브루스 보이틀러

1. 개요

브루스 보이틀러는 미국의 면역학자이자 유전학자로, 1957년 일리노이주에서 태어나 캘리포니아에서 성장했다. 1981년 시카고 대학교 의과대학에서 의사 자격을 취득하고, 록펠러 대학교에서 박사 후 연구원으로 TNF 연구를 수행했다. 1993년부터 1998년까지 포유동물의 지질다당류 수용체를 발견했으며, 2000년 스크립스 연구소로 옮겨 톨유사수용체(TLR)의 기작을 연구했다. 보이틀러는 TLR이 병원체를 직접 인식한다는 것을 밝혀내 선천 면역계의 작동 기전을 밝히는 데 기여했으며, 2011년 쥘 A. 호프만, 랄프 M. 스타인만과 함께 노벨 생리학·의학상을 수상했다. 그는 TNF 연구를 통해 에타너셉트 개발에 기여했으며, 자동 감수분열 매핑(AMM) 기법을 발명하여 유전학 연구에 기여했다.

2. 생애

브루스 보이틀러는 1957년 미국 일리노이주 시카고에서 태어나, 1981년 시카고 대학교에서 의학 박사(M.D.) 학위를 받았다. 1983년까지 텍사스 대학교 사우스웨스턴 메디컬센터에서 내과 인턴 및 신경과 레지던트 과정을 거쳤다.

록펠러 대학교에서 박사 후 연구원으로 [[종양괴사인자](TNF) 연구를 시작했으며, 1986년 텍사스 대학교 사우스웨스턴 메디컬센터와 하워드 휴즈 의학연구소 교수로 재직하며 TNF 억제제 개발 및 TLR 연구를 진행했다. 2000년 스크립스 연구소로 옮겨 유전학 연구를 통해 TLR4가 포유류 LPS 수용체 복합체의 핵심 구성 요소임을 밝혀냈다. 2011년 텍사스 대학교 사우스웨스턴 메디컬센터 숙주방어유전학센터 소장으로 돌아왔다.

보이틀러는 ENU(알킬화제)를 이용한 유전자 돌연변이 쥐 연구를 통해 Ticam1 유전자(TLR3 및 TLR4 신호 전달에 필요), Unc93b1 유전자(핵산 감지 TLR 운반), SLC15A4 유전자(플라스마사이토이드 수지상 세포에서 TLR9 및 TLR7 신호 전달) 등을 발견했다. 또한, 생쥐 거대세포바이러스 (MCMV) 감수성 연구를 통해 K_ir6.1 ATP 의존성 칼륨 채널을 포함한 중요 유전자 집합을 식별했다.

보이틀러 연구실은 장 상피 항상성, 알레르기 반응, 당뇨병, 비만, 조혈 작용, 체액성 및 세포성 면역, 철분 흡수, 청력, 색소 침착, 대사, 배아 발생 관련 유전자도 연구했다.

보이틀러는 자동 감수 분열 매핑(AMM)을 발명하여 유전자 돌연변이 식별 과정을 가속화했으며, 이는 면역 결핍 질환, 뼈 장애, 시력, 대사 장애 발견에 기여했다.

2.1. 어린 시절과 교육

브루스 보이틀러는 1957년 미국 일리노이주 시카고의 유대인 가정에서 태어났다. 1959년부터 1977년까지 남부 캘리포니아에서 성장했으며, 주로 로스앤젤레스 북동쪽 교외인 샌 개브리얼 밸리의 아케이디아에서 살았다. 그는 샌 개브리얼 산맥과 세쿼이아, 요세미티, 조슈아 트리, 그랜드 캐니언 등 지역 국립공원에서 하이킹을 즐기며 생물에 대한 관심을 키웠다.

14세에서 18세 사이에는 아버지 어니스트 보이틀러의 연구실에서 적혈구 효소 분석 및 단백질 분리 방법을 배우며 실험 생물학을 접했다. 17세에는 글루타티온 과산화 효소의 전기영동 변이와 무기 셀레나이트의 촉매 활성에 대한 연구를 발표하기도 했다.

보이틀러는 포유류 유전학자 오오노 스스무의 연구실에서 H-Y 항원을 연구하며 면역학과 생쥐 유전학에 대한 지식을 쌓았다. UCSD 재학 시절에는 초파리 유전학자 댄 린즐리의 실험실에서 연구하며 유전학 연구 방법을 익혔다.

패서디나의 폴리테크닉 스쿨에서 중등 교육을 받은 보이틀러는 16세에 고등학교를 졸업하고 UCSD에 입학, 1976년 18세에 학사 학위를 받았다. 1977년 시카고 대학교 의과대학에 입학하여 1981년 23세에 의학 박사(M.D.) 학위를 취득했다.

1981년부터 1983년까지 텍사스 대학교 사우스웨스턴 메디컬센터에서 내과 인턴 및 신경과 레지던트 과정을 거쳤다.

2.2. 연구 경력

브루스 보이틀러는 록펠러 대학교에서 앤터니 세라미(Anthony Cerami)의 지도 하에 박사 후 연구원으로 일하며 [[종양괴사인자](TNF) 연구를 시작했다. 1986년 텍사스 대학교 사우스웨스턴 메디컬센터와 하워드 휴즈 의학연구소에서 교수로 재직하며 TNF 억제제를 개발하고 TLR 연구를 진행했다.

2000년 스크립스 연구소로 옮겨 유전학 연구에 매진, TLR4가 포유류 LPS 수용체 복합체의 핵심 구성 요소임을 밝혀냈다. 2011년 텍사스 대학교 사우스웨스턴 메디컬센터로 돌아와 숙주방어유전학센터 소장으로 재직 중이다.

보이틀러는 ENU(알킬화제)를 이용, 유전자 돌연변이를 일으킨 쥐를 이용해 연구를 진행했다. 이 과정에서 Ticam1 유전자가 TLR3 및 TLR4의 신호 전달에 필요하며, TICAM1 단백질이 이들 수용체에 결합하는 새로운 어댑터 분자임을 발견했다. 또한, Unc93b1 유전자의 돌연변이가 핵산 감지 TLR의 신호 전달 실패를 유발하며, 이 유전자가 내부소체로 TLR을 운반하는 UNC93B1 단백질과 관련 있음을 밝혀냈다.

SLC15A4 유전자는 feeble 표현형을 기반으로 식별되었으며, 이 유전자의 돌연변이는 플라스마사이토이드 수지상 세포 (pDC)에서 TLR9 및 TLR7 신호 전달 실패를 유발하고, 쥐의 루푸스를 억제하는 것으로 나타났다.

보이틀러와 동료들은 ENU 유도 돌연변이를 통해 TLR 신호 전달 결함과 관련된 36개의 유전자에서 77개의 돌연변이를 발견했다. 이들은 TLR, 어댑터 단백질, 키나아제, 샤페론, 소포 수송 관련 단백질 등 다양한 역할을 하는 유전자였다.

또한, 생쥐 거대세포바이러스 (MCMV) 감수성 연구를 통해 감염 중 생존에 필수적인 유전자 집합인 MCMV "저항체"를 식별했다. 이 유전자 중에는 관상 동맥 평활근에서 혈류 유지에 중요한 K_ir6.1 ATP 의존성 칼륨 채널이 포함되어 있었다.

보이틀러 연구실은 세포 독성 손상 후 장 상피 항상성, 알레르기 반응, 당뇨병, 비만, 조혈 작용, 체액성 및 세포성 면역 관련 유전자도 연구했다. 또한, 철분 흡수, 청력, 색소 침착, 대사, 배아 발생 관련 유전자도 발견했다.

보이틀러는 자동 감수 분열 매핑(AMM)을 발명하여 유전자 돌연변이 식별 과정을 가속화했다. AMM은 질적, 정량적 표현형을 모두 감지하여 순방향 유전학의 민감도를 높였다. 2022년 현재 26만 건 이상의 ENU 유도 돌연변이가 검사되었고, 5,800개 이상의 돌연변이가 표현형의 원인으로 밝혀졌다.

AMM은 면역 결핍 질환, 뼈 장애, 시력, 대사 장애 발견에 기여했다. 특히, 선천적 공포 행동 관련 화학 감지기와 자폐증 유전자를 식별하는 데 사용되었다.

3. 주요 연구 업적

브루스 보이틀러는 선천성 면역, 종양 괴사 인자(TNF), 톨유사수용체(TLR) 연구에서 중요한 업적을 남겼다.

앤서니 세라미와 함께 록펠러 대학교에서 연구하면서(1983-1986) 지질다당류(LPS)에 의해 활성화된 생쥐 대식세포 배양액에서 생쥐 TNF를 분리했다. TNF는 만성 질환에서 쇠약을 유발하는 물질로, 지방 세포에서 지단백질 리파아제 합성을 억제하여 지방산 흡수와 재에스테르화를 막는다. 보이틀러는 LPS로 활성화된 대식세포 배지를 순차적으로 분획하여 TNF를 정제하고, N-말단 서열을 확인하여 생쥐 TNF임을 밝혔다. 또한, 인간 TNF가 강력한 활성을 가지고 있음을 확인했다.

TNF는 암세포를 죽이는 능력 외에도 이화 작용 전환자 역할을 하며, 내독소 유도 쇼크의 주요 매개체이다. 보이틀러는 생쥐 TNF에 대한 항체를 생성하여 LPS를 투여한 생쥐의 TNF를 중화함으로써 이를 입증했다. TNF에 대한 수동 면역요법은 LPS에 대한 전신 염증 반응을 완화시켰다.

TNF가 급성 전신 염증 질환을 유발한다는 발견은 만성 염증성 질환에서 TNF의 역할을 예고했다. 보이틀러는 정제된 TNF가 배양된 인간 활막 세포에서 콜라게나아제와 프로스타글란딘 E2 분비를 유발하여 염증 관련 반응을 일으킨다는 것을 입증했다. 이는 TNF가 류마티스 관절염에 중요한 역할을 할 수 있다는 초기 단서였다.

1986년, 보이틀러는 UT 사우스웨스턴 메디컬 센터와 하워드 휴즈 의학 연구소 교수로 초빙되었다. 그는 TNF 차단의 임상적 적용 가능성을 인지하고, TNF 수용체 단백질 결합 부위를 면역글로불린 중쇄에 융합한 재조합 분자를 발명하여 특허를 받았다. 이 키메라 시약은 TNF와 림포톡신에 대해 높은 친화력, 특이성, 낮은 항원성, 뛰어난 안정성을 가졌다. 인간 p75 수용체 키메라 단백질은 에타너셉트로 널리 사용되어 74 이상의 판매를 달성했다.

보이틀러는 포유류 면역 세포에 대한 LPS 작용에 관심을 갖고, TNF 생산물을 표현형 지표로 사용하여 LPS 수용체를 식별하고자 했다. 그는 위치 클로닝을 통해 TLR4가 포유류 LPS 수용체 복합체의 막 횡단 성분임을 증명했다.

TLR은 선천 면역 반응을 개시하고, 병원체 및 미생물 유래 특정 분자를 감지한다. 인간에게는 10종류의 TLR이 알려져 있으며, 미생물 인식 기능 외에도 쇼크, 전신 염증, 자가 면역 질환, 무균 염증 병인에 중요한 역할을 한다. 보이틀러는 TLR 연구로 2011년 노벨 생리학·의학상을 수상했다.

보이틀러는 포유류 면역 분석을 위해 순방향 유전학 방법론을 적용했다. 알킬화제인 ENU를 사용하여 무작위 돌연변이를 유발하고, 면역 기능에 변화를 일으키는 생식 세포 변이를 만들었다. 이 연구를 통해 선천성 면역 반응에 중요한 다수의 신호 전달 분자를 발견하여, 자연 면역의 생화학적 기전을 밝히는 데 기여했다.

ENU에 의한 돌연변이 유발은 병인 인자를 정의하는 포괄적인 반응 연구에도 사용되었다. 이들 유전자는 "감각", "신호 전달", "이펙터", "항상성", "발육" 등으로 분류되었으며, 일부는 예상 밖의 결과를 보였다. 예를 들어, 관상 동맥 평활근의 K_ir6.1 ATP 감수성 칼륨 채널은 미생물 감염 시 중요한 항상성 유지 역할을 하며, 이 채널에 이상이 생기면 감염 중 급사 가능성이 있다는 것을 발견했다。

이러한 연구 과정에서 보이틀러 연구팀은 ENU 돌연변이로 인해 현저한 이상 표현형이 나타난 철 흡수, 청각, 배 발생에 중요한 유전자들을 특정했다.

3.1. 종양괴사인자(TNF) 연구

보이틀러는 록펠러 대학교의 앤서니 세라미 연구실에서 조교수로 재직하면서(1983-1986) 선천성 면역에 대한 연구를 시작했다. 그는 지질다당류(LPS)에 의해 활성화된 생쥐 대식세포 배양액에서 생쥐 종양 괴사 인자(TNF)를 분리했다. 세라미는 이 물질이 만성 질환에서 쇠약을 유발한다고 보았다. 이 물질의 생물학적 활성은 지방 세포에서 지단백질 리파아제 합성을 억제하는 것이었고, 이는 지방 세포 내에서 지방산의 흡수와 재에스테르화를 막아 쇠약에 기여하는 것으로 여겨졌다. 보이틀러는 LPS로 활성화된 대식세포 배지를 순차적으로 분획하고 각 단계에서 활성을 측정하여 이 물질을 순수하게 정제했다. 이 물질의 N-말단 서열을 확인한 결과, 그는 이를 생쥐 종양 괴사 인자(TNF)로 인식했으며, 강력한 TNF 활성을 가지고 있음을 보였다. 또한, 매우 다른 분석법으로 분리된 인간 TNF가 강력한 활성을 가지고 있음을 확인했다.

다른 연구자들에 의해 동시대에 분리된 인간 TNF는 당시 암세포를 죽이는 능력으로만 정의되었다. TNF가 이화 작용 전환자로서의 별도의 역할을 한다는 것을 발견한 것은 매우 흥미로웠다. 더욱 중요한 것은, 보이틀러가 TNF가 내독소 유도 쇼크의 주요 매개체 역할을 한다는 것을 입증했다는 것이다. 그는 생쥐 TNF에 대한 항체를 생성하여 LPS를 투여한 생쥐의 TNF를 중화하는 데 사용함으로써 이를 수행했다. LPS에 대한 종종 치명적인 전신 염증 반응은 TNF에 대한 수동 면역요법으로 유의하게 완화되었다.

TNF가 급성 전신 염증 질환(LPS 유도 쇼크)을 유발한다는 발견은 수많은 만성 염증성 질환에서 TNF의 인과적 역할을 예고했다. J.-M. Dayer와 함께 보이틀러는 정제된 TNF가 배양된 인간 활막 세포에서 콜라게나아제와 프로스타글란딘 E2의 분비를 유발하는 등 염증 관련 반응을 유발할 수 있음을 입증했다. 이는 TNF가 류마티스 관절염에 인과적으로 중요한 역할을 할 수 있다는 초기 단서였다(나중에 Feldmann, Brennan, Maini에 의해 밝혀짐).

보이틀러는 1986년 UT 사우스웨스턴 메디컬 센터와 하워드 휴즈 의학 연구소의 교수로 초빙되었다. TNF 차단이 임상적 적용 가능성이 있다는 것을 알고, 그는 대학원생 데이비드 크로포드(David Crawford)와 박사후 연구원 카르스텐 페펠(Karsten Peppel)과 함께 TNF를 생체 내에서 중화하도록 특별히 설계된 재조합 분자를 발명하고 특허를 받았다(특허 번호 [https://patents.google.com/patent/US5447851B1/en US5447851B1]). TNF 수용체 단백질의 결합 부위를 중쇄에 융합하여 수용체 이합체화를 유도하여, 이들은 TNF와 림포톡신이라는 밀접하게 관련된 사이토카인 모두에 대해 놀랍도록 높은 친화력과 특이성, 낮은 항원성, 그리고 생체 내에서 뛰어난 안정성을 가진 키메라 시약을 생산했다. 인간 p75 수용체 키메라 단백질은 이후 류마티스 관절염, 크론병, 건선, 그리고 다른 형태의 염증 치료에 약물 에타너셉트로 널리 사용되었다. 암젠(Amgen)에 의해 판매된 에타너셉트는 74 이상의 판매를 달성했다.

3.2. 톨유사수용체(TLR) 연구

보이틀러는 포유류의 면역 세포에 대한 지질다당류(LPS) 작용에 관심을 갖고, TNF 생산물을 표현형 지표로 사용하여 LPS 수용체를 식별하고자 했다. 1960년대부터 포유류 Lps 위치가 모든 LPS에 대한 생체 반응의 중요한 유전적 결정기로 알려져 있었기에, 그는 위치 클로닝을 통해 수용체의 동일성을 밝히려 했다. 그 결과, 미생물 감염에 대한 중요한 센서를 발견하였고, 포유류의 톨유사수용체(TLR) 중 하나인 TLR4가 포유류 LPS 수용체 복합체의 막 횡단 성분임을 증명했다.

TLR은 선천 면역 반응을 개시하고, 병원체뿐만 아니라 미생물 유래 특정 분자를 감지하는 역할을 한다. 현재 인간에게는 10종류의 TLR이 알려져 있으며, 이들은 미생물을 인식하는 기능으로 널리 알려져 있다. 또한, 감염 경과에 따라 발생하는 쇼크나 전신 염증과 같은 중증 질환을 매개하며, 전신 홍반 루푸스와 같은 자가 면역 질환이나 무균 염증의 병인에 중요한 역할을 한다. 이러한 TLR 연구를 통해 보이틀러는 2011년 노벨 생리학·의학상을 수상했다.

3.3. 순방향 유전학 연구

브루스 보이틀러는 포유류 면역 분석을 위해 순 유전학 방법론을 적용했다. 이 과정에서 알킬화제인 ENU를 사용하여 무작위 돌연변이를 유발하고, 면역 기능에 변화를 일으키는 생식 세포 변이를 만들었다. 이러한 순방향 유전학 연구를 통해 선천성 면역 반응에 중요한 다수의 신호 전달 분자를 발견하여, 자연 면역의 생화학적 기전을 밝히는 데 기여했다.

ENU에 의한 돌연변이 유발은 보이틀러 연구팀에 의해 병인 인자를 정의하는 포괄적인 반응을 연구하는 데에도 사용되었다. 이들 유전자는 "감각", "신호 전달", "이펙터", "항상성", "발육" 등으로 분류되었으며, 일부는 예상 밖의 결과를 보였다. 예를 들어, 관상 동맥 평활근의 K_ir6.1 ATP 감수성 칼륨 채널은 미생물 감염 시 중요한 항상성 유지 역할을 하며, 이 채널에 이상이 생기면 감염 중 급사 가능성이 있다는 것을 발견했다。

이러한 연구 과정에서 보이틀러 연구팀은 ENU 돌연변이로 인해 현저한 이상 표현형이 나타난 철 흡수, 청각, 배 발생에 중요한 유전자들을 특정했다.

4. 수상 및 인정

미국 과학 아카데미, 미국 의학 연구소 등 많은 학술 단체에서 수상했다. 유럽 분자 생물학 연구소의 준회원이자, 미국 내과학회, 미국 임상 시험 학회의 회원으로 활동하고 있다. 또한, 2001년 이후 과학 정보 연구소는 보이틀러를 면역학 분야에서 영향력 있는 인물로 계속해서 게재하고 있으며, Thomson-Reuters에 의해 Citation Laureate에도 게재되었다.

5. 가족

브루스 보이틀러는 어니스트 보이틀러(1928-2008)와 브론델 메이 보이틀러(née 플라이셔, 1928-2019)의 셋째 아들이었다. 형제로는 두 명의 형(스티븐[1952년생]과 얼[1954년생])과 여동생 데보라[1962년생]가 있었다.

아버지 어니스트 보이틀러는 G-6-PD 결핍증 연구로 유명한 혈액학자이자 의학 유전학자였다. 그는 용혈성 빈혈, 철 대사, 당지질 축적 질환, 백혈병에 대한 연구와 X 염색체 불활성화 발견으로도 유명했다. 그는 브루스와 동시대에 스크립스 연구소의 교수이자 학과장이었다. 두 사람은 2008년 어니스트 보이틀러가 사망하기 전까지 여러 주제에 대해 생산적으로 협력했다.

어니스트 보이틀러의 부모는 모두 의사였다. 브루스 보이틀러의 할머니 카테 보이틀러(née 이탈리에너, 안나 로스스타인의 딸, 1896-1999)는 베를린의 샤리테 병원에서 훈련받은 소아과 의사였으며, 1923년에 의학 학위를 받았다. 카테 이탈리에너는 1925년 알프레드 보이틀러와 결혼했다. 알프레드 보이틀러 역시 의사였으며, 1936년 미국으로 이민 가기 전 카이저 빌헬름 연구소와 베를린 대학교에서 일했던 분광 물리학자 한스 G. 보이틀러(1896-1942)의 사촌이었다. 그는 사망할 때까지 시카고 대학교에서 연구를 계속했다.

브루스 보이틀러는 1980년 바바라 보이틀러(née 란즐)와 결혼하여 1988년에 이혼했다. 그 부부 사이에는 세 아들이 있었다.