조절 T세포

1. 개요

조절 T 세포는 면역 반응을 억제하여 과도한 면역 반응을 방지하는 면역계의 구성 요소이다. 가장 잘 알려진 조절 T 세포는 CD4, CD25, FOXP3를 발현하는 세포이며, 자가면역 질환, 감염, 암 등 다양한 질병과 관련이 있다. 조절 T 세포는 흉선에서 발달하거나 말초에서 유도되며, FOXP3 발현, CD4, CD25, CD127, CTLA-4, GITR 등 다양한 표면 분자를 마커로 사용한다. 조절 T 세포는 면역계의 항상성 유지에 중요한 역할을 하며, 면역 억제 기전을 통해 면역 반응을 조절한다.

2. 역사

1971년 리처드 가숀 등은 T세포 이입을 통해 면역 관용을 유도할 수 있다는 것을 밝혀냈고, 이 T세포 하위 집합을 "억제성 T세포"라고 명명했다. 이 시점에서 "억제성 T세포"는 단순한 개념에 불과했고, 존재는 확인되지 않았다.

1995년 교토 대학의 사카구치 시문 등의 생쥐 실험에서 인터류킨-2 수용체 α 사슬인 CD25 분자를 발현하는 CD4 T세포를 제거하면 자가 면역 질환이 다발한다는 것이 밝혀졌다. 즉, CD4 T세포가 자가 면역 질환을 억제하는 기능을 가지고 있음을 확인한 것이다. 이 CD4⁺CD25⁺T세포는 억제성 T세포 중에서도 구분하여 "CD4⁺CD25⁺Treg"라고 불리게 되었다. 처음에는 CD4 및 CD25를 CD4⁺CD25⁺Treg의 마커로 사용했지만, 어느 것도 이 세포에 특이적인 것이 아니어서 마커로 사용하기에는 문제가 있었다.

이후 전사 인자인 Foxp3가 CD4⁺CD25⁺Treg의 특이적 분자 마커인 동시에 Treg 분화의 마스터 유전자임이 밝혀지는 등 급속도로 연구가 진전되었다.

3. 분류 및 기능

조절 T 세포(Treg)는 면역 반응을 조절하는 중요한 역할을 하며, 크게 흉선에서 유래하는 자연 발생 조절 T 세포(nTreg)와 말초에서 유도되는 유도 조절 T 세포(iTreg)로 나뉜다. nTreg 세포는 주로 자가 항원에 대한 내성을 부여하고, iTreg 세포는 주로 외부 항원이 존재할 때 염증을 예방한다.

자연 조절 T 세포(nTreg)는 흉선에서 생성되며, Foxp3와 자가친화성이 높은 T 세포 수용체(TCR)를 지속적으로 발현한다. 이들은 주로 혈액이나 림프절에서 발견된다.

유도 조절 T 세포(iTreg)는 말초에서 IL-2와 TGF-β가 존재할 때 특정 상황에서 발생하며, Foxp3를 발현하여 nTreg 세포와 기능적으로 유사해진다. 그러나 iTreg는 주로 외부 항원에 대한 면역 반응을 조절하며, 말초 장벽 조직에서 발견된다.

nTreg 세포와 iTreg 세포의 주요 구별 특징은 헬리오스와 뉴로필린-1의 발현 유무이며, 이들의 존재는 흉선 기원을 시사한다. 또한, 두 세포 집단은 Foxp3 발현의 안정성에서 차이를 보인다.

소장의 환경은 비타민 A가 풍부하고 레티노산이 생산되는 곳이다. 레티노산과 수지상세포에서 생산된 TGF-β는 조절 T 세포 생성을 유도한다. 특히, 장의 조절 T 세포는 항원 도입 후 미성숙 T 세포로부터 분화하며, 일부는 렉틴 유사 수용체인 CD161을 발현하여 장벽 통합성 유지에 특화되어 있다.

최근 연구에 따르면, 기생충 유래 TGF-β 모방체(Hp-TGM)를 이용하여 사람 조절 T 세포를 유도할 수 있음이 밝혀졌다. Hp-TGM 유도 조절 T 세포는 염증 상태에서도 안정적이며, CD25와 CTLA4 발현 수준이 높고, Foxp3 특이적 탈메틸화 부위에서 메틸화가 감소했다.

결장 Foxp3+ 조절 T 세포의 약 30-40%는 전사 인자 RORγt를 발현한다. RORγt+ 조절 T 세포는 장 점막 림프 조직 기능과 관련이 있으며, 장 미생물군집에 크게 의존한다. 무균 생쥐는 RORγt+ 조절 T 세포 수가 현저히 감소하는 반면, 특정 병원체 부재(SPF) 미생물군집에 의한 재정착은 장에서 이들 세포 수를 회복시킨다. RORγt+ 조절 T 세포는 흉선에는 존재하지 않으며, 헬리오스나 뉴로필린-1을 발현하지 않지만, CD44, IL-10, ICOS, CTLA-4, CD39, CD73 발현이 높아 강력한 조절 기능을 시사한다.

이 외에도 Tr1, T_h3, CD8⁺CD28^-, Qa-1 제한 T 세포 등 다양한 조절 T 세포 집단이 존재하지만, 이들의 자기 관용과 면역 항상성에 대한 기여는 아직 명확히 밝혀지지 않았다.

3.1. 면역 억제 기전

면역계는 자기(self)와 비자기(non-self)를 구별할 수 있어야 한다. 자기와 비자기의 구별이 실패하면 면역계는 우리 몸의 세포와 조직을 파괴하고 자가 면역 질환이 발생한다. 조절 T세포는 면역계 활성화를 적극적으로 억제하여 자가 면역 질환과 같은 병적인 자가반응성을 방지한다. 조절 T세포가 면역계에서 수행하는 역할이 중요하다는 것은 IPEX 증후군과 같이 조절 T세포가 유전적으로 결핍되었을 때 발병하는 심각한 자가 면역 질환에 의해 뒷받침된다.

조절 T세포가 억제와 조절 활성을 띄는 분자적인 기전은 명확하게 나타나지 않았고 연구의 주제가 되고 있다. 생체외(in vitro) 실험에서는 세포가 억제되기 위해 세포 사이의 접촉이 필요하다는 복잡한 결과를 내놓았다. 조절 T세포가 면역을 억제하는 방식으로 추정되는 대표적인 기전은 다음과 같다.

* 조절 T세포는 여러 억제성 사이토카인을 생산한다. 억제성 사이토카인에는 TGF-β, 인터루킨 35, 인터루킨 10이 있다. 또한 조절 T세포는 인터루킨 10을 발현하는 다른 종류의 세포들을 유도할 수 있다.
* 조절 T세포는 그랜자임 B를 생산하며, 그랜자임 B는 작동 세포의 세포자멸사를 유도할 수 있다. 그랜자임 B가 결핍된 생쥐의 조절 T세포는 작동 T세포 활성화를 덜 억제하는 사실이 보고되었다.
* 수지상세포와의 직접적인 상호작용을 통한 역방향 신호전달과 면역을 억제하는 효소인 인돌아민 2,3-이산소화효소의 유도.
* 세포외효소인 CD39와 CD73을 통한 신호 전달과 면역을 억제하는 물질인 아데노신 생산.
* LAG3과 TIGIT을 통한 수지상세포와의 직접적인 상호작용. 수지상세포와 조절 T세포의 상호작용에 관한 리뷰는 사람 세포와 생쥐 세포에서 기전의 차이를 보여준다.
* 또 다른 조절 기전은 인터루킨 2(IL-2)의 피드백 고리를 통해서 일어난다. 항원에 의해 활성화된 T세포는 IL-2를 생산하며 IL-2는 조절 T세포의 IL-2 수용체에 작용한다. 이를 통해 해당 부위에서 높은 T세포 활성이 발생하고 있다는 사실이 조절 T세포에게 전달되어 조절 T세포가 억제성 반응을 개시하도록 만든다. 이 일련의 과정은 과민반응이 일어나지 않도록 하는 음성 피드백 고리이다. 만약 실제 감염이 일어난 상태라면 다른 염증성 인자들이 억제 신호를 하향조절한다. 음성 피드백 고리가 방해되면 과민반응으로 이어지며, 이때는 조절 신호가 면역 반응의 길이를 변화시킬 수 있다. 활성화된 조절 T세포는 IL-2와 결합하여 작동 T세포가 세포자멸사를 회피하기 위해 필요한 IL-2를 결핍시킨다.
* 조절 T세포에 의한 면역억제의 주된 기전은 작동 T세포에서 보조자극 신호로 작용하는 CD28을 CTLA-4를 통해 막는 것이다.

4. 발생 및 분화 기전

모든 T세포는 골수의 전구세포에서 유래하며 가슴샘에서 성숙한다. 조절 T세포(Treg)는 가슴샘에서 이중음성(DN) 단계의 CD4-CD8-TCR- 세포로 시작한다. 이 단계에서 개별 T세포의 TCR 유전자가 재배열되어 고유하고 기능적인 분자를 형성하며, 가슴샘 겉질에서 자가 MHC 분자와 최소한으로만 상호작용하는지 테스트를 받는다. 이 신호를 받으면 세포는 증식하고 CD4와 CD8 분자를 동시에 발현하여 이중양성(DP) 세포가 된다.

가슴샘 속질 또는 하살소체에서 MHC class II 발현 세포와의 상호작용을 통해 조절 T세포로 선택된다. 이중양성 단계에서 세포는 가슴샘 세포와의 상호작용에 의해 선별되어 Foxp3의 전사를 시작하고 조절 T세포가 된다. 그러나 이중양성 단계의 세포는 기능적인 조절 T세포가 되는 단일양성(SP) 단계가 될 때까지 Foxp3를 발현하지 않을 수도 있다. 조절 T세포의 TCR 다양성은 작동 T세포보다 훨씬 넓으며 자가 펩타이드 쪽으로 치우쳐져 있다.

조절 T세포의 선별 과정은 자가 펩타이드-MHC 복합체와의 친화성에 의해 결정된다. 너무 강한 신호는 세포자멸사, 약한 신호는 작동 T세포, 중간 정도의 신호는 조절 T세포로의 발달로 이어진다. 이를 골디락스 과정이라고 부른다. TCR이 존재하는 모든 T세포는 결국 작동 T세포와 조절 T세포가 섞인 채로 발달이 끝난다. 이 두 집단 간의 비율은 T세포와 자가 펩타이드-MHC 복합체 사이의 친화성에 의해 결정된다.

가슴샘에서 Foxp3⁺ T_reg 세포의 생성은 작동 T세포와 비교했을 때 며칠 정도 늦으며, 출생 후 3주 정도까지 가슴샘과 말초 양쪽에서 모두 성인 수준까지 도달하지 못한다. 조절 T세포는 CD28의 보조자극과 B7.2 발현을 필요로 하며 이 자극들은 가슴샘 속질에 의해 주로 제한된다. TGF-β는 조절 T세포 기능에 필수적이지 않다. TGF-β에 민감하지 않은 TGF-βRII를 가진 생쥐에서 나온 조절 T세포가 제대로 기능하는 것으로 밝혀졌다.

유도 조절 T세포(iT_reg)는 CD4⁺ CD25⁺ FOXP3⁺로 면역관용과 관련된 억제성 세포이다. iT_reg 세포는 T세포 증식과 자가 면역 질환을 억제한다. iT_reg 세포는 가슴샘 바깥에서 일반적인 성숙한 CD4⁺ T 세포로부터 발달한다.

작은창자의 환경은 비타민 A가 풍부하며 레티노산이 생산되는 곳이다. 레티노산과 이 구역에서 수지상세포에 의해 생산된 TGF-β가 조절 T세포의 생산 신호를 보낸다. 비타민 A와 TGF-β는 IL-6이 존재해도 T_h17 세포와 반대 방향인 조절 T세포로의 분화를 촉진한다. 창자의 환경은 비타민 A와 TGF-β를 통해 유도 조절 T세포로 T세포를 분화시킨다.

4.1. 흉선 재순환

일부 FOXP3⁺ T_reg 세포는 가슴샘으로 재순환하는 것이 관찰되었다. 이들은 주로 가슴샘 속질에 존재하며, 새로운 조절 T세포의 발달을 억제하는 역할을 한다. 가슴샘에 이 세포가 존재하거나 태아 가슴샘 조직에 추가되면 새로운 조절 T세포 발달이 34-60%까지 억제되지만, 다른 일반적인 T세포에는 영향을 주지 않는다. 이는 재순환 조절 T세포가 새로운(de novo) 조절 T세포 발달만 억제한다는 것을 의미한다.

이 억제 기전은 조절 T세포가 미세환경의 IL-2를 흡수하여, IL-2를 주 성장 인자로 필요로 하는 다른 T세포의 세포자멸사를 유도하는 것이다. 재순환 조절 T세포는 Il2ra 유전자에 의해 암호화되는 고친화성 IL-2 α사슬(CD25)을 많이 발현하며, CD25는 가슴샘 속질에서 IL-2와 결합해 농도를 낮춘다. 반면, 가슴샘에서 새롭게 발생한 FOXP3⁺ T_reg 세포는 Il2ra 발현량이 높지 않다. IL-2는 가슴샘에서 조절 T세포 발달에 필수적인 사이토카인으로, T세포 증식과 생존에 중요하지만, IL-2가 결핍되면 IL-15가 대체할 수 있다. 그러나 조절 T세포 발달은 IL-2에 특히 의존적이다. 사람에서는 CD31 음성 조절 T세포가 가슴샘에서 발견되었으며, CD31은 다른 T세포와 마찬가지로 새롭게 형성된 조절 T세포의 표지자로 이용된다. 성숙한 말초 조절 T세포는 CD31 발현이 감소한다. 따라서 이 기전이 사람에서도 기능할 수 있다.

가슴샘으로 돌아온 재순환 조절 T세포에 의한 양성 조절도 보고되었다. 가슴샘에서는 말초 조절 T세포보다 IL-1R2 (Il1r2) 발현이 증가한 CD24^low - FOXP3⁺ 세포가 발견되었다. 염증 반응으로 유발된 IL-1β의 높은 농도는 가슴샘에서 조절 T세포의 de novo 발달을 감소시킨다. 높은 IL1R2 발현을 보이는 재순환 조절 T세포는 IL-1β를 흡수하여 가슴샘 속질 미세환경에서 IL-1β 농도를 줄여, 조절 T세포의 de novo 발달을 돕는다. 조절 T세포에는 선천면역 세포에 존재하는 톨-인터루킨-1 수용체 도메인이 없기 때문에, IL-1β가 조절 T세포 표면의 IL1R2와 결합해도 신호 전달은 발생하지 않는다.

5. 질병과의 관련성

조절 T 세포의 기능 이상은 다양한 질병과 관련이 있다. 면역계가 자기와 비자기를 구별하지 못하면 자가 면역 질환이 발생하는데, 조절 T세포는 면역계 활성화를 억제하여 이러한 질환을 방지한다. 조절 T세포의 중요성은 IPEX 증후군과 같이 조절 T세포가 유전적으로 결핍되었을 때 발병하는 심각한 자가 면역 질환을 통해 알 수 있다.

조절 T세포가 면역을 억제하는 정확한 분자 기전은 아직 완전히 밝혀지지 않았지만, 다음과 같은 기전들이 제시되고 있다.

* 억제성 사이토카인 (TGF-β, 인터루킨 35, 인터루킨 10) 분비
* 그랜자임 B를 통한 작동 세포의 세포자멸사 유도
* 수지상세포와의 상호작용을 통한 인돌아민 2,3-이산소화효소 유도
* CD39, CD73을 통한 아데노신 생성
* LAG3, TIGIT을 통한 수지상세포와의 직접적인 상호작용
* 인터루킨 2(IL-2) 피드백 고리를 통한 조절
* CTLA-4를 통해 작동 T세포의 CD28을 통한 보조자극 신호 차단

조절 T세포는 감염 상황에서 면역 반응을 억제하는 것이 부적절할 수 있다. 일부 병원체는 조절 T세포를 이용하여 숙주의 면역을 억제하고 생존을 돕는다. 예를 들어, 레트로바이러스 감염 (HIV 등), 미코박테륨 감염 (결핵 등), 리슈만편모충이나 말라리아와 같은 기생충 감염에서 조절 T세포 활성이 증가한다.

조절 T세포는 HIV 감염에서 면역 억제와 바이러스 제거 방해라는 상반된 역할을 한다. 또한 내장리슈만편모충증에서 과도한 염증을 방지하는 역할을 한다.

그 외에도 근위축성 측삭경화증(ALS), 임신, 암 등 다양한 질병에서 조절 T세포의 역할이 연구되고 있다.

5.1. 자가면역 질환

면역계는 자기(self)와 비자기(non-self)를 구별하는데, 이 구별에 실패하면 면역계가 우리 몸을 공격하여 자가 면역 질환이 발생한다. 조절 T세포는 면역계 활성화를 억제하여 자가 면역 질환을 방지한다. 조절 T세포의 중요성은 IPEX 증후군과 같이 조절 T세포가 유전적으로 결핍되었을 때 발병하는 심각한 자가 면역 질환을 통해 알 수 있다.

FOXP3 유전자 돌연변이는 사람과 쥐 모두에서 발견되었으며, 이는 조절 T세포가 정상적인 면역계 유지에 중요한 역할을 한다는 것을 보여준다. FOXP3 돌연변이를 가진 사람들은 심각하고 치명적인 자가 면역 질환인 IPEX 증후군(Immune dysregulation, Polyendocrinopathy, Enteropathy X-linked syndrome)을 앓게 된다.

IPEX 증후군은 생후 첫 해에 전신 자가면역이 나타나며, 물이 많은 설사, 습진성 피부염, 각종 내분비질환(주로 인슐린 의존성 당뇨병)이 흔히 관찰된다. 대부분의 환자는 쿰스(Combs) 양성 용혈성 빈혈, 자가면역성 혈소판감소증, 자가면역성 호중구감소증, 세뇨관 신장병과 같은 다른 자가면역 질환도 겪는다. 남성 환자 대부분은 대사성 장애나 패혈증으로 인해 생후 첫 해에 사망한다. FOXP3 자발 돌연변이를 가진 생쥐에서도 유사한 질환('scurfy')이 관찰된다.

5.2. 감염

일부 병원체는 숙주의 면역 반응을 억제하고 자신의 생존을 돕기 위해 조절 T세포를 이용하기도 한다. 예를 들어 조절 T세포의 활성은 레트로바이러스 감염 (가장 잘 알려진 것은 HIV 감염), 미코박테륨 감염 (결핵 등)), 리슈만편모충이나 말라리아와 같은 여러 기생충 감염에서 증가하는 것으로 보고되었다.

조절 T세포는 HIV 감염에서 중요한 역할을 한다. 조절 T세포는 면역계를 억제하여 표적 세포를 제한하고 염증을 감소시키는 긍정적인 역할을 한다. 그러나 동시에 면역 억제로 인해 세포성 면역 반응을 통한 바이러스 제거를 방해하고 CD4⁺ T세포를 휴식기로 만들어 감염된 세포를 포함한 저장소를 강화하는 부정적인 역할도 한다. 또한, 조절 T세포는 HIV에 감염될 수 있으며, 이는 HIV 저장소를 직접적으로 더 많이 만들 수 있다. 따라서 조절 T세포는 HIV 치료 연구에서 표적으로서 조사되고 있다. 원숭이 면역 결핍 바이러스(SIV)에 감염된 영장류에서 일부 조절 T세포 결핍 전략이 테스트된 적이 있다. 이때 바이러스 재활성화와 강화된 SIV 특이적인 CD8⁺ T세포 반응이 나타났다.

조절 T세포는 내장리슈만편모충증의 병리와 환자의 과도한 염증을 방지하는 데에 커다란 역할을 한다.

5.3. 근위축성 측삭경화증 (ALS)

근위축성 측삭 경화증(ALS, 일명 루게릭병)에서는 조절 T세포(T_reg)의 FOXP3 발현이 감소하여 기능 부전 및 신경 염증을 유발할 수 있다는 증거가 있다. 자가 이식을 위한 T_reg 세포의 생체 외 확장은 1상 임상 시험에서 유망한 결과를 얻은 후 현재 연구 중이다.

5.4. 임신

조절 T 세포는 건강한 임신 기간 동안 전신 및 국소적으로 다클론 확장을 통해 증가하여 모체의 면역 반응으로부터 태아를 보호하며, 이를 모체 면역 관용이라고 한다. 자간전증 산모와 그 자녀에게서 이러한 다클론 확장이 손상된다는 증거가 있다. 연구에 따르면 자간전증 동안 조절 T 세포의 생성과 발달이 감소하면 모체 면역 관용이 저하되어 자간전증의 특징인 과잉 면역 반응을 초래할 수 있다고 한다.

5.5. 암

조절 T 세포는 종양 미세환경에서 면역 억제 기능을 수행하여 암세포의 성장을 촉진할 수 있다. 난소암, 유방암, 신장암, 췌장암 등 다양한 암에서 종양 미세환경 내 조절 T 세포 수 증가는 불량한 예후와 관련이 있다. 이는 조절 T 세포가 작동 T 세포를 억제하여 암에 대한 면역 반응을 방해하기 때문이다.

하지만 대장암, 여포성 림프종과 같은 일부 암에서는 조절 T 세포 증가가 오히려 좋은 예후와 관련되기도 한다. 이는 세포 증식과 전이를 유발하는 염증 반응을 조절 T 세포가 억제하기 때문으로 추정된다.

종양 미세환경 내 조절 T 세포와 작동 T 세포의 비율은 암에 대한 면역 반응의 성공을 결정하는 중요한 요인으로 여겨진다.

종양 미세환경은 케모카인 등을 통해 조절 T 세포를 유인하며, TGF-β 등은 조절 T 세포의 분화 및 확장을 유도한다. 많은 유형의 종양 세포에서 분비되는 리간드인 CCL22와 조절 T 세포에 발현되는 케모카인 수용체인 CCR4의 결합은 조절 T 세포의 종양 미세환경 침윤을 촉진한다.

전사인자인 FOXP3의 다형성(rs3761548)은 조절 T 세포 기능 및 IL-10, IL-35, TGF-β 같은 면역 조절 사이토카인 분비를 통해 위암 진행과 관련되어 있을 수 있다.

6. 분자적 특징

조절 T세포는 포크헤드 패밀리의 전사인자인 FOXP3를 발현하는 것이 특징이다. FOXP3 발현은 조절 T세포 발달에 필수적이며, 이 세포의 운명을 특정하는 유전적 프로그램을 조절한다. 주로 MHC 제2형에 의해 제한되는 CD4⁺ 세포 집단에서 발견되며, CD25(IL-2R α사슬)를 많이 발현한다. FOXP3 발현 CD4⁺ CD25⁺ T세포 외에도, MHC 제1형에 의해 제한되는 CD8⁺ FOXP3 발현 조절 T세포도 소수 존재한다. 이 CD8⁺ T세포는 건강한 사람에서는 기능하지 않지만, 자가면역질환 상태에서 TCR 자극으로 유도되어 IL-17 매개 면역 반응을 억제한다. 조절 T세포는 IL-2를 생산하지 않으며, 기준선에서 무반응 상태이다.

조절 T세포를 식별하기 위해 CD4와 CD25의 높은 발현(CD4⁺CD25⁺ 세포)이 사용되었으나, 면역 활성화 시 조절 T세포가 아닌 세포에서도 CD25가 발현되어 문제가 있다. FOXP3 단백질 발현을 측정하면 더 특이적인 분석(CD4⁺CD25⁺FOXP3⁺ 세포)이 가능하지만, 활성화된 사람 작동 T세포에서도 일시적으로 FOXP3가 발현되어 복잡하다. 따라서 비활성화된 CD3⁺CD4⁺ T세포에서 높은 CD25 발현과 CD127(IL-7RA)의 낮거나 없는 발현을 조합하는 것이 표준적인 표면 표지자 조합이다. CTLA-4나 GITR(TNFRSF18)도 조절 T세포에서 발현되지만, 그 기능적 중요성은 아직 밝혀지지 않았다.

세포 활성화 이후에는 조절 T세포를 식별하기 어렵다. 다른 T세포도 CD25를 발현하고, 일시적으로 FOXP3를 발현하며, CD127을 발현하지 않기 때문이다. 조절 T세포는 CD39 발현과 CD25, CD134(OX40)의 공동발현을 통해 활성화 유도 표지자 분석으로 식별할 수 있다.

조절 T세포 특이적 탈메틸화 영역(TSDR, T_reg-specific-demethylated region) 분석을 통해 조절 T세포를 추적 관찰할 수 있다. TSDR은 유전자의 특정 부분으로, 활성화된 작동 T세포가 아닌 조절 T세포에서만 탈메틸화되어 있다.

조절 T세포의 항원 결정기(Tregitopes)는 단클론 항체와 면역글로불린 G(IgG)에 포함된 아미노산 서열로 구성되어 있으며, 조절 T세포 활성화에 중요할 수 있다.