinase 활성화와 연결된다는 사실을 보여 준 연구입니다.

과발현 실험이 보여 준 것

저자들은 Jak1 또는 Jak2를 COS 세포에 과발현해 ligand 없이도 p91이 활성화될 수 있는지 확인했습니다. Jak1이나 Jak2를 과발현하면 해당 Jak 단백질의 tyrosine phosphorylation이 증가했고, p91 DNA binding activity도 나타났습니다. 반면 vector control이나 active c-Src 대조군은 같은 p91 DNA binding을 만들지 못했습니다.

이 대조군은 중요합니다. 단순히 세포 안의 tyrosine phosphorylation을 많이 늘리면 p91이 켜지는 것이 아니라는 뜻이기 때문입니다. 실제로 active c-Src는 여러 세포 단백질의 tyrosine phosphorylation을 증가시킬 수 있었지만, p91 DNA binding이나 p91-dependent transcription을 Jak처럼 유도하지 못했습니다. 따라서 p91 활성화에는 일반적인 tyrosine kinase activity가 아니라 Jak family kinase에 더 특이적인 연결이 필요하다고 볼 수 있습니다.

Reporter assay에서도 Jak1과 Jak2는 p91-dependent promoter의 transcription을 증가시켰습니다. 증가 폭은 약 3배 수준으로 크지는 않았지만, ligand 없이 Jak 과발현만으로 p91 의존 전사가 올라간다는 점이 핵심이었습니다. 이 실험은 Jak이 IFN 신호에서 단순한 주변 단백질이 아니라 전사인자 활성화에 충분히 가까운 위치에 있음을 보여 주었습니다.

Jak들 사이의 상호작용

논문에서 특히 흥미로운 부분은 Jak 과발현이 자기 자신만이 아니라 endogenous Jak kinase도 활성화할 수 있다는 관찰입니다. Jak1을 과발현하면 Jak1만 phosphorylate되는 것이 아니라 Jak2 쪽에서도 신호가 보였고, Jak2를 과발현했을 때도 Jak1 쪽 변화가 관찰되었습니다. 저자들은 이를 Jak kinase들 사이의 transactivation 가능성으로 해석했습니다.

이 결과는 IFN receptor가 단순히 하나의 kinase를 켜고 그 kinase가 하나의 전사인자를 phosphorylate하는 직선형 회로만은 아닐 수 있음을 시사합니다. 수용체가 ligand에 의해 활성화되면 서로 다른 Jak family kinase가 가까워지고, 그 결과 kinase들 사이의 상호 phosphorylation과 transcription factor activation이 함께 일어날 수 있다는 모델이 가능합니다. 이후 정립된 JAK-STAT 모델에서 cytokine receptor-associated JAK들이 receptor complex 안에서 서로를 활성화한다는 개념은 이 논문의 해석과 잘 맞습니다.

다만 이 논문이 모든 세부 기전을 완성한 것은 아닙니다. 이 논문은 Jak1과 Jak2 activation, p91 activation, Jak 과발현 효과를 연결했지만, 각 수용체 사슬에 어떤 Jak이 붙는지, p91이 어떤 site에서 어떻게 docking하는지, STAT이라는 단백질군 전체가 어떻게 구성되는지는 이후 연구에서 더 정리되었습니다. 그래서 이 논문은 완성된 교과서 모델이라기보다, JAK-STAT 회로가 실제 생화학적 경로임을 강하게 밀어 준 초기 증거로 읽는 것이 정확합니다.

왜 중요한가

이 연구의 중요성은 인터페론 신호를 “수용체가 켜진다”와 “핵에서 유전자가 켜진다” 사이의 빈칸 없이 연결했다는 데 있습니다. IFN-α와 IFN-γ는 서로 다른 수용체를 쓰지만, 둘 다 세포질에 잠재적으로 존재하던 transcription factor를 tyrosine phosphorylation을 통해 빠르게 활성화합니다. Silvennoinen 등은 그 과정에 Jak1과 Jak2가 실제로 참여한다는 점을 endogenous phosphorylation, kinase activity, p91 activation, overexpression assay로 묶어 보여 주었습니다.

이 논문은 또한 인터페론 생물학을 항바이러스 효과의 목록에서 신호전달 회로의 문제로 바꾸는 데 기여했습니다. IFN이 강력한 이유는 단일 효소를 조절해서가 아니라, receptor-associated Jak kinase를 통해 STAT 전사인자를 켜고, 그 결과 세포의 유전자 발현 상태를 빠르게 바꾸기 때문입니다. 이 구조를 이해해야 인터페론의 치료 효과와 부작용을 같은 틀 안에서 설명할 수 있습니다.

인터페론 개발사 / 면역과 연결하면

1990년 IFNAR1 클로닝은 type I 인터페론 신호가 세포 표면 수용체에서 시작된다는 점을 분자적으로 보여 주었습니다. 1992년 ISGF3γ/IRF9 클로닝은 그 신호가 핵 안에서 ISRE를 읽는 전사 복합체로 연결된다는 점을 보여 주었습니다. 1993년 Silvennoinen 등은 그 사이에 놓인 kinase 연결고리, 곧 Jak family kinase activation을 붙잡았습니다.

면역학적으로 이 논문은 cytokine signaling의 일반 원리를 보여 줍니다. 세포는 cytokine을 단순히 “받는” 것이 아니라, 수용체에 결합한 Jak 조합을 통해 어떤 STAT을 켤지 결정합니다. IFN-α와 IFN-γ가 서로 다른 생물학적 효과를 내는 이유도 ligand 이름 하나로 설명되지 않습니다. 어떤 수용체 복합체가 어떤 Jak을 활성화하고, 그 결과 어떤 전사인자 조합이 DNA를 읽는지가 반응의 성격을 결정합니다.

한 줄 정리

1993년 Silvennoinen 등은 IFN-α가 Jak1을, IFN-γ가 Jak1과 Jak2를 활성화하고 이 신호가 p91/STAT1 전사 반응으로 이어진다는 점을 보여 주어 JAK-STAT 경로의 생화학적 토대를 세웠습니다.

참고문헌

• Silvennoinen O, Ihle JN, Schlessinger J, Levy DE. Interferon-induced nuclear signalling by Jak protein tyrosine kinases. Nature. 1993;366:583-585. doi:10.1038/366583a0