Complement system 'Lectin/Classical/Alternative pathway’과 regulatory proteins

안녕하세요! 이 글에서 다루어볼 주제들은 다음과 같습니다.

항상 데일리 공부 파트에 그랫듯이, 지금부터는 지독한 줄글이 이어지니 글에 주의 부탁드립니다!

(개인 공부 기록이 우선이다 보니 그렇다는 점 이해 부탁드립니다!)

 

 

1. Complement system

면역학의 화학적 방어기전에 속하는 complement system에 대해 알아보겠습니다.

 

Complement System(보체계)란 self(자기)와 nonself(비자기)를 구분하고 이들의 패턴을 인식해서 개시되는 시스템을 뜻하고 다음과 같은 특징을 가집니다.

-      C3 convertase 가 중요하며, 이를 시작으로 여러 cascade에 의해 신호가 증폭(amplification)됩니다.

-      Amplification은 ‘여러 확인 단계를 거쳐서 반응이 일어난다’와 ‘효율적으로 빠르게 선천면역을 유도할 수 있다’는 의미가 있습니다.

-      Complement system은 ‘염증(inflammation)’, ‘Phagocytosis’, ‘미생물 직접 공격(membrane attack)’ 이렇게 세 가지 메커니즘으로 외부 침입 미생물을 제거합니다.

 

 

1-1) Complement system의 3가지 ‘pathway-Lectin/Classical/Alternative pathway’

-      Lectin/Classical pathway는 component C4, C2를 공통으로 사용하지만 수용체가 다릅니다.

       Alternative pathway는 다른 component들을 사용합니다.

-      결과적으로 C3 convertase(C3으로부터 C3a, C3를 만들어 내는 효소)를 활성화시킵니다.

-      사용되는 단백질들이 zymogen(전구체 상태, cleavage를 통해 활성화)으로 존재합니다.

-      세 pathway의 공통점은 C3 활성화입니다.

-      C3으로부터 만들어진 C3a, C3b는 ‘inflammation을 유도’하고 ‘Phagocytosis를 통해 미생물을 잘라서 제거’하고,

       ‘박테리아의 표면에 구멍을 내어 제거’합니다.

-      Membrane attack의 경우 C5 convertase라는 component가 C5를 C5a와 C5b로 나누고 C5가 구멍을 만듭니다.

-      즉, C3가 system의 앞뒤를 연결하는 주요 component입니다.

 

 

1-2) C3의 구조  

구성요소

-      a chain, B chain

-      disulfide bond 2개

-      TED(Thioester-containing domain) 존재-> C3 convertase가 인식하고 자르는 부위

 

C3 convertase에 의해 C3a, C3b(더 큼)의 두 개의 subunit들로 나누어집니다.

이후 C3b는 미생물의 표면/pathogen에 달라붙습니다.

달라붙지 않은 C3b는 가수분해되어 inactive한 형태가 됩니다.

면역반응이 유도될 수 있기 때문에 빠르게 제거하는 메커니즘이 있습니다.

 

1-3) C3 and C5 convertases of complement pathways

C3/C5 convertase는 종류가 다양하고, 주요 pathway마다 조금씩 다른 convertase를 활용합니다.

앞에서 언급했던 것처럼 Lectin/Classical pathway는 비슷한 component를 이용하기 때문에 같은 convertase를 사용하며, Alternative pathway만 다른 convertase를 사용합니다.

 

 

2. Lectin pathway

MBL/Ficolin: 대표적인 PRR, lectin pathway 시작하는 trigger 입니다.

-      PRR monomer가 모여 pentamer를 이루며 사이사이에 MASP(MBL-associated serine protease)-1/2/3이라는

       효소들이 껴서 복합체를 이룹니다.

-      Ficolin도 마찬가지로 MASP-1,2 가 사용됩니다.

-      미생물 표면의 PAMP를 인식해서 이런 복합체가 형성되면 MASP2가 활성화되며, 이는 protease로 작용해서

       C4, C2를 각각 a, b 두 개의 subunit로 자릅니다.

       이때 잘려진 C4b와 C2a가 합쳐져서 만들어진 C4b2a는 그 자체로 C3 convertase 역할을 한다.

-      C4b2a는 1개당 1000개 정도의 C3를 자를 수 있습니다. 그 결과 신호가 증폭됩니다!

 

 

3. Classical pathway

 

Classical pathway에서도 거의 동일한 구조(Leptin pathway에서의 복합체와 비슷한)의 복합체가 사용됩니다.

단백질 C1r, C1s, C1q로 구성되며, C1r과 C1s가 protease로 작용합니다.

이후 C4와 C2의 convertase로 작용해서 C3a, C3b로 만듭니다.

 

C1은 classical pathway의 특이적인 component입니다.

C1q는 PAMP를 인식하고 C1r과 C1s가 protease로 작용하는데, C4와 C2를 자라는 건 C1s입니다.

 

 

4. Alternative pathway

Alternative pathway의 진행을 위해서는 앞의 두 pathway에서 만들어진 C3b가 필요합니다.

1)    C3b에 factor B가 binding합니다.

2)    Factor D가 binding하면서 factor B를 Ba와 Bb로 나눕니다.

3)    C3b와 Bb가 만나서 C3bBb를 만들어내고, 이는 C3 convertase로 작용합니다.

4)    C3bBb의 작용으로 만들어진 C3b들이 또 다시 위 과정을 반복합니다.

 

Alternative pathway를 안정시킬 수 있는 메커니즘도 존재합니다.

Factor P(=properdin): C3bBb(C3 convertase)를 안정시켜 미생물 표면에서 훨씬 더 많은 C3b가 만들어집니다.

이를 통해 훨씬 더 많은 신호를 축적시켜 염증 반응을 더 쉽게 이끌어 낼 수 있습니다.

 

C3로 C3b를 만들고, factor B, D는 alternative pathway의 요소고, factor P는 안정화를 통해 pathway가 더 잘 돌아가게 하는 요소입니다.

 

 

5. C3 이후의 complement system

 

5-1) C5

complementary system의 작용 방식 중에 세 번째로 박테리아에 직접적으로 구멍을 뚫는 메커니즘이 있으며, 그때 가장 중요한 Complement component는 C5입니다.

C5가 C5a, C5b로 나뉜 후에 C5b가 pore형성에 중요한 역할을 하는데, C3처럼 C5를 잘라주는 convertase가 존재합니다.

C4b2a(classical), C3bBb(alternative)에 c3b가 하나씩 붙은 component C4b2a3b, C3b2Bb가 convertase로 작용합니다. Alternative의 경우 c3b가 두 개가 있는 형태입니다.

C5 convertase도 lectin/classical pathway는 동일하고 alternative pathway만 다릅니다.

 

C3는 phagocytosis를 유도할 수 있다고 앞에서 살펴봤었는데, phagocytosis는 다음과 같은 과정을 가집니다.

1)    박테리아에 C3b가 코팅됩니다.

2)    C3b를 인식할 수 있는 receptor는 주로 박테리아를 phagocytosis할 수 있는 세포에 발달합니다.

       (ex. Macrophage에 CR1이 발현됨)

3)    C5a가 macrophage를 활성화하면 macrophage가 C3b를 인지해서 phagocytosis를 일으킵니다.

 

이 과정을 opsonization이라 하고, 이는 phagocytosis의 하위 개념입니다.

 

CR1과 같은 receptor는 innate immune response, 특히 opsonization/phagocytosis를 할 수 있는 면역 세포들의 marker로도 사용됩니다.

특이하게 CR2는 b cell, FDC(주로 b cell)에서 발현됩니다.

C5a도 신호전달을 통해 면역반응을 boosting하는 등 역할을 합니다.

 

 

5-2) C5b

앞에서 C4, C2로 C3를 만들고, C3가 C5 convertase를 만들고 마지막으로 C5b가 만들어지는 것을 배웠습니다.

여기에 C6, C7, C8, C9 등 추가적인 complement를 포함해 bacteria killing을 합니다.

그래서 C5-9를 terminal complement component라고 합니다.

1>   C5b가 만들어지면 membrane attack system을 만들어 C6가 C5에 붙고 C7 acceptor를 만듭니다.

2>   C7은 C5b6에 붙고 C5b67은 membrane에 결합합니다.

3>   C8 C5b67에 붙습니다. C9는 C5b678에 붙으며 pore를 형성합니다.

 

이 과정에서 가장 중요한 건 C9으로, pore를 형성할 때 C5b가 핵과 같은 역할을 해 C5b67 complex를 만들고 C8의 도움을 받아 C9을 붙여 나갑니다. Pore가 형성된 박테리아는 integrity를 잃고 죽습니다.

 

6. Complement-regulatory proteins

 

6-1 Complement system을 조절하는 인자들

 DAF, MCP, Factor H, CR1은 가장 대표적인 regulatory protein이며, CR1은 cell marker로도 사용됩니다.

 

 

6-2) Regulatory mechanism

1) C1INH(C1 inhibitor)는 복합체를 이루고 있는 protease(C1r, C1s)에 binding해서 C1q 사이로 끼어들어가지 못하게 막습니다. 이로 인해 전체적인 classical pathway가 저해됩니다.

2) DAF와 C4BP, CR1 등 membrane에 binding돼 있던 regulator들은 C3 convertase(C4b2a)에서 C2a를 떼어내고 C4b와 binding 하면서 C4b를 C4c와 C4d로 나눠버리는 방식으로 pathway를 저해합니다.

3) C5 convertase도 pathway에 따라 두 가지가 존재하는데 ‘C4b2a3b(classical)은 CR1’, ‘C3b2Bb(alternative)는 factor H’가 작용해 C5 convertase가 만들어지지 않습니다.

4) Protectin이라고 불리는 단백질 CD59는 C9를 recruit하는 과정을 방해합니다.

이에 따라 pore를 형성하는 메커니즘이 저해됩니다.

 

이런 regulation을 이용해 박테리아들은 증식에 유리한 환경을 만들기도 합니다.

대표적인 예로 Staphylococcus aureus의 protein A가 있습니다.

Classical pathway에서 antibody를 C1q가 인식해서 pathway가 진행됩니다.

Protein A는 antibody의 fc region에 binding하여 C1q의 경쟁적 저해제로 작용해 C1 activation을 막습니다.