1967년 - 항체 생성에는 왜 두 세포가 필요한가: Mosier의 1967년 고전 실험

1967년 Donald E. Mosier의 짧은 Science 논문은 항체 생성의 문제를 한 단계 더 세포학적으로 바꾸어 놓았습니다. 이전까지 항체가 림프구에서 나온다는 생각은 점점 강해지고 있었지만, 실제 항체 반응이 하나의 세포 집단만으로 충분한지, 아니면 서로 다른 세포의 협동을 필요로 하는지는 분명하지 않았습니다. Mosier는 이 문제를 동물 전체가 아니라 배양접시 안에서 직접 나누어 보았습니다.

핵심 결론은 간단했습니다. 면역되지 않은 생쥐 비장세포를 플라스틱 배양접시에 붙는 세포와 붙지 않는 세포로 나누면, 어느 한쪽만으로는 양 적혈구에 대한 항체 형성 반응이 거의 일어나지 않습니다. 그러나 두 세포 집단을 다시 함께 배양하면 plaque-forming cell 반응이 회복됩니다. 항체 생성이 세포 하나의 독립적 기능이 아니라, 서로 다른 세포 집단의 상호작용을 필요로 한다는 점을 실험적으로 보여 준 것입니다.

배경: 시험관 안에서 1차 항체 반응을 만들다

Mosier의 실험은 바로 전해 확립된 Mishell-Dutton 배양법 위에 서 있습니다. 이 방법은 면역되지 않은 생쥐 비장세포를 양 적혈구(sheep red blood cells, SRBC)와 함께 배양하면 시험관 안에서도 1차 항체 반응이 생길 수 있음을 보여 주었습니다. 반응은 Jerne의 plaque assay를 변형한 방법으로 읽었습니다. 배양된 세포를 SRBC와 agarose에 섞고, 보체가 들어 있는 조건에서 용혈반을 세어 항체를 분비하는 세포 수를 측정한 것입니다.

이 기술 덕분에 연구자는 더 이상 동물 전체의 결과만 볼 필요가 없었습니다. 비장세포 현탁액을 나누고, 다시 합치고, 항원을 먼저 접촉시키는 방식으로 항체 반응의 세포 조건을 직접 시험할 수 있었습니다. Mosier의 논문은 바로 그 가능성을 가장 단순하고 강하게 사용한 연구입니다.

세포를 어떻게 나누었나

Mosier는 면역되지 않은 DBA/2 Jax 생쥐의 비장을 차가운 Hanks balanced salt solution에서 부드럽게 풀어 세포 현탁액을 만들었습니다. 세포는 Eagle's minimum essential medium에 비필수 아미노산, pyruvate, glutamine, 10% fetal bovine serum을 더한 배지에 10^7 cells/ml 농도로 맞추었고, 35 x 10 mm 플라스틱 배양접시에 1 ml씩 넣었습니다.

분리의 기준은 복잡한 표지자가 아니라 플라스틱에 붙는가였습니다. 비장세포를 30분 동안 배양한 뒤 배지에 떠 있는 세포를 걷어 내면, 접시에 남은 세포가 부착성 세포가 됩니다. Mosier는 이 세포들을 titanium dioxide를 빠르게 포식하는 성질 때문에 macrophage-rich, 즉 M.R. 세포라고 불렀습니다. 반대로 떠 있는 세포를 다시 30분씩 두 차례 더 배양해 부착성 세포를 제거하면, 대부분 작은 림프구 모양을 가진 lymphocyte-rich, 즉 L.R. 세포가 남았습니다.

이 분리는 오늘날의 flow cytometry식 세포 분류와는 다릅니다. 세포 표면 표지자로 T세포, B세포, 수지상세포를 구분한 것이 아니라, 짧은 배양 시간 동안 플라스틱에 붙는 기능적 성질을 이용한 것입니다. 그래서 이 논문을 읽을 때는 “대식세포가 항체를 만들게 했다”라고 단정하기보다, 부착성 accessory cell과 비부착성 림프구 풍부 세포가 함께 필요했다고 읽는 편이 정확합니다.

두 세포 집단은 각각으로는 충분하지 않았다

정상 비장세포 10^7개를 SRBC 10^7개와 함께 배양하면, 2일에서 4일 사이에 항체를 분비하는 plaque-forming cell 수가 빠르게 증가했습니다. 논문은 결과를 배양 시작 시점의 10^6개 세포당 plaque-forming cell 수로 표시했습니다. 표 1에서 정상 비장세포와 SRBC를 함께 둔 조건은 실험에 따라 day 4에 60, 170, 342 수준의 반응을 보였습니다.

반대로 M.R. 세포만 SRBC와 함께 배양하거나, L.R. 세포만 SRBC와 함께 배양하면 반응은 거의 사라졌습니다. 예를 들어 M.R. 1, M.R. 2, M.R. 3 단독 조건은 0 또는 1 수준이었고, L.R. 3 단독 조건도 0이었습니다. L.R. 1에서 아주 약한 반응이 보였지만, Mosier는 이 집단에 일부 부착성 세포가 남아 있었기 때문으로 해석했습니다.

결정적인 점은 두 분획을 다시 합쳤을 때입니다. M.R. 세포와 L.R. 3 세포를 함께 두면 항체 반응이 다시 나타났습니다. 값은 정상 비장세포 전체를 그대로 둔 조건만큼 항상 높지는 않았지만, 단독 분획과는 명확히 달랐습니다. 따라서 실험의 메시지는 숫자의 절대값보다 조합의 논리에 있습니다. 부착성 세포도 필요하고, 비부착성 림프구 풍부 세포도 필요하다는 것입니다.

항원을 먼저 만나는 세포

이 논문에서 특히 중요한 실험은 항원을 언제, 어느 세포에 먼저 노출했는지를 다룬 부분입니다. Mosier는 M.R. 세포를 SRBC와 30분 동안만 함께 배양한 뒤, 배지를 걷어 내고 접시를 여러 번 씻어 자유로운 SRBC를 제거했습니다. 현미경으로 보면 일부 macrophage 안에 SRBC가 들어가 있었지만, 자유로운 SRBC는 보이지 않았습니다. 저자는 이 30분 동안 실제로 포식된 SRBC가 전체 항원량의 5% 이하일 것으로 추정했습니다.

그 뒤 L.R. 세포를 더해 배양했을 때, 항체 반응은 정상 비장세포를 항원과 계속 함께 둔 조건에 가까운 수준으로 유도되었습니다. 즉 항원이 배양 기간 내내 많이 남아 있어야만 반응이 생긴 것은 아니었습니다. 짧은 시간 동안 부착성 세포가 항원을 받아들이는 것만으로도 이후 림프구 반응을 시작시키기에 충분했습니다.

다만 이것을 오늘날 의미의 항원 처리와 MHC 제한 항원제시가 모두 증명된 실험으로 읽으면 안 됩니다. Mosier가 보여 준 것은 분자적 제시 메커니즘이 아니라, 항원을 먼저 만난 부착성 세포가 비부착성 림프구의 항체 반응을 유도하는 데 필수적이라는 사실입니다. 후대의 항원제시세포, T-B cooperation, 도움 T세포 개념은 이 결과를 더 정교하게 해석하게 만들었지만, 1967년 논문 자체의 언어는 아직 “macrophage-lymphocyte interaction”에 머물러 있습니다.

왜 항체 역사에 들어가는가

이 논문은 항체의 구조나 유전자를 다룬 논문은 아닙니다. 그러나 항체가 실제로 만들어지는 세포적 조건을 보여 주었다는 점에서 항체 역사에 들어갈 만합니다. 1950년대와 1960년대 초반의 논문들이 “한 세포가 하나의 항체 특이성을 가진다”는 문제를 다루었다면, Mosier의 1967년 논문은 그 다음 질문을 제기했습니다. 항체를 분비하는 세포가 반응하기 위해서는 어떤 다른 세포가 먼저 필요할까?

이 질문은 훗날 더 넓은 구조로 이어집니다. 항원을 포식하거나 제시하는 accessory cell, 도움을 제공하는 T세포, 항체를 분비하는 B세포라는 구분은 이후 연구에서 더 명확해졌습니다. Mosier의 연구는 이 전체 구도를 완성한 논문이 아니라, 그 전 단계에서 항체 반응을 세포 간 협동의 문제로 전환한 논문입니다.

정리하며

Mosier의 1967년 논문은 짧지만 논리적으로 강한 연구입니다. 정상 비장세포를 기능적으로 둘로 나누고, 각각으로는 반응이 없지만 다시 합치면 항체 생성이 회복된다는 사실을 보여 주었습니다. 더 나아가 항원에 짧게 노출된 부착성 세포만으로도 비부착성 림프구의 항체 반응을 시작시킬 수 있음을 보였습니다.

그래서 이 논문의 역사적 의미는 “어떤 세포가 항체를 만드는가”라는 단일 세포의 질문을 넘어섭니다. 항체 생성은 항원을 다루는 세포와 항체 반응을 수행하는 림프구가 함께 만들어 내는 과정이라는 생각, 곧 세포 협동의 관점이 여기서 매우 선명한 실험 형태를 얻었습니다.

참고문헌

• Mosier DE. A requirement for two cell types for antibody formation in vitro. Science. 1967;158(3808):1573-1575.
• Mishell RI, Dutton RW. Immunization of normal mouse spleen cell suspensions in vitro. Science. 1966;153(3739):1004-1006.
• Jerne NK, Nordin AA. Plaque formation in agar by single antibody-producing cells. Science. 1963;140(3565):405-407.