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C. Bordet은 세균에 대한 항혈청 (anti-bacterial antiserum)과 세균을 섞어주었을 때, 항혈청이 세균을 용해하는 것을 확인하였다. 그러나, 같은 항혈청을 56도로 열처리한 다음에 세균과 반응시켰을 때에는 그러한 반응이 나타나지 않는 것을 확인하였다. 일반적으로 항체는 비교적 열에 안정하기 때문에, 이러한 현상은 항체에 의하여 나타나는 것이 아니라, 열에 불안정한 어떤 성분에 의해 일어난다고 생각하였다. 그 후, 그는 이러한 작용을 나타내는 물질들이 혈청에 있는 어떤 단백질임을 확인하였으며, 이들을 항체의 기능을 보충하여 세균 (항원)을 파괴한다고 하여 보체 (complement)라고 불렀다. 그 후, 보체는 기능적으로 연관성이 있는 여러 가지 단백질의 집단임이 확인되었다. 그러나, 보체 단백질들은 단순히 항체의 기능만을 도와주는 것이 아니라, 스스로도 세포의 분해 (cytolysis), 식균작용 증진 (opsonization), 염증반응 (inflammation)의 활성화 및 면역복합체 (immune complexes)의 제거 등과 같은 여러 가지 작용을 나타내는 것으로 확인되었다.
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보체계를 구성하는 보체 단백질들은 대부분 간세포 (hepatocyte)에 의하여 만들어지며, 대부분 활성이 없는 전구단백질 (zymogen, 전효소) 상태로 혈액에 존재한다. 그러나 항원이 들어오게 되면 보체의 작용이 나타나기 시작하는 데, 이는 활성이 없는 보체의 전구 단백질 (전효소)들이 항원에 의하여 연쇄적으로 활성화된 효소로 전환되기 때문이다. 보체의 활성화과정은 단백질 분해효소 (proteolytic enzyme)의 작용으로 나타나는 데, 이는 보체를 억제하는 부분을 분해해 버려 활성을 가진 부분을 드러나게 만들기 때문이다. 이러한 보체의 활성화과정은 단계적으로 연쇄반응으로 나타나기 때문에 이를 보체활성화의 단계과정 (complement activation cascade)이라고 부른다. 이들 단백질 분해효소들은 활성화 부위 (active site)에 아미노산 serine을 가지고 있어서 일반적으로 serine esterase 또는 serine protease라고도 부른다. 보체계를 구성하는 보체 단백질은 일반적으로 C1에서 C9으로 표시하거나, 일부의 경우는 factor D 등과 같이 영문 대문자로 표시하기도 한다. 보체가 분해되어 얻어진 조각은 보체 단백질의 이름 뒤에 a나 b 등을 붙여서 표기하는데, 일반적으로 작은 조각은 a로 큰 조각은 b로 표시한다. 예를 들어 C3가 분해되어 만들어지는 단백질은 C3a와 C3b로 표시한다. 일반적으로 분해된 단백질 중 큰 것은 근처에 있는 세균이나 숙주 세포의 표면에 결합하며, 작은 조각은 확산되어 염증반응을 유도하기도 한다. 또한 보체 단백질 조각들은 서로 모여서 복합체를 이루며, 새로운 기능을 나타내기도 한다. 이들 단백질 조각의 복합체들은 활성을 나타내기 때문에 일반적으로 보체 이름 위에 선을 그어서 활성화된 상태를 표시하기도 한다. 지금까지 보체의 활성화 과정은 세 가지의 경로를 통하여 활성화되는 것으로 확인되었다. 먼저 발견된 보체 활성화과정은 고전경로 (classical pathway)에 의한 보체의 활성화라고 부르며, 이 과정은 항원항체복합체 (antigen-antibody complex)에 의하여 나타나는 것으로 알려져 있다. 이 과정은 항체에 의하여 그 반응이 시작되고 그 결과 항원이 제거되므로, 체액성 면역반응에서 항원을 제거하는 중요한 작용기전 (effector mechanism)의 하나가 된다. 이 과정은 또한 항체에 의해 시작되므로 자연면역반응이 아니라 특이적 면역반응의 한 과정으로 간주도기도 한다. 또 다른 보체 활성화 과정은 대체경로 (대체경로, alternative pathway)라고 불리는 과정으로서, 항체와 관계없이 미생물의 특별한 표면구조에 의해 활성화되는 과정이다. 이 과정은 미생물의 종류에 상관없이 유도되어 미생물을 파괴하는 과정으로 자연면역의 하나가 된다. 최근에는 lectin pathway라는 활성화 과정이 보고되었으며, 이는 여러 가지 면에서 고전경로와 유사한 것으로 알려져 있다. 보체가 활성화되면 보체에 의하여 세균과 같은 미생물이 파괴되어 미생물이 제거된다 (lysis). 보체가 활성화되는 과정 동안 얻어지는 여러 가지의 단백질들은 세균과 같은 미생물이 보다 쉽게 숙주의 면역세포에 의하여 제거되도록 만들 수도 있고 (opsonization), 또한 염증반응을 촉진할 수 있으며 (activation of inflammation), 항원-항체 복합체가 제거되도록 만들 수도 있다 (clearance of immune complex). 또한, 보체활성화 과정동안 생성된 다양한 보체 단백질들은 숙주세포에 결합하여 숙주세포가 면역반응을 받게 할 수도 있다 (그림 1). 그러므로 보체의 활성화는 언제나 잘 조절되어 적절한 장소에서 적절한 형태로 나타나야만 한다. 이를 위하여 많은 종류의 보체활성화 조절단백질들이 혈액 중에 만들어지기도 하며, 세포 표면에도 비정상적인 보체의 작용을 막을 수 있는 표면 단백질들이 만들어져, 보체의 활성화를 적절하게 조절하고 있다.
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지금까지 세 가지의 보체의 활성화 과정이 알려져 있다 (그림 2). 이들은 각각 고전경로, 대체경로, 렉틴경로라고 불리는 과정으로, 이들 과정은 보체 활성화의 초기단계인 C3 convertase (전환효소)라는 효소를 활성화시키는 과정만이 서로 다르고, 그 이후의 과정은 서로 같다. 이들 보체활성화 과정은 결국 보체의 할성화 결과 membrane attack complex (MAC)라는 구조를 세균의 세포벽에 형성하여 세균이 파괴되도록 만드는 것이다 .
1) 고전경로 (the classical pathway) 고전경로에 의한 보체의 활성화는 체액성 면역반응의 주요한 작용기전 (effector mechanism)이 된다. 항체는 항원과 결합하여 항원의 작용만을 방해할 뿐이며, 효소의 작용이 없어서 스스로 항원을 없애는 기능은 가지고 있지 않다. 그러므로, 항원을 제거하기 위하여는 항체가 다른 종류의 반응을 유도하여야 하는 데, 그 중 하나가 보체의 활성화가 된다. antigen-antibody complex가 만들어지면, 이들은 혈청속의 C1 단백질과 반응하여 C1을 활성화시키며, 이 활성화된 C1에 의해 C2, C4, C3가 연쇄적으로 활성화된다 (그림 3, 표1). 활성화된 C3에 의하여 다시 C5 , C6, C7, C8, C9이 활성화되어 세균의 표면에 MAC을 형성하게 되며, 그 결과 세균이 죽게되고 항원이 사라지게 되는 것이다.
C1과 Ag-Ab complex와의 결합을 살펴보면, C1은 C1q, C1r, C1s 세가지 단백질이 모여서 이루어진 복합체이며, 이중 C1q의 머리 부분이 IgM과 IgG의 두 개 이상의 Fc 지역과 결합하여 그 활성화가 시작되기 때문에, 항원과 결합된 항체만이 보체와 결합하여 보체를 활성화한다 (그림 4). C1이 항원-항체 복합체와 결합하여 보체가 없어지는 것을 보체고정 (complement fixation)이라고 부른다. C1q가 antigen이 결합된 항체에 결합하면 C1 단백질의 구조적인 변화가 유도되고, 결과적으로 C1r이 활성화되어 자신을 C1r bar로 분해하여 활성화시킨다. C1r bar는 다시 C1s를 C1s bar로 분해하여 활성화시키고, 활성화된 C1s bar가 C4와 C2를 분해하게 된다 (그림 3). C1s bar는 먼저 C4를 C4a와 C4b로 분해하는 데, C4b는 thioester group을 가지고 있어서 화학 반응성이 높기 때문에 쉽게 물과 반응하여 불활성화 (iC4b) 되기도 하며, 근처에 있는 항원 (bacterial cell surface)에 결합하여 보체활성화를 계속하며, 세균이 보체에 의하여 파괴되도록 만들 수 있다 (그림 5). 이 membrane에 결합된 C4b에 C2가 결합되고, 다시 C1s bar에 의해 C2가 C2b와 C2a로 분해되면 이 중 C2a는 C4b와 같이 항원과 결합되어 C4b2a complex를 형성한다. 세균표면에 결합된 C4b2a complex는 classical pathway의 C3 convertase의 활성을 가지게되어 혈액중의 C3를 C3b로 분해한다. 이 C3b도 C4b와 마찬가지로 반응성이 높은 thioester group을 가지고 있어서 쉽게 다른 분자들과 화학반응을 한다 (그림 5). C3b는 세균 표면에 결합된 C4b2a complex에 결합되어, C4b2a3b complex를 형성하며, 이것이 고전경로의 C5 convertase의 작용을 나타내어 C5를 C5a와 C5b로 분해하게 된다 (그림 5). 일부의 C3b는 C4b2a와 결합하지 않고, 면역복합체 (immune complex)나 항원에 결합하여 이들이 제거되도록 할 수도 있으며, 독립적으로 세포막에 결합할 수도 있다.
2) 대체 경로 (the alternative pathway) 이 과정은 antigen-antibody complex의 형성과는 상관없이, 미생물들이 가지고 있는 세포표면의 당 구조에 의하여 활성화가 시작된다 (그림 6). 이 과정은 먼저 혈액 중에 소량 존재하는 C3b가 미생물의 표면에 결합됨으로서 유도되는 데, 이 C3b는 혈액중의 factor B와 결합하게되며, 이들은 factor D에 의해 C3bBb와 Ba로 분해된다 (표 2). C3bBb는 불안정하나properidine에 의해 안정화되어 대체경로의 C3 convertase가 되어, 보다 많은 C3b를 만들어내는 증폭과정 (amplification phase)에 들어간다. 그 결과 보다 많은 C3 convertase가 생성되며, 생성된 C3 convertase와 C3b는 미생물의 세포 표면에 결합하여 C3bBb3b complex를 형성하게된다. 이것이 대체경로의 C5 convertase의 작용을 나타내어, 고전경로에서처럼 C5를 C5a와 C5b로 분해하게 된다.
3) 렉틴 경로 (the lectin pathway) 렉틴 경로는 최근에 밝혀진 보체 활성화 경로이다. 렉틴은 탄수화물과 결합하는 단백질을 말하는 데, mannose binding lectin 단백질 (MBL)이 세균의 표면에 있는 당단백질이나 탄수화물의 mannose에 결합함으로서 활성화 과정이 시작된다. MBL은 acute phase protein (급성기단백질)의 일종으로 염증반응동안 생산된다. 렉틴경로도 항원-항체 복합체가 관여하지 않는 다는 점에서는 대체경로와 유사하다. 그러나 렉틴경로는 C4와 C2를 통하여 C3 convertase와 C5 convertase를 활성화한다는 점에서는 고전경로와도 유사하다. MBL은 세균의 표면과 결합하면 MBL-associated serine protease (MASP)가 결합하게 되고, 이 MSAP는 C1과 유사한 활성을 나타내어 C4와 C2를 활성화하여 보체활성화 과정이 시작된다 (그림 2).
4) 막공격복합체의 형성 (the membarne attack complex) 고전경로, 대체경로, 또는 렉틴경로를 통하여 활성화된 C5 convertase는 모두 같은 형태의 membrane attack complex (MAC)의 형성을 유도한다 (그림 7). C5 단백질은 C5 convertase의 C3b에 결합하여 C5a와 C5b로 분해된다. C5a 조각은 확산되어 이동하며, C5b 조각은 근처에 세포 표면에 결합한다. 세포 표면에 결합된 C5b에 C6, 7, 8, 9 단백질들이 연쇄적으로 결합하도록 유도하며, 이들이 모여서 세포에 구멍을 형성하게 된다 (표 3). 이러한 구조를 막공격복합체 (MAC)라고 부르며, 세균의 표면에 형성된 MAC 때문에 세균은 삼투압을 견디지 못하고 분해되어 죽게된다 (complement mediated lysis).
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보체는 세포에 MAC을 형성하여 직접적으로 세포를 분해하는 것 이외에도 (complement mediated lysis), 보체의 활성화 과정동안에 만들어진 보체 단백질 조각들에 의하여 다양한 기능이 나타난다. 보체가 활성화되는 과정 동안 얻어지는 여러 가지의 단백질들은 세균과 같은 미생물이 보다 쉽게 숙주의 면역세포에 의하여 제거되도록 만들 수도 있고 (opsonization), 또한 염증반응을 촉진할 수 있으며 (activation of inflammation), 항원-항체 복합체가 제거되도록 만들 수도 있다 (clearance of immune complex) (그림 1, 표4). 이러한 보체의 다양한 기능들은 보체활성화 과정에 만들어진 보체 단백질의 조각들이 다양한 세포에 발현되고 있는 보체수용체에 결합함으로서 나타나는 것이다 (표 5). 보체수용체는 보체의 기능에도 중요하지만, 보체의 작용을 조절하는 데에도 중요하다. complement receptor type 1 (CR1, C3b receptor, CD35)은 opsonin receptor라고 불리기도 하는 데, 이들은 적혈구 세포 표면에 발현되어 면역복합체 (immune complex)의 청소에 관여하며, 보체 활성화의 조절에도 중요하게 작용한다. complement receptor type 2 (CR2, C3d receptor, CD21)는 B cell등에 발현되며, 체액성 면역반응에 중요하게 작용하는 것으로 추정된다. 특히 이 수용체는 Epstein-Barr virus의 수용체 역할을 하여 이들 바이러스가 B cell에 감염되도록 허용한다. complement receptor type 3 (CR3, iC3b receptor, MAC-1, CD11bCD18)는 iC3b가 결합된 미생물의 수용체로 작용하여 iC3b가 결합된 미생물들이 식균작용에 의하여 쉽게 제거되도록 해주는 역할을 한다. complement receptor type 4 (CR4, p150,95, CD11cCD18)는 CR3와 유사한 작용을 가진 것으로 추정된다. 그 외에도 C3a, C4a, C5a,d 등과 결합하는 수용체들도 확인되었다.
1) 보체 매개성 용해 (complement mediated lysis) 이 작용은 보체가 미생물의 표면에 결합하여 미생물의 세포벽에 구멍을 만들어 죽이는 과정을 말한다. 보체의 활성화 과정에 생성된 C3b나 C5b와 같은 단백질은 세포에 결합하여, MAC의 형성을 유도할 수 있다. 대체경로에서와 같이 이 반응은 항체와는 상관없이 진행될 수 있으므로 미생물 감염에 대한 주요한 자연면역 반응이 된다. 일반적으로 그람음성세균은 보체에 의하여 잘 죽으나, 그람양성세균은 비교적 저항성을 띄는 것으로 알려져 있다 (그림 8). 특히 그람양성 세균의 캡슐은 C3b가 결합하는 것을 방해하는 것으로 알려져 있으며, 일부의 미생물들은 보체 활성화를 억제해 줄 수 있는 다양한 종류의 조절방법들을 갖추고 있는 경우도 있다 (표 6). 또한, 보체활성화 과정은 항체에 의해서도 일어날 수 있으므로, 종종 자가항체 (autoantibody)에 의해 유도될 수 있으며 결과적으로 자신의 조직을 파괴하는 한 방법이 되기도 한다.
2) 식균작용 증진 (opsonization) 대식세포나 다형핵백혈구 (PMN)등은 식균작용이 있어서 침입한 세균 등을 잡아먹는 세포들이다. 보체의 활성화 과정동안에는 C3b나 iC3b등과 같은 단백질들이 만들어질 수 있으며 이들은 스스로 미생물의 표면에 결합할 수가 있다 (opsonin). 또한 대식세포나 PMN에는 이들 보체 단백질에 대한 수용체가 있어서, 이들 보체 단백질이 결합된 미생물을 보다 쉽게 인식하여 잡아먹을 수 있다 (그림 9). 그 결과 침입한 미생물에 대한 식균작용이 증가되어, 보다 쉽게 미생물을 제거할 수 있게되는 데, 이러한 현상을 식균작용증진 (opsonization)이라고 한다.
3) 염증반응의 유도 보체의 활성화 과정동안에는 C3a, C4a, C5a와 같은 작은 보체 단백질의 조각 (small complement fragment)들은 anaphylatoxin이라고 불린다. 이들 작은 보체 조각들은 mast cells이나 basophil에 결합되어 이들 세포를 활성화시킴으로서, 이들 세포가 histamine과 같은 vasoactive mediator를 만들어내게 하여, 염증반응이 진행되도록 한다 (그림 1). 이들 생리활성물질들은 펼활근을 수축하고 혈관의 투과성을 증가시켜 염증반응이 나타나도록 유도한다.
4) 면역복합체의 청소 (clearance of immune complex) 항원이 침입하게되면 항체가 만들어지고, 그 결과 항체가 항원에 결합하여 항원-항체 복합체 (immune complex)를 형성하게 된다. 항체는 그 자체로서는 항원을 분해하는 작용이 없기 때문에 스스로 항원을 제거할 수는 없지만, 정상적인 경우에는 다른 세포나 보체등에 의하여 항원이 청소되게 된다. 그러나 항원의 침입이 너무 지속적이거나 과다할 경우는 항원-항체 복합체가 혈액 중에 지속적으로 존재할 수도 있다. 만일 이들 복합체가 혈관벽 등에 침착되게 되면 보체를 활성화하여 혈관벽에 염증반응을 유도할 수 있다. 보체 활성화 중에 만들어진 C3b는 항원-항체 복합체에 결합할 수가 있으며, 이들 항원-항체 복합체와 결합된 C3b는 적혈구에 있는 C3b 수용체에 결합되어 항원이 적혈구와 결합되도록 만든다. 이와 같이 하여 항원-항체 복합체가 결합된 적혈구들은 간이나 비장에서 대식세포에 의해 분해되면서 항원-항체 복합체도 같이 분해되게 만들어, 항원의 청소에 중요한 역할을 한다 (그림 10).
5) 바이러스 감염의 중화 (viral neutralization) 레트로바이러스, 풍진바이러스 등을 포함하는 일부의 바이러스들은 대체경로나 렉틴경로를 통하여 보체를 활성화할 수 있으며, 대부분의 바이러스에 항체가 결합되면 고전경로가 활성화 될 수도 있다. 이 과정동안 활성화된 C3b는 바이러스의 표면에 결합할 수 있으며, 바이러스의 커다란 덩어리 (aggregate)를 만들어 바이러스 입자의 수를 감소시킬 수 있으며, 바이러스의 감염을 방해할 수도 있다. 또한 C3b에 코팅된 바이러스에 대한 식균작용을 증가시키기도 한다.
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보체가 숙주세포에 결합하여 그곳에서 활성화 되면 숙주세포를 죽일 수도 있다. 또한 보체가 마구 활성화되면, 그 과정에 만들어진 여러 가지 단백질 조각들로 인하여 염증반응이 유도되어 숙주에 나쁘게 작용할 수도 있다. 이러한 불리한 현상을 막기 위하여, 일반적으로 보체의 작용은 평소에는 zymogen으로 존재하다가 필요한 경우만 활성화되는 방법 (controlled activation)으로 조절되고 있다. 그러나, 보체의 선택적인 활성화에 의한 조절이외에도 보체의 활동을 조절할 수 있는 다른 여러 가지의 조절 단백질 (regulatory proteins)들이 발견되었으며, 이들은 보체가 필요 없는 곳이나 자신의 조직과 세포에서 활성화되는 것을 막아주거나 활성화된 보체의 분해를 촉진하여 보체의 작용을 조절하기도 한다 (표 7)
C1 inhibitor는 C1의 분해를 억제하여, 항원-항체 복합체에 의한 보체의 활성화를 막을 수 있으므로, 과다한 보체의 활성화를 억제해 준다 (그림 11). C1 inhibitor이외에도 여러 가지 방법으로 C3 convertase의 형성을 막음으로서 보체의 활성화를 억제할 수 있다. 예를 들어 C4 binding protein (C4bp)이나 type 1 complement receptor (CR1)는 생성된 C4b에 결합하여 C2와 C4b의 결합을 방해할 수가 있다. 숙주의 세포막에 있는 decay accelerating factor (DAF)도 C2와 C4b의 결합을 방해할 수가 있으며, factor I protein과 membrane cofactor protein (MCP)은 C4b의 분해를 촉진하여 보체가 숙주세포에서 활성화 되는 것을 막아줌으로서 보체에 의한 숙주세포 파괴를 방지할 수 있다 (그림 11, 12). alternative pathway에서 factor H, CR1, DAF등의 단백질은 factor B와 C3b의 결합을 방해하여 보체의 활성화를 막아주며, Factor I는 보체 단백질을 분해하여 보체의 활성화를 막아준다. 항원이 없는 숙주세포에 MAC의 형성에 관련된 C5등의 단백질이 결합하게 되면 숙주세포도 파괴될 수 있으므로 이들 단백질의 결합을 조절할 수 있어야 한다. 숙주 세포 표면에 있는 homologous restriction factor (HRF)와 CD59은 C7, C8과 C5b6의 결합을 방해하여 MAC의 형성을 막을 수 있다. 또한 혈액 중에 있는 S protein (vitronectin)은 C5b,6,7에 결합하여 MAC의 형성을 방해하며, SP-40 protein은 MAC을 세포막으로부터 유리하여 MAC의 형성을 방해한다. | |
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보체 단백질의 유전적 문제는 보체의 과다한 활성화나 보체 활성의 결핍으로 나타날 수 있으며, 결과적으로 숙주에 여러 가지 문제를 유발할 수 있다. 또한 미생물의 지속감염이나 자가면역증 등으로 인하여 보체가 비정상적으로 활성화되어 질병이 유도되기도 한다.
1) 보체 결핍증 보체활성 초기 단계의 단백질이 결핍되면 여러 가지 화농성 감염증 (pyogenic infection)에 걸리기 쉬우며, immune complex disease의 발생가능성도 높아진다. MAC 형성에 관여하는 보체 단백질의 결핍도 여러 가지 세균 감염증을 유도할 수도 있다. 또한 비정상적인 보체의 활성화를 막아주는 regulatory protein의 결핍도 심각한 문제가 될 수 있다. C1 inhibitor 단백질의 결핍은 hereditary angioneurotic edema를 유발하며, 적혈구 표면의 membrane protein regulator의 결핍은 paroximal nocturnal hemoglobulinuria를 유도할 수 있다.
2) 비정상적인 보체 활성화에 따른 질병의 유도 비정상적인 complement activation도 질병을 일으키는 하나의 요인이 될 수 있다. 보체 활성화 과정에 생성된 단백질들에 의해 normal tissue의 파괴가 일어날 수도 있으며, immune complex가 제대로 청소되지 않아 특정한 조직에서 anaphylaxis response를 유도하여 염증반응이 유도될 수도 있다. |
