Treg 특이적 CTLA-4 결손과 유도성(iKO) 모델 비교: 면역 브레이크의 분자적 증명

CTLA-4는 Treg의 핵심 브레이크인가?

2000년대 초반까지 CTLA-4(cytotoxic T-lymphocyte antigen-4)는 T세포 활성화를 억제하는 음성 조절 수용체로 잘 알려져 있었습니다. 특히 CD28과 경쟁하여 B7 분자(CD80/CD86)에 결합함으로써 공자극 신호를 차단하는 역할을 한다는 사실이 확립되어 있었습니다.

그러나 중요한 질문이 남아 있었습니다.

CTLA-4는 모든 T세포에서 중요한가, 아니면 **조절 T세포(Treg)**의 핵심 억제 분자인가?

이 질문에 결정적인 답을 제시한 인물이 스웨덴 출신 면역학자 카이사 윙(Kajsa Wing)입니다. 그는 시몬 사카구치(Shimon Sakaguchi) 연구팀과 함께 2008년과 2016년에 걸쳐 두 편의 핵심 논문을 발표했습니다.

이 연구들은 CTLA-4가 단순한 억제 수용체가 아니라, Treg의 기능을 지탱하는 중심 분자임을 유전자 수준에서 직접 증명했습니다.

기존 전신 결손 모델의 한계

1995년, 에드워드 A. 티볼(Edward A. Tivol) 등의 연구는 CTLA-4 결손 마우스가 생후 3~4주 이내에 치명적 림프증식성 자가면역으로 사망함을 보고했습니다. 하지만 이 모델은 모든 T세포에서 CTLA-4가 제거된 상태였습니다. 따라서 CTLA-4가 일반 활성 T세포(Teff)에 필요한 것인지, 아니면 Treg의 억제 기능에 필수적인지를 구분할 수 없었습니다.

이 문제를 해결하기 위해서는 Treg에서만 CTLA-4를 제거한 모델이 필요했습니다.

## 2008년 연구: Treg에서 CTLA-4를 제거하면

Foxp3-Cre 시스템을 이용해 Treg에서만 CTLA-4를 제거한 결과는 매우 분명했습니다.

• 비장과 림프절이 크게 비대해졌고

• 여러 장기에 염증 세포가 침윤했으며

• 급격한 자가면역 반응이 발생했습니다.

이는 CTLA-4가 “있으면 도움이 되는 분자”가 아니라, Treg 억제 기능의 필수 요소임을 보여주었습니다.

분자 수준에서 무슨 일이 일어났는가

CTLA-4의 기능은 단순히 CD28과 경쟁하는 것에 그치지 않습니다.

CTLA-4는 항원제시세포(APC) 표면의 CD80/CD86을 세포 내부로 끌어들여 제거하는 trans-endocytosis 기전을 수행합니다.
즉, 공자극 신호를 단순히 막는 것이 아니라, 물리적으로 낮추는 역할을 합니다.

CTLA-4가 사라지면,

• APC 표면의 CD80/CD86이 높게 유지되고

• CD28 신호가 상대적으로 과도하게 활성화되며

• IL-2 생산과 효과 T세포 증식이 증가합니다.

결과적으로 면역계는 브레이크가 사라진 상태에서 가속 신호가 우세해지는 구조가 됩니다.

2️⃣ 2016년 연구: 성체 유도성 CTLA-4 결손(iKO) 모델

2008년 모델은 발생 초기부터 CTLA-4가 결손되어 있었습니다. 따라서 “발달 과정의 영향”을 배제할 수 없었습니다.

2016년 연구에서는 2016년 연구에서는 타목시펜 의존적 CreERT2 시스템을 이용해, 성체 Treg에서만 CTLA-4를 유도적으로 제거했습니다.

주요 결과

1. 급성 치명성은 감소
   즉시 사망하지는 않았지만, 100일 이내 만성 림프증식성 자가면역이 발생했습니다.

2. 장기 선택성 차이
   심장·신장은 비교적 보호되었고, 폐·침샘·위 주변 염증이 두드러졌습니다.
   이는 CTLA-4 기능이 발달 시기 의존성을 가진다는 점을 시사합니다.

3. 보상 기전 활성화
   IL-10, PD-1, LAG-3 발현이 증가했습니다.
   즉, CTLA-4가 사라지면 다른 억제 축이 부분적으로 보상합니다.

이 결과는 면역 조절이 단일 분자가 아니라 복합 네트워크로 이루어져 있음을 보여주었습니다. 즉, 면역계는 하나의 분자가 사라지면 다른 경로를 동원해 균형을 유지하려는 보상 네트워크를 가동합니다.

그러나 CTLA-4의 기능을 완전히 대체하지는 못했습니다.

이는 Treg 억제 시스템이 다중 분자 네트워크로 구성되어 있지만, 그 중심에는 여전히 CTLA-4가 위치한다는 점을 시사합니다.

상시적 결손(2008) vs 유도성 결손(2016) 비교

면역항암제와의 연결

CTLA-4는 현재 면역항암제의 핵심 표적입니다. 대표적인 약물이 이필리무맙(ipilimumab)입니다. 항-CTLA-4 항체 치료는 Treg의 CTLA-4 기능을 차단합니다.

그 결과:

• Treg 억제 기능이 감소하고

• 공자극 신호가 증가하며

• 전신 T세포가 활성화됩니다.

종양 면역은 강화되지만, 동시에 대장염·피부염·내분비 이상과 같은 면역 관련 이상반응이 나타날 수 있습니다.

이는 유전자 결손 모델에서 관찰된 현상과 구조적으로 일치합니다.

정리

이 두 연구는 다음을 분명히 했습니다.

1. CTLA-4는 Treg 억제 기능에 필수적입니다.

2. 그 작용은 단순한 경쟁이 아니라 공자극 신호의 실제 감소를 포함합니다.

3. CTLA-4가 결손되면 억제 축이 무너지고 공자극 신호가 우세해집니다.

4. 성체에서는 일부 보상 기전이 작동하지만 완전 대체는 불가능합니다.

결국 CTLA-4는 면역계의 균형을 유지하는 핵심 제어 장치입니다. 이 장치가 유지되어야 면역계는 공격과 관용 사이에서 안정적인 균형을 유지할 수 있습니다.

일반인을 위한 비유

CTLA-4는 면역계의 “브레이크 페달”과 같습니다.

Treg는 이 브레이크를 밟아 면역 반응을 멈추게 합니다.
브레이크가 고장 나면 차가 멈추지 못하듯, CTLA-4가 없으면 면역은 통제되지 않고 장기를 공격하게 됩니다.

참고문헌

Wing, Kajsa, et al. “CTLA-4 Expressed by Regulatory T Cells Contributes to Their Function In Vivo.” Science, vol. 322, no. 5899, 2008, pp. 271–275. https://doi.org/10.1126/science.1160062

Klocke, K., et al. “Induction of Autoimmune Disease by Deletion of CTLA-4 in Mice in Adulthood.” Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, vol. 113, no. 17, 2016. https://doi.org/10.1073/pnas.1603892113

Paterson, Alison M., et al. "Deletion of CTLA-4 on regulatory T cells during adulthood leads to resistance to autoimmunity." Journal of Experimental Medicine 212.10 (2015): 1603-1621. (https://doi.org/10.1084/jem.20141030)

Tivol, Elizabeth A., et al. "Loss of CTLA-4 leads to massive lymphoproliferation and fatal multiorgan tissue destruction, revealing a critical negative regulatory role of CTLA-4." Immunity 3.5 (1995): 541-547. 논문링크

참고사항: Cre 시스템이란 무엇인가

유전자의 기능을 특정 세포에서만 분석하기 위해 가장 널리 사용되는 방법이 Cre-loxP 조건부 유전자 제거 시스템입니다. 이 시스템의 핵심은 Cre recombinase라는 효소이며, 이는 박테리오파지 P1 bacteriophage에서 유래한 DNA 재조합 효소입니다.

Cre는 DNA 상의 loxP 서열을 인식해, 그 사이에 끼워 둔 유전자를 절단합니다. 따라서 제거하고자 하는 유전자의 양쪽에 loxP를 삽입해 두면(이를 floxed 상태라고 합니다), Cre가 발현되는 세포에서만 해당 유전자가 삭제됩니다.

중요한 점은 Cre를 모든 세포에서 작동하게 만들지 않는다는 것입니다. 대신, 특정 세포에서만 활성화되는 유전자의 프로모터 뒤에 Cre를 연결합니다. 이렇게 하면 그 유전자가 켜지는 세포에서만 Cre도 함께 발현됩니다.

예를 들어 Foxp3-Cre 마우스는 Foxp3 유전자가 활성화되는 세포에서만 Cre가 발현되도록 설계된 모델입니다. Foxp3는 조절 T세포(Treg)에서 발현되는 전사인자이므로, 이 시스템에서는 Treg 세포에서만 Cre가 작동합니다. 만약 표적 유전자가 loxP로 둘러싸여 있다면, Foxp3가 발현되는 순간 Cre가 활성화되어 해당 유전자가 Treg에서만 제거됩니다.

이와 같이 Cre 시스템은 전신 knockout과 달리, **특정 세포 집단에서만 유전자를 제거하는 조건부 knockout(conditional KO)**을 가능하게 합니다. 더 나아가 CreERT2와 같은 유도성 시스템을 사용하면, 특정 시점에만 유전자를 제거하는 것도 가능합니다.

결국 Cre 시스템의 기본 원리는 다음과 같습니다.
특정 세포에서 활성화되는 유전자의 프로모터에 Cre를 연결해 두고, loxP로 둘러싸인 표적 유전자를 그 세포에서만 제거하는 것입니다.

이 접근법은 면역학뿐 아니라 신경과학, 발생생물학 등 다양한 분야에서 세포 특이적 유전자 기능을 분석하는 핵심 도구로 활용되고 있습니다.