[논문으로 배우는 면역학] SOX9 & Fibrosis
소개할 논문
SOX9 switch links regeneration to fibrosis at the single-cell level in mammalian kidneys (PMID: 38386758) 논문링크
너무나 많은 논문들이 쉴 새 없이 쏟아져 나옵니다. 나는 논문 하나 쓰는데 정말 긴 시간이 걸리는데 다른 사람들은 논문을 뚝딱뚝딱 만들어내는 것 같은 기분이 들 정도입니다. 이렇게 끊임없이 발표되는 수많은 논문들 덕분에 소개하고 싶은 논문들이 참 많습니다. 그중에서 이번에 소개할 논문은 2024년 2월 24일에 Science에 공개된 논문입니다.
Aggarwal, Shikhar, et al. "SOX9 switch links regeneration to fibrosis at the single-cell level in mammalian kidneys." Science 383.6685 (2024): eadd6371.
Fibrosis는 섬유증, 섬유화 등으로 번역되는 있는 질병입니다. Fibrosis는 일반적으로 물리적인 조직의 손상이나 과도한 염증반응의 결과로 일어나기 때문에 큰 범위에서 면역학에 포함되는 영역으로 볼 수 있습니다. 이번 논문은 신장에서 일어나는 Fibrosis를 결정짓는 스위치의 기능을 SOX9 유전자가 한다는 내용의 논문입니다. 논문의 내용을 소개하기 앞서 Fibrosis에 대해 먼저 소개를 하겠습니다.
<배경지식 소개: Fibrosis>
관련 분야의 연구자이거나 본인 혹은 주변에서 관련 질병을 앓고 있는 경우가 아니면 많은 분들께 Fibrosis가 생소할 수 있습니다. 저에게도 어느 정도는 그렇습니다. 그런데 Fibrosis라는 질병이 생소하다는 것 자체가 사실은 나와 내 주변 사람들이 해당 질병으로 힘들어하지 않는다는 의미이기도 하기 때문에 어떤 부분에서는 감사한 일입니다. 그럼에도 불구하고 Fibrosis는 현재도 진행형인 질병이고 안타깝게도 치료방법이 없다는 점에서 연구가 필요한 분야입니다.
Fibrosis는 염증 등으로 손상 입은 조직이 회복되는 과정에서 이전처럼 깔끔하게 회복되는 것이 아니라 과도한 섬유조직이 축적되고 이로 인해 본래의 기능을 상실하게 되는 것을 의미합니다. 예를 들어 아주 예쁜 가방이 찢어졌는데 본드를 덕지덕지 발라서 고쳐놓는다고 상상을 해봅니다. 생각만 해도 끔찍한 일입니다. 그런데 그러한 손상이 많아져서 본래 가방을 이루던 소재보다 본드의 양이 늘어나 마치 본드로 만든 가방이 된다면 그 가방은 더 이상 가방이 아닌 것이 됩니다. 이처럼 조직의 손상이 회복되는 과정에서 섬유조직이 본래 조직을 대체하게 되어 조직이 딱딱해지고 기능을 잃는 것이 섬유화입니다. 섬유화는 심장, 폐, 신장, 간, 소장 등 어디에서나 발생할 수 있습니다. 특히나 폐섬유화의 경우 숨을 쉴 수 없게 되기 때문에 아주 치명적입니다. 팬데믹 시기에 코로나 바이러스 감염 이후 폐섬유화가 일어나는 사례들이 보고된 바 있습니다. 폐결핵의 경우도 폐섬유화를 일으킬 수 있습니다. 또한 가습기 살균제로 인해 발생했던 폐섬유화의 경우처럼 독성물질에 의해서도 폐섬유화가 유도될 수 있습니다. 이러한 감염이나 독성물질뿐 아니라 원인을 알 수 없는 염증이 폐섬유화를 유도하는 경우도 있고, 이러한 질병을 특발성폐섬유증(Idiopathic pulmonary fibrosis, IPF)이라고 부릅니다. IPF는 고령이 될수록 발생률이 높고, 오늘날 인류의 수명이 많이 늘어날 결과 안타깝게도 IPF의 발병률이 올라가는 추세입니다.
염증성 자가면역질환인 크론병이나 궤양성대장염을 포함하는 Inflammatory bowel disease의 경우도 염증반응의 결과 장의 섬유화가 발생하고, 이로 인해 장의 통로가 좁아지는 협착이 발생하게 됩니다. 결국 수술로 해당 부위를 절제하는 것 말고는 이를 해결할 방법이 없습니다. 간에서도 섬유화가 발생할 수 있고, 이런 경우를 간경변이라고 하며, 결국 간의 기능손실로 이어집니다.
이번 논문에서 다루는 신장에서의 섬유화는 섬유화가 발생하는 장소가 신장이지만, 다른 섬유증과 마찬가지로 신장의 기능손실을 초래함으로써 만성신장질환 (Chronic kidney disease, CKD)을 일으킵니다. 섬유증은 발생하는 장소가 다양하지만, 현재로서는 이러한 섬유화에 대한 기전적인 이해가 부족하며, 딱히 치료 방법도 없습니다. IPF의 경우 Nintedanib과 Pirfenidone이라는 두 개의 약물이 Fibroblast를 억제하는 목적으로 사용되고 있지만, 병의 진행속도를 조금 낮출 뿐 근본적인 치료를 할 수는 없습니다.
<논문 소개>
이번 논문에서는 논문의 제목처럼 SOX9유전자가 신장에서의 섬유화 과정에 중요하다는 내용입니다. 논문에서는 해당연구를 위해 Ischemia-reperfusion injury라는 모델을 사용하고 있습니다. 해당 실험모델은 수술적으로 신장으로 가는 혈류를 차단했다가(Ischemia) 다시 흘려주는(Reperfusion) 과정을 거침으로써 신장에 손상을 일으킵니다. 그리고 이러한 신장의 손상은 만성신장질환을 유도하며, 그 과정에서 섬유화를 관찰할 수 있습니다.
논문의 서론에 의하면 연구진은 정상적으로 회복되는 조직과 섬유화가 발생하는 조직의 차이를 알고 싶었습니다. 해당 연구진은 이전에 SOX9 연구를 통해 Sox9의 활성도가 정상적이지 못한 조직 재생과 연관이 있음을 알게 되었습니다. 그리고 정상적으로 재생/회복되는 경우 SOX9의 활성이 낮아질 것이고 그렇지 못한 경우 SOX9의 활성도가 여전히 높을 것이라는 가설을 세우고, 이를 확인하기 위한 실험들을 수행하게 되었습니다.
연구진은 이러한 가설을 확인하기 위해 Fate-mapping이라는 실험적 기법을 사용합니다. 이는 면역학 연구에서 널리 사용되는 동물모델이기도 합니다. 간단히 말하자면 지금 내가 관찰하고 있는 세포가 이전에는 어떤 세포였는지를 확인하는 방법입니다. 해당 논문에서는 한 번 SOX9을 발현한 세포는 영구적으로 tdTomato 형광단백질을 발현하도록 하는 유전자변형쥐를 사용했습니다. 물론 이 과정은 Tamoxifen을 처리할 때 일어나도록 하였습니다. 이렇게 되면 이후에 SOX9의 발현이 떨어져도 여전히 tdTomato를 발현하게 되며 (그림 1), 손상을 준 이후 tdTomato를 발현하는 상피세포들(Proximal tubular epithelial cells) 중에서 현재도 SOX9을 높게 발현하는 세포와 그렇지 않은 세포를 비교해 봄으로써 SOX9 활성의 변화가 세포에 어떤 차이를 야기하는지를 분석한 것입니다.
잠깐 다른 이야기를 해보자면, 이러한 Fate-mapping은 면역학 연구에서 면역세포의 가소성 (Plasticity)을 연구하는데 유용하게 사용됩니다. 예를 들어 자가면역질환에서 Th17 cell이 다른 Helper T cell의 성질을 갖게 되어 IFNγ와 같은 Cytokine을 만든다는 사실을 밝히는데 이러한 Fate-mapping이 활용되었습니다 (PMID: 21278737).
그림 1. 논문에서 사용된 Fate-mapping의 원리
세포에서 SOX9이 발현되면 이로 인해 Cre-Ert2가 발현된다. Tamoxifen 주사를 통해 Cre가 실제적으로 작동하게 되면, Lox P로 표식 된 (Floxed) Stop codon sequence가 제거되면서 tdTomato 형광단백질이 영구적으로 발현되게 된다. 이로써 한 번 SOX9을 발현했던 세포는 영구적으로 tdTomato를 발현하게 된다. 이후 Sox9의 발현여부는 (tdTomato와 구분되는) 형광항체를 이용한 염색을 통해 확인할 수 있다. 따라서 형광항체에 의해 SOX9이 확인되지 않더라도 tdTomato를 발현한다면 이전에 발현되었던 SOX9을 현재는 발현하지 않는 것으로 볼 수 있다 (SOX9on-off).
논문에서는 신장에 손상을 주고 열흘 뒤에 tdTomato를 발현하지만 더 이상 Sox9을 발현하지 않는 세포 (SOX9on-off)와 여전히 SOX9을 발현하는 세포 (SOX9on-on)가 동시에 존재함을 확인했으며, SOX9on-on 세포들은 제대로 된 방향성을 가지고 결합조직에 붙지 못하고 (apical-basolateral polarity의 부재) 정상적인 재생을 일으키지 못하는 모습을 보였으며, 지속적인 SOX9의 활성으로 인한 WNT발현은 주변의 Fibroblast를 활성시켜 섬유화를 일으키는 과정으로 가게 된다는 것을 확인하였습니다 (그림 2).
그림 2. 해당 논문의 Graphic abstract.
SOX9의 활성에 따라 조직의 재생이 원활하게 이루어질지 섬유화가 발생할지가 결정된다.
SOX9on → SOX9on-off 상태는 정상적인 재생으로 이어지지만, SOX9on → SOX9on-on 상태는 상피세포의 극성 (Apical-basolateral polarity)이 회복되지 않은 채로 전구세포(Progenitor)와 같은 상태를 가지며, WNT를 만들어냄으로써 Fibrosis를 촉진한다.
이러한 결론을 얻기 위해 연구진은 Single-cell RNA sequencing 기법을 포함한 Next-generation sequencing (NGS) 기법들을 통한 유전체 분석을 했고, SOX9on-on 세포와 SOX9on-off 세포의 차이를 분석하여 SOX9on-on 세포는 Cadherin 6 (CDH6)의 발현이 높은 것을 알아내기도 하였습니다. 여기서 그치는 것이 아니라 신장을 이식받은 환자에게서 얻은 샘플을 분석하여 실제로 SOX9/CDH6 발현이 높은 세포들을 확인하였으며 SOX9의 높은 발현 유지가 Fibrosis와 상관관계가 있음을 확인하였습니다.
이러한 연구를 통해 저자들은 SOX9의 지속적인 발현이 Fibrosis를 촉진하는 결정적인 기전이라는 것을 밝혔습니다. 구체적인 실험과 기전은 논문을 직접 읽어보면서 확인하실 것을 추천드립니다.
<해당 연구의 중요성과 의미>
2021년에 폐섬유화에 SOX9 과발현이 영향을 준다는 내용이 발표된 적이 있습니다 (PMID: 34520400). 또한 논문의 서론에 나오듯이 해당 연구팀은 이전부터 Fibrosis와 SOX9을 연구했습니다. SOX9과 Fibrosis의 관계가 처음 발표된 것이 아니라는 점에서 혹자는 이번에 소개한 논문이 크게 새롭지 않다고 할 수도 있습니다. 그러나 해당 논문은 과학자들이라면 누구나 한 번은 논문을 게재하고 싶은 저널인 Science에서 발표되었습니다. 또한 이번에 소개한 논문과 유사한 내용이 며칠 차이로 2월 28일에 Science Translational Medicine에도 발표되었을 만큼 (PMID: 38416842), SOX9과 Fibrosis를 연구한 이 논문이 상당히 중요한 발견임을 이러한 지표들을 통해 간접적으로 알 수 있습니다.
해당 연구가 다른 연구들과 차별점을 두는 부분은 SOX9이라는 전사조절인자가 조직의 손상을 인지하고 회복을 가능하도록 조절하는 핵심적인 ‘스위치’라는 것을 밝혔음에 있습니다. 이를 확인하기 위해 Fate-mapping이라는 시스템을 활용했고, SOX9의 활성도가 올라갔다가 다시 꺼지는 정상적인 조직의 회복과정과 달리 SOX9이 지속적으로 오래 켜져 있을 경우 섬유화를 초래함을 동일한 쥐의 신장조직에서 보임으로써 SOX9의 기능이 Fibrosis의 발생 여부를 결정짓는 중요한 스위치라는 것을 밝힌 것입니다. 그리고 다양한 NGS 기법들을 사용해 SOX9on-on 상태에서의 전사체 조절을 분석함으로써 SOX9에 의해 조절되는 유전자들을 확인하였고, 이 과정에서 발현된 WNT가 Fibroblast를 활성화시켜 섬유화를 촉진함을 입증하였습니다. WNT의 주된 공급처가 SOX9on-on 세포임을 보이고, 이로 인해 SOX9on-on 세포와 인접한 곳에서 WNT에 의해 Fibrosis가 진행된다는 전체적인 기전을 증명한 것 자체가 상당히 의미 있는 발견입니다. 논문의 내용을 보면 저자들이 얼마나 많은 시간과 노력을 쏟아부었을지가 보일만큼 쉽지 않은 실험들을 진행하였습니다. 논문에서 가설을 증명하기 위해 어떤 실험들을 실행했는지를 보고 배우는 것만으로도 배울 게 많은 논문입니다.
다른 종류의 Fibrosis에서도 SOX9의 기능이 중요하다는 연구가 이전에도 있었습니다. 따라서 다른 종류의 Fibrosis에서도 SOX9이 동일하게 스위치로서의 역할을 가지며 동일한 기전으로 Fibrosis를 촉진하는지에 대한 연구가 앞으로 필요할 것으로 보입니다. 또한, 저자들이 Discussion에서 이야기하듯이 어떻게 조직 손상이 SOX9 활성을 일으키는지에 대한 정확한 기전 연구가 필요할 것으로 보입니다.
서두에서 소개했듯이 현재로서는 IPF에 사용되는 Nintedanib과 Pirfenidone을 제외하면 Fibrosis 치료에 사용되는 약이 없기 때문에 Fibrosis에 대한 지속적인 연구가 필요하며, Fibrosis 분야는 앞으로 제약 시장에서 성장 가능성이 높을 것으로 보이는 분야이기도합니다. 대부분의 다국적 제약회사들이 IPF 같은 Fibrosis에 대한 신약개발을 하고 있다는 점에서 Fibrosis에 대한 제약회사들의 관심도 높음을 알 수 있습니다. 따라서 이번에 소개한 근본적인 Fibrosis 발병 기전에 대한 연구는 신약 개발 과정에 있어서 필요한 중요한 발견입니다. 비록 해당 논문이 직접적인 타깃을 제시하지는 않지만, 이러한 노력들이 지속될 때 신약 개발을 위한 타깃을 발굴할 수 있을 것으로 기대합니다. 또한 이번 논문 소개를 통해 Fibrosis에 대한 독자분들의 이해 및 관심이 올라갔기를 바라봅니다.
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BRIC(ibric.org) Bio통신원(박은총) 등록일2024.04.04