[리트 과학 배경지식 / 리트 과학지문 공부] Wnt 신호전달계

 

출처: KOSEN-코센리포트

Wnt 신호전달계는 거의 대부분의 조직과 세포의 발달과 재생 과정에 매우 필수적인 역할을 하며, 다양한 종류의 생물종에서 보존되어 있는 매우 중요한 신호전달계이다. 현재까지 다양한 종류의 Wnt 단백질과 수용체, 리간드가 밝혀지고 보고가 되었다. 예를 들면, 포유류에서는 19가지의 Wnt 리간드, 10가지의 Frizzled 수용체, 그리고 다양한 보조수용체가 보고되었다. 현재까지 리간드와 종류와 신호전달의 특성에 따라, 크게 canonical과 non-canonical Wnt 신호 경로, 두 가지의 카테고리로 구분된다. Wnt는 세포 안에서 다양한 기능을 수행하는데, 대표적으로 잘 알려진 것은 세포의 증식, 분화, 사멸, 이동, 생존에 관련된 것들이다. 특별히 줄기세포 분야에서 Wnt 신호전달계의 기능이 많이 연구가 되어, Wnt의 기능이 알려지게 되었다. 최근에는 그 영역이 확장되어, 암의 발생과 증식, 그리고 다양한 염증성질환에 있어서 Wnt의 기능에 대한 연구가 진행되고 있다. 염증성질환 역시, 조직의 손상과 재생과 관련된 부분이 많이 있고, 다양한 면역세포 역시 증식과 분화 등의 과정을 거치기 때문에, 염증반응과 면역반응에 있어서 Wnt가 관여하고 있다는 점은 어느 정도 예상이 되었는데, 최근의 연구로 훨씬 뒷받침되고 있다. Wnt 신호전달계의 canonical 경로의 경우, Wnt 리간드가 Frizzled 수용체와 그의 보조수용체인 LRP5/6에 결합하여 이루어진다. Wnt의 리간드가 결합하지 않은 상태에서는 β-catenin에 대한 지속적인 분해작용으로 그 양이 적게 유지가 되지만, Wnt 리간드에 의한 신호전달이 시작되면, β-catenin 단백질이 안정해지며, 신호전달이 시작되어 세포의 증식과 분화 등이 일어나게 된다. Non-canonical 경로의 경우, Wnt5a 계열과 같은 다른 종류의 Wnt 리간드가 Frizzled/ROR(Retinoic acid-related orphan receptor)/RYK(receptor tyrosine kinase) 복합체를 통해 신호전달을 일으키고, 이는 Wnt/PCP(planar cell polarity) 또는 Wnt/Ca2+과 같은 신호전달 경로를 활성화시켜 세포의 여러 기능에 관여하게 된다. 본 보고서에서는 이와 같이 세포의 여러 기능에 매우 중요한 Wnt 신호전달계가 면역세포의 기능 조절과 여러 질환에 어떠한 영향을 주는지 토의하고자 한다. 2. 선천성 면역세포(Innate immune cells)에서의 Wnt 신호전달 2.1. 대식세포(Macrophage)에서의 Wnt 신호전달 대식세포는 조직의 손상을 복구하는 과정에 깊이 관여하는 것으로 알려져 있다. 그리고 대식세포의 Wnt 리간드나 Wnt 신호전달 물질의 발현 등이 이러한 조직의 재생이나 섬유증(fibrosis)과 깊은 관계가 있다는 보고가 있다. 폐의 허파꽈리에 존재하는 폐포 대식세포(Alverolar macrophages)의 β-catenin은 항상 활성화되어 있었고, 무엇보다 Wnt 신호전달이 약화되어 있는 Lrp5 유전자 결손 마우스의 경우, 폐손상 모델에서의 폐섬유증이 감소되어 있었고, 대식세포에 특이적으로 β-catenin을 억제하자 같은 모델에서 섬유증이 감소가 되었다. 다른 모델에서, Wnt의 리간드의 분비를 조절하는 Wntless 단백질이 대식세포 특이적으로 삭제되었을 때, 심장손상 모델에서 심장의 손상 복구와 심장 기능의 회복이 더 잘 일어난다는 것을 보여주었다. 또한 이는 대식세포가 Wntless가 없을 때, M2형으로 분화가 되어, 항염증과 혈관생성에 도움을 주는 방향으로 기능을 수행하기 때문임을 보고하였다[1, 2]. Non-canonical 경로의 경우, 대식세포에서의 Wnt5a의 발현이 여러 종류의 물질대사와 관련된 염증반응과 연관되어 있다는 보고가 있다. Wnt5a에 의한 염증반응 대식세포의 세포 실험에서 박테리아 감염이 Wnt5a-Frizzed5-Rac1-p65 신호전달과 TLR(toll like receptor)의 반응과 연결됨이 보였다. 그러나 경우에 따라서 Wnt5a가 항염증반응에 관여될 수도 있음이 보였는데, Wnt5a를 처리한 대식세포에서는 염증성 M1형의 분화가 억제되고 M2형의 분화가 증가되었기 때문이다. 이에 대한 정확한 이해를 위해서는 추가적인 연구가 필요하다[2]. 2.2. 수지상세포(Innate lymphoid cells)에서의 Wnt 신호전달 수지상세포는 항원의 표지에 특화된 기능이 있는 선천성 면역세포의 일종이다. 수지상세포는 단지 항원을 표지할 뿐 아니라, 항원에 대응하게 되는 적응 면역세포인 T세포의 기능 분화를 결정하는 매우 중요한 기능을 수행한다. 기존의 수지상세포 자체의 발생과 분화에 대한 연구를 통해 Wnt 신호전달이 중요함이 밝혀졌다. 최근의 연구에서는 수지상세포의 기능에 미치는 Wnt 신호전달 경로의 역할이 보고가 되었다. 수지상세포 특이적으로 β-catenin 유전자를 결손시키게 되면, Th1/Th17의 T세포 반응이 나타나고 항염증 Treg(regulatory T cell) 반응이 감소하는 것이 보였다. 독립적인 다른 연구에서, 수지상세포의 β-catenin에 의한 항염증반응이 IL-10과 비타민A의 신호전달 과정을 조절하여 이루어짐 또한 보고가 되었다. 다른 연구에서는, Wnt3a 리간드를 수지상세포에 처리하자 LPS에 의한 염증반응이 약화되었다[2, 3]. 수지상세포의 Wnt 신호전달의 조절은 전체적인 면역질환과 관련됨이 보였다. 수지상세포 특이적인β-catenin 결손 마우스는, 장염 모델에서 증가된 염증반응으로 인해 생존율이 낮아졌다. 중추신경계의 염증의 경우, 수지상세포 특이적으로 LRP5/6의 유전자가 결손되면, 항염증 사이토카인의 발현이 감소되고 염증성사이토카인의 발현이 증가되어 결국 Th1/Th17 반응을 일으킨다는 보고가 있었다. 이는 자가면역의 중요한 증상 중 하나인데, 자가면역 모델에서 수지상세포 특이적 LRP5/6 유전자 결손 마우스는 자가면역질환에 훨씬 취약해졌다. 한편 종양의 경우, Th1 반응은 항종양 면역반응을 일으키기 때문에, LRT5/6 수지상세포 특이적 결손 마우스는 다양한 종류의 종양 모델에서 더 잘 생존할 수 있었다[2, 3]. Non-canonical Wnt 신호전달의 경우도, canonical과 마찬가지로 수지상세포에서 면역억제의 역할을 하는 것이 보였는데, Wnt 5a 리간드를 처리한 수지상세포는 면역관용(tolerance)적인 특징을 보여주었다. 또한 림프절의 수지상세포 중 B세포와 T세포의 기능에 중요한 여포성(follicular) 수지상세포의 경우, Wnt5a를 발현하고, 이는 림프절의 배중심(germinal center)의 B세포의 생존에 매우 중요하다는 것이 보였다[2, 3]. 이를 종합해볼 때, Wnt 신호전달은 수지상세포에서 면역관용을 일으키는 수지상세포의 형질로의 분화를 일으키며, 이는 T세포의 기능 조절을 통해 항염증 면역반응을 조절한다고 할 수 있다[2, 3]. 3. 적응성 면역세포(Adaptive immune cells)에서의 Wnt 신호전달 3.1. CD4 T세포에서의 Wnt 신호전달 CD4 T세포는 적응성 면역세포의 한 종류로, 분화 가소성(Plasticity)이라는 중요한 특징을 지닌다. 이는, 수지상세포와 같이 항원을 표지하는 세포와의 상호작용을 통해 CD4 T세포가 활성화될 때, 서로 다르거나 상반되는 특징을 지닐 수 있는 다른 종류의 T세포로 분화될 수 있음을 의미한다. 현재 알려진 것으로는, Th1과 Th2 외에 Th17과 Treg와 같은 형태의 CD4 T세포가 있고, 그 외에 B세포의 기능을 돕는 Tfh (follicular T세포)가 있다[2]. Wnt 신호전달이 CD4 T세포의 기능에 어떤 영향을 미치는지 알아보기 위해 많이 사용된 모델로는 TCF-1(T cell factor 1) 유전자 결손 마우스(TCF1 KO)가 있다. TCF-1은 그 이름에서도 알 수 있듯이 T세포의 발달 과정에서부터 중요함이 알려져 있어서 기존의 흉선에서의 T세포의 발달과 선택 분화 등에 대한 연구가 많이 진행되었다. 그러나 TCF-1에 의한 실제 면역반응의 조절에 관해서는 비교적 최근에 알려지기 시작했다. TCF1 KO 마우스는 먼저, 천식 모델에서 천식에 대한 저항성을 보여주었는데, 이는 Th2 분화가 억제되었기 때문이다. Naïve 상태의 CD4 T세포에 Wnt 리간드인 Wnt3a를 처리하자 Th2 형태로 분화가 되었다. 보다 최근의 연구에서는 Wnt10b의 결손이 천식의 증상을 악화시켰는데, 이는 TCF와 Wnt10b의 잠재적인 상호작용의 가능성을 보여준다. 또한 TCF1 KO 마우스는 만성 바이러스 감염 모델에서 Tfh의 분화를 감소시켰다. 세포를 이용한 실험에서도 마찬가지로 TCF1 유전자가 없는 Naïve CD4 T세포는 Tfh로 분화가 억제되었다. 중추신경계의 자가면역 모델에서는 TCF1 KO 마우스에서 자가면역질환이 악화되었다. 이는 Th17의 분화가 증가되어 있었기 때문이다. 다른 연구에서는 전사인자인 TCF1이 IL-17 유전자의 부위에 결합할 수 있는 염기서열이 있어, 직접 이를 조절하는 것이 보였다. Treg의 경우, TCF1 KO 마우스의 CD4 T세포의 양이 전체적으로 감소해 있지만 Treg는 유지가 되는 것이 관찰되었고, 세포 실험에서 Treg의 면역억제 능력은 TCF1이 결손되어 있을 때 더 잘 일어날 수 있음이 보였다. 다른 종류의 마우스 모델을 이용한 실험에서, APC 유전자(Wnt- β-catenin의 억제자)를 Treg에 특이적으로 삭제한 마우스는 자가면역질환에 걸리게 되고, Treg의 면역억제 기능이 억제되어 있는 것을 발견하였다. 이와 같은 발견을 통해 Canonical Wnt 신호전달이 CD4 T세포의 분화와 기능에 중요한 영향을 끼치는 것을 알 수 있다[2, 4]. 한편, Non-canonical Wnt 신호전달의 경우, Wnt5a 리간드는 T세포의 이동과 관련이 있다는 보고가 있다. 케모카인 CXCL12의 경우, T세포를 유입시키는 인자인데, 그것이 Wnt5a의 발현을 매개로 한다는 보고가 있었다[2]. 3.2. CD8 T세포에서의 Wnt 신호전달 CD8 T세포는 항원을 인지하여 항원을 갖고 있는 세포를 죽일 수 있는 능력이 있는 면역세포이다. CD8 T세포는 주효(Effector) 기능을 수행하는 주효 CD8 T세포가 있고, 또 그중의 일부가 남아서 오랫동안 면역력을 갖게 하는 기억(Memory) CD8 T세포가 있다. 특별히 기억 T세포로의 분화 과정에 대한 최근의 연구를 통하여, Wnt 신호전달이 그 과정에 관여하고 있음이 보고가 되었다[2, 4]. 먼저 TCF-1 유전자가 결손된 마우스의 CD8 T세포의 경우, 항원에 특이적인 기억 CD8 T세포로의 분화가 억제되어 시간이 지난 후 다시 항원에 노출되었을 때, 항원을 제거할 수 있는 능력이 현저하게 떨어졌다. 이는 다른 연구에서 보인, TCF-1이 주효 CD8 T세포로의 분화를 억제한다는 보고와 같은 선상에 있다. 또한 CD8 T세포가 항원에 의해 활성화되어 세포분열이 일어날 때 TCF-1의 발현이 많은 세포와 적은 세포로 구분이 되는데, TCF-1의 발현이 많은 경우는 줄기세포와 비슷한 성격을 지니게 되고, TCF-1의 발현이 적은 경우는 주효 세포의 기능을 띠게 된다는 것이 보였다. 이와 같은 발견이 중요한 이유는, 항암 면역요법에서 면역 장벽 억제제에 반응하는 CD8 T세포의 주된 특징이 줄기세포와 비슷한 성격을 띤다는 데 있다. 실제로, TCF-1의 발현이 많은 CD8 T세포의 경우, 만성적인 감염의 상황에서 TCF-1의 발현이 적은 세포에 비해 소진(exhaustion)의 증상이 덜 나타나는 것이 보였다[2, 4]. TCF1은 또한 다른 중요한 전사인자의 발현을 조절하는데, 대표적으로 BCL6가 있다. TCF1-BCL6 경로는 특별히 여포 CD4 T세포의 분화에 중요함이 보였었는데, CD8 T세포에서도 중요한 역할을 한다는 것이 보고가 되었다. 특별히 림프절에서 여포 CD4 T세포가 감염되었을 때, TCF-1-BCL6 경로를 통해서 여포성 세포독성(Cytotoxic) CD8 T세포가 분화되고 림프절에 내입하여 감염된 세포를 제거할 수 있음이 보였다[2, 4]. β-catenin의 경우 역시 보고된 TCF-1의 역할과 동일 선상에 있다. β-catenin은 정상적인 상황에서 T세포에서 끊임없이 분해가 되는데, 이를 과다 발현시키는 유전적인 방법을 사용하게 될 때 CD8 T세포는 주효 기능이 약화되고 기억 CD8 T세포로의 분화가 증가된다는 보고가 있다[2, 4]. Non-canonical Wnt 신호전달은 흉선에서의 T세포의 발달에 중요하다는 것은 알려졌지만, 그 이후 CD8 T세포의 기능에 미치는 영향에 대해서는 아직까지 많은 연구가 진행되지 않았다. 4. 면역질환의 치료에 있어서 Wnt 신호전달 앞에서 살펴본 것처럼 Wnt 신호전달은 여러 종류의 면역세포에서 중요한 기능을 수행한다. Canonical Wnt 신호전달이 억제되었을 때 Th2의 기능이 약화되어 천식의 발병이 줄어들었고, 류머티즘 환자에서 Wnt 신호전달과 관련된 유전자의 발현이 증가되어 있었으며, TCF-1의 발현은 염증성사이토카인의 증가와 연관되어 있었고, Wnt5a의 발현도 류머티즘 환자에서 증가되어 있었다. 염증이라는 지표를 통해 보았을 때 암 역시 면역 관련 질환으로 구분될 수 있는데, 암에서도 Wnt 신호전달은 면역반응의 조절을 통해 질환과 큰 연관이 있다. 그러나 종양의 종류에 따른 다양한 차이와 암세포 자체에서도 Wnt 신호전달이 암세포의 증식과 생존에 중요한 역할을 하기 때문에, 현재 정확한 Wnt의 역할에 대해서는 추가적인 연구가 필요한 실정이다. 여러 연구를 기반으로, Wnt 신호전달계를 표적으로 하여, 면역질환의 치료에 사용하려는 시도가 있었다. Wnt 신호전달을 억제하는 이미 내재하는 억제제가 있는데, DKK 계열의 단백질들이다. 현재까지 DKK1, DKK2, DKK3, DKK4가 알려져 있는데, 이들은 Canonical과 Non-canonical Wnt 신호전달 과정에 관여할 수 있고, 일반적으로 그 신호전달을 억제하게 된다. DKK1의 경우가 가장 많은 연구가 진행되었는데, DKK1을 Th2 반응을 억제함으로써 천식의 증상을 완화시킬 수 있고, 염증성장질환(Inflammatory bowel disease)에서 Treg에 의한 면역억제를 일으켜 증상을 완화시킬 수 있으며, 암에서는 항종양 면역반응을 억제하는 MDSC(Myeloid-derived suppressor cell)의 분화를 돕는다는 것이 알려졌다. 임상에서는 이러한 DKK 계열의 단백질의 특징을 이용하여 펩타이드 약물을 사용하는 형식이나 이에 대한 항체를 개발함으로써 약물로서의 가능성을 시험하고 있다. 특별히 암의 경우, 면역과 별개로 암세포의 증식과 생존을 억제하기 위한 방법으로서 Wnt 신호전달을 조절하려는 방법론을 사용하였는데, 암의 종류에 따라 다양하고 때로는 상반되는 결과들이 보고되고 있다. 그러나 Wnt 신호전달을 이용하여 면역세포의 기능을 바꿈으로써 암 치료를 도우려는 시도는 비교적 최근에 들어서야 시작되었는데, 암에서의 MDSC를 억제하기 위한 방법으로 DKK1의 억제제 항체를 이용한 임상시험이 현재 진행 중이다[2]. 5. 결론 Wnt는 세포 안에서 세포의 증식, 분화, 사멸, 이동, 생존에 관련된 다양하고 중요한 기능을 수행하는 것이 이미 알려져 있었다. 최근의 연구를 통해, 면역세포에서도 Wnt가 중요한 기능을 수행한다는 것이 보고가 되었다. 선천성 면역세포인 대식세포와 수지상세포에서 다양한 염증성사이토카인의 발현과 항원의 표지와 T세포의 활성화 등이 Wnt의 canonical과 non-canonical 경로의 영향을 받아 조절되었다. 적응 면역세포인 T세포에서는 T세포와 분화와 주효 기능의 수행, 기억세포로의 분화 등이 Wnt 신호전달에 의해서 조절되었다. 따라서 Wnt 신호전달의 조절을 통해서 다양한 염증성질환인 천식, 자가면역, 암 등의 질환이 큰 차이를 보여주었다. 이를 통해 볼 때, Wnt 신호전달의 활성화나 억제를 통한 면역반응의 조절이 다양한 염증성질환의 치료에 있어서 중요한 방법론이 될 수 있다. 그러나 현재까지도 다양한 물질이 관여하고 있는 Wnt 신호전달계의 어떠한 부분을 어떻게 타기팅해야 하는지에 대해서는 더 많은 연구가 필요하다. 이는 다양한 리간드와 내재적인 억제제의 발현 등을 통해서, 하나의 물질이 없어진다고 해도 다른 물질이 상쇄하는 등의 효과로 인과관계를 명확히 알기 어려워 조절이 어려운 상황이 많기 때문이다. 그러나 추가적인 기초연구 등을 통해 이러한 부분들이 극복이 된다면, 강력한 면역조절자로 Wnt 신호전달계를 사용하는 것을 충분히 생각해볼 수 있다. References 1. Foulquier, S et al., WNT Signaling in Cardiac and Vascular Disease. Pharmacol Rev. 70: 68-141. 2018. 2. Chae, W-J. and Bothwell, L. M. Canonical and non-canonical Wnt signaling in immune cells. Trends in Immunol 39: 830-847. 2018. 3. Suryawanshi, A. et al., Modulation of Inflammatory Responses by Wnt/β-Catenin Signaling in Dendritic Cells. Front Immunol. 7:460. 2016. 4. Xue, H. H. and Zhao, D. M. Regulation of mature T cell responses by the Wnt signaling pathway. Ann N Y Acad Sci. 1247: 16-33. 2012.