면역반응은 워낙 다양해서 설명할 때는 항상 대표적인 사례를 중심으로 말합니다.
그러므로 가장 간단하게 그람음성세균이 감염되었을 때를 중심으로 이것이 제거되는 과정을 하나의 시나리오로 정리해 보겠습니다. 세균은 그람양성균과 그람음성균으로 나눌 수가 있는데 대체로 그람음성균이 더 위험합니다.
면역반응이 일어나는 순서
식세포의 패턴인식 수용체를 통한 미생물 인식
미생물이 침입하면 면역세포가 이것을 인식해야 잡아 먹을 수가 있습니다. 탐식작용을 하기 위해서는 먼저 미생물을 인식해야 하는데, 인식하는 센서는 상당히 많지만, 가장 대표적인 센서 TLR4는 그람음성균의 세포막에 흔한 LPS를 인식합니다. 이렇게 TLR4가 LPS를 인식하면 탐식작용과 함께, 신호전달이 일어나고 이 신호전달은 염증반응을 유도합니다.
탐식작용 혹은 endocytosis
탐식작용이 일어나기 시작하면 세포막에서 여러가지 센서가 미생물(그림에서 빨간 점)을 인식하고 이것을 세포내이입(endocytosis)를 통해서 세포 안으로 이동시킵니다. 이때 세포질 성분과 세포안의 엔도좀은 이중막으로 인하여 서로 분리되어 있습니다. 이 상태에서 소화효소가 있는 라이소좀이 엔도좀과 융합해서 두 물질이 섞이고 결국 미생물이 분해되는데 이 과정에서 완전히 분해되지는 않고 일부는 조각난 형태로 남습니다. 이때 이것이 만약 MHC II 단백질에 결합할 수 있으면 결합한 상태로 세포막에 존재하게 됩니다.
항원제시
수지상세포는 대식세포와는 달리 항원제시에 특화된 세포로 위의 그림처럼 탐식작용을 통해서 MHC II 단백질에 항원이 결합하는 능력이 매우 뛰어납니다. 이 세포는 탐식작용을 한 장소에서 벗어나 림프절로 이동하여 Th 세포에 항원을 제시하게 됩니다.
이 과정이 선천면역과 적응면역을 연결하는 단계이며, 수지상 세포에 수 많은 Th세포가 접촉해서 MHC II 단백질에 결합한 항원과 결합할 수 있는 Th 세포를 찾아냅니다.
T 세포의 TCR 부분이 항원을 인식하는 부위이며, 이 부위와 MHC II에 있는 항원과 결합하는 것이며, 이렇게 수지상세포가 제시한 항원을 인식할 수 있는 보조T세포는 이제 활성화되고 분화합니다. 특히 이 중 일부는 Tfh세포로 분화되고 이 세포는 다시 자신이 인식할 수 있는 항원을 인식하는 B세포를 찾아내서 이 B세포를 활성화시킵니다.
T세포에 항원 제시
세포독성T세포를 활성화하는 과정은 좀 더 복잡합니다. 수지상세포에서 MHC II에서 항원제시해서 Th세포를 활성화하고, MHC I 에서 항원제시할 경우에는 세포독성T세포를 활성화시킵니다. 이 두가지 신호가 같이 활성화되어야 제대로 세포독성T세포를 제대로 활성화할 수 있습니다.
이것은 아마도 세포독성T세포를 활성화하는 과정이 쉽다면 잘못 활성화시킬 수 있기 때문으로 보입니다.
항체 형성
활성화된 B세포는 증식한 이후에 형질세포로 변화한 후에 항체를 생산하고, 그 일부는 기억세포로 변화하여 나중에 재감염때 빠르게 반응합니다.
아래 그림은 항원제시부터 항체가 만들어지는 과정을 간략하게 묘사한 것인데, B세포가 결국 수지상세포와 Th세포의 일종인 Tfh에 의해서 활성화되어야 증식이 되며, 이렇게 증식된 이후에는 최종적으로는 프라즈마세포가 만들어서 대량으로 항체가 만들어지고 일부는 기억세포가 됩니다. 참고로 과거에는 Tfh 세포가 아닌 Th2 세포로 표시된 경우도 많았는데, 당시는 Tfh세포가 알려지기 전이라서 그렇습니다.
세포독성T세포의 작용
세포독성 T세포는 활성화한 후 항원을 제시한 세포들 즉, 바이러스에 감염된 세포나, 혹은 암세포를 인식해서 세포를 죽입니다. 이 과정을 처음부터 자세히 그리면 다음과 같습니다.
다시 탐식작용
대부분의 사람들은 암세포를 죽이면 끝이라고 하지만 죽은 세포를 다시 제거하는 것은 선천면역세포들입니다. 그러므로 이것으로 면역반응이 끝나는 것입니다. 물론 이어서 손상된 조직을 복구하는 과정이 남았지만, 이것은 이 글에서는 생략하겠습니다.
일반적으로 면역반응의 초기에는 미생물이 가지고 있는 공통점을 인식하며 (예를 들어 LPS를 인식)하여 탐식작용이 일어나지만, 항체가 박테리아를 둘러싸는 경우에는 LPS가 아니라 세포막의 다른 성분(항원)에 결합해서 항체가 박테리아를 싸게 됩니다. 일단 항체가 둘러싸서 코팅하면 탐식작용이 매우 활발하게 일어나게 되며, 무엇보다 중요한 것은 TLR4에 의해서 탐식작용이 일어나게 되면 염증반응이 매우 쉽게 유발되지만 항체가 코팅된 경우에는 염증반응이 일어나기는 하지만 매우 약하다는 것입니다. 그러므로 안전하게 감염된 세균을 안전하게 제거할 수 있게 됩니다.
감염시 일어나는 면역반응의 위치 및 진행과정
대장균이나 살모넬라에 감염되었을 때, 조직내에 있는 대식세포 등이 먼저 대응합니다. 그러나 이것이 충분하지 않으면 염증반응이 일어나고 주변에서 호중구를 비롯하여 여러가지 면역세포가 몰려오게 됩니다. 그렇게 일차적으로 감염균에 대해서 방어를 합니다. 이때 대식세포, 수지상세포와 호중구는 주로 탐식작용으로 NK세포는 감염된 세포를 죽이는 방식으로 바이러스를 제거합니다.
1차 면역반응만으로 부족한 경우에는 항원제시에 효과적인 수지상세포가 탐식작용으로 분해한 물질을 가지고 림프절로 이동합니다.
림프절에는 흉선(T 세포, 혹은 T 림프구)과 골수(B세포, 혹은 B림프구)에서 만들어진 림프구가 모여 있습니다. 이들 세포는 아직 자신이 인식할 수 있는 항원을 만난 적이 없는 세포들입니다.
림프절에 온 수지상세포는 림프절에 있는 T세포와 B세포와 접촉하면서 자신이 가지고 있는 항원과 결합할 수 있는 세포를 찾아냅니다. 이 과정을 항원제시라고 하는데, 항원제시를 통해서 원하는 림프구가 찾아지면 이것을 활성화시키고, 활성화된 림프구는 분화되고 증식을 하게 됩니다.
이렇게 증식된 림프구는 림프절을 떠나 혈관을 통해서 조직으로 이동하게 됩니다. 조직내에서는 T세포와 B세포가 적응면역을 일으킵니다. 그리고 특히 세균은 항체가 매우 효과적인데, 항체에 의해서 무력화된 세균은 다시 대식세포와 같은 탐식세포가 제거합니다.
같이 읽기
참고문헌
Akkaya, M., Kwak, K., & Pierce, S. K. (2020). B cell memory: Building two walls of protection against pathogens. Nature Reviews Immunology, 20(4), 229–238. https://doi.org/10.1038/s41577-019-0244-2