생화학분자생물학회

염증성 프로그램된 세포사멸경로 : PANoptosis

  

1. 서론

세포사멸은 원핵 세포에서부터 진핵 세포에 걸쳐 보존된 현상으로 물리적 손상에 대한 대응 과정이나 병원체에 대한 대응 뿐만 아니라 정상적인 발달 과정에서도 일어난다. 수십 년에 걸친 연구 결과들을 통해 우리는 세포사멸 조절 과정을 크게 "프로그램된" 세포사멸과 "우발적" 괴사로 분류하여 개념적으로 발전시켜 왔다. 그리고 이러한 세포사멸 경로 중 Apoptosis, Necroptosis, 그리고 Pyroptosis는 유전적으로 가장 잘 정의되어 있으며 항상성과 질병 모두에 복잡하게 관여되어 있음을 알게 되었다(1). 특히 이 3가지 세포사멸 경로는 면역 체계에서 미생물 감염 및 기타 세포 스트레스 요인에 대한 반응으로 활성화되는 것으로 알려져 있다. 그런데 2020년 세인트 주드 아동 연구 병원(St. Jude Children's Research Hospital)의 Kanneganti 그룹에서 처음으로 Pyroptosis, Apoptosis 및 Necroptosis 이 세 경로가 항상 분리되어 작동하는 것이 아니며 서로 연결되어 있다고 설명하면서 새로운 염증성 프로그램된 세포사멸 경로인 PANoptosis를 제안하였다 (2). Kanneganti 그룹은 특정 한가지 세포사멸 경로만으로는 설명할 수 없는 Pyroptosis, Apoptosis 또는 Necroptosis의 주요 특징을 가진 PANoptosome 복합체에 의해 조절되는 염증성 프로그램된 세포사멸 경로로 정의되는 PANoptosis의 개념을 새로이 정립하였고 최근 많은 다른 연구진들에 의해 다양한 질병에서 PANoptosis 세포사멸이 보고되고 있다. 

분자적으로, Apoptosis는 초기 caspase인 CASP8, CASP9과 실행 caspase인 CASP3, CASP7의 활성화에 의해 진행된다. Pyroptosis는 염증성 caspase인 CASP1, CASP11(마우스) 또는 CASP4/5(인간)에 의한 gasdermin D(GSDMD)의 활성화에 의해 진행된다. 활성화된 Gasdermin은 세포막에 기공을 형성하여 세포사멸이 일어나게 만든다. Necroptosis는 receptor-interacting protein kinase 1 (RIPK1) 와 RIPK3 신호에 의해 안산화된 mixed lineage kinase domain-like pseudokinase (MLKL)이 세포막에 기공을 형성하여 세포사멸을 진행한다. 이 세 가지 형태의 세포사멸에서 진행되는 신호 경로는 독립적으로 간주되어 왔지만 세 가지 경로 간의 crosstalk이 있다는 보고가 이어지고 있다. 실제로 인플루엔자 A 바이러스 감염이나 특정 사이토카인에 의한 활성화 조건에서 세 가지 세포사멸 경로 모두의 바이오마커 단백질의 활성화가 관찰되기에 PANoptosis라는 개념이 떠오르게 된 것이다(3, 4). PANoptosis는 다양한 바이러스, 박테리아 및 곰팡이 병원체에 의한 감염 뿐만 아니라 자가염증성 질환, 사이토카인 폭풍 및 암에서 관찰되고 있고, 특히 최근 들어PANoptosis의 특성이 사이토카인 폭풍을 분자적으로 이해하는데 핵심으로 다가오고 있다(3). 

이에 이 리포트에서는 pyroptosis, apoptosis 및 necroptosis 세포사멸 경로의 유전적 정의를 살펴보고 PANoptosis의 출현과 PANoptosome 복합체의 분자 구성 및 활성화를 살펴보고자 한다. 그리고 감염성, 자가염증성 및 기타 질병에서 PANoptosime의 연관성을 소개하고자 한다. 

2. 본론

2-1. Apoptosis, Pyroptosis, Necroptosis의 이해

PANoptosis 세포사멸을 알아보기 이전에 간단하게 Apoptosis, Pyroptosis, Necroptosis 세포사멸에 대해 설명하고자 한다. Apoptosis는 세 가지 세포사멸 중 가장 처음으로 기술된 세포사멸이며 1972년에 형태학적으로 특징이 알려졌다(5). Apoptosis는 intrinsic 경로 및 extrinsic 경로를 통해 진행된다. Intrinsic 경로에서 미토콘드리아 손상 또는 파괴와 연결되는데, 이것은 미토콘드리아 외막의 투과를 유도하여 cytochrome C를 방출한다. 방출된 cytochrome C는 APAF1에 의해 감지되며, APAF1은 CASP9과 결합하여 apoptosome을 형성한다(6). 이 복합체는 CASP9과 CASP3를 차례로 활성화시키고 intrinsic 경로의 apoptosis 세포사멸이 일어나게 된다. Extrinsic 경로의 apoptosis의 경우 Fas 및 TNF-α 수용체(TNFR)의 결합을 통해 시작된다. 이 수용체의 하류에 있는 첫 번째 pro-apoptotic 신호전달 분자는 FADD 및 CASP8이다(7). Death domain (DD)간의 상호작용은 CASP8을 불러와 활성화시키고, 활성화된 CASP8이 CASP3 및 CASP7을 절단하여 활성화시킴으로써 extrinsic 경로의 apoptosis 세포사멸이 일어난다(8). (그림 1)

CASP1에 의한 세포사멸은 1998년 Shigella에 감염된 대식세포가 CASP1 의존적으로 세포사멸이 일어나는 것을 통해 처음 발견되었다(9). CASP1은 일반적으로 센서 단백질, 어댑터 단백질 ASC 및 CASP1을 포함하는 복합체인 inflammasome에 의해 활성화된다(10). Inflammasome의 센서 단백질은 일반적으로 CARD 도메인(예를 들면 NLRC4, NLRP1b)이나 PYD 도메인(예를 들면 NLRP3, AIM2, Pyrin)을 가지고 있으며 inflammasome 형성을 시작하는데 중요한 역할을 한다. 어댑터 단백질 ASC는 PYD와 CARD를 모두 포함하고 상호작용을 통하여 센서 단백질과 CASP1 절단 및 활성화를 유도한다. CASP1 단백분해 절단 및 활성화는 염증성 사이토카인 pro-IL-1β 및 pro-IL-18을 절단하여 활성화된 형태로 변환시키고, GSDMD에 의한 세포막 기공 형성을 유도하여 pyroptosis 세포사멸을 일으킨다. 따라서 pyroptosis 세포사멸은 inflammasome이 매개하며IL-1β 및 IL-18을 포함한 사이토카인의 방출을 동반하는 특징을 가진다(11). 

"necroptosis"라는 용어는 2005년 RIPK1을 표적으로 하는 necroptosis 억제제인 necrostatin-1의 개발과 함께 처음 제안되었다(12). TNF-α에 의한 necroptosis에서 RIPK1과 RIPK3의 kinase 활성은 세포사멸에 필수적이며, RIPK1과 RIPK3는 상호작용하여 RIP RHIM(homotypic interaction motifs)을 통해 necrosome을 형성한다(13). 또한 Toll-like receptors (TLRs)는 RIPK1 kinase 활성과 무관한 RIPK3 및 MLKL 인산화를 통해 necroptosis를 시작할 수도 있다(14). necroptosis의 발병은 일반적으로 caspase, 특히 CASP8의 억제와 관련이 있기 때문에, necroptosis는 caspase 활성화를 중단시키는 발암성 돌연변이가 있는 경우에도 세포 사멸이 발생할 수 있도록 하는 "안전한" 메커니즘으로 생각되기도 한다(15).

 그림 1. 프로그램된 세포 사멸의 타임라인과 특징

2-2. PANoptosis의 출현 

세 가지 세포사멸 경로가 밝혀진 이 후 이들 세포사멸 경로 간의 crosstalk은 많은 연구자들을 통해 보고 되어 왔고 이는 다이나믹한 분자 상호 작용 네트워크가 존재한다고 이해되어 왔다. 하지만 이 중에는 특정 트리거에 의해 활성화되고 각각의 세포사멸 경로만으로는 설명할 수 없는 pyroptosis, apoptosis 및 necroptosis의 분자적 특성을 골고루 가진 독특한 염증성 세포사멸이 발견되었고, PANoptosis 개념이 이때 처음 등장하게 되었다. 2016년 Z-DNA-binding protein 1 (ZBP1, 센서 단백질)이 인프루엔자 A 바이러스(IAV)의 센서이자 IAV 감염 중 세포사멸의 마스터 조절자라는 것이 확인되면서 PANoptosis가 처음 알려졌다(4). IAV에 감염된 대식세포는 pyroptosis, apoptosis 및 necroptosis의 필수 단백질인 CASP1, CASP8, CASP3의 활성화 및 MLKL 인산화를 특징으로 하는 PANoptotic 세포사멸을 보여주었다. 여기서 하나의 세포사멸 경로만 막는다고 해서 PANoptotic 세포사멸은 억제되지 않았고, 가장 상위단계인 ZBP1을 없앴을 때만 세포사멸을 완전히 억제할 수 있었다. 후속 연구에서 ZBP1이 IAV 감염 동안 RIPK3에 의한 세포사멸을 유도한다는 사실이 밝혀졌고, 결과적으로 RIPK3 및 CASP8이 모여 PANoptosome을 형성하면서 PANoptosis가 일어난다(16, 17) (그림 2). 매년 계절성 독감 발병은 IAV 변종에 의해 발생하지만, 초병원성 변종은 산발적으로 나타나며 전 세계적으로 약 5천만 명이 사망한 1918년 스페인 독감과 같은 치명적인 전염병으로 번질 수도 있다 (18). 스페인 독감을 그토록 치명적으로 만들게 된 데는 바이러스에 대한 숙주의 급격한 염증반응이라 할 수 있는 “사이토카인 폭풍”이 그 원인이라 할 수 있는데, 사이토카인 폭풍이 일어나면 심각한 폐 조직 손상 및 사망을 초래하게 된다. 그 동안은 NLRP3 inflammasome이 IAV 감염 동안 폐 염증을 조절하는 주요 방어기전으로 알려져 왔으나 NLRP3는 IAV에 의한 세포사멸에는 관여하지 않았다(19). 하지만 IAV 감염에서 ZBP1에 의한 염증성 세포사멸인 PANoptosis가 일어난다는 사실이 알려지면서 독감으로 유발되는 사이토카인 폭풍의 연결고리를 이해할 수 있게 되었다. 

그림 2. 인플루엔자 바이러스(IAV) 감염에 대한 반응으로 ZBP1에 의한 PANoptosome이 활성화되고 pyroptosis, apoptosis 및 necroptosis를 유발

2-3. PANoptosome 구성 요소의 상호 작용 네트워크 : 많은 "X-somes"와 PANoptosome

 많은 단백질 복합체가 역사적으로 알려져 있고 이것들이 세포사멸과 생존에 중요한 것으로 밝혀져 왔다. 전형적인 inflammasome은 NLRP3, NLRP1, NLRC4, AIM2 또는 Pyrin과 같은 센서 단백질과 어댑터 단백질 ASC 및 CASP1로 구성되고 이러한 단백질은 PYD-PYD 또는 CARD-CARD 상호작용을 통해 조립된다(20). Intrinsic apoptosis는 apoptosome 복합체를 형성하는데, APAF1이 미토콘드리아로부터 시토크롬 C의 방출을 감지하고 CARD 도메인을 통해 CASP9와의 상호작용을 개시할 때 apoptosome이 형성된다. extrinsic apoptosis 경로에서는 death-inducing signaling complex (DISC) 복합체를 형성이나 ripoptosome복합체를 형성한다. DISC는 DD를 포함하는 사멸 수용체(예: Fas)와 DD를 포함하는 어댑터 단백질(예: FADD)이 상호작용하는 사멸 수용체 결합에 의해 조립된다. 또 ripoptosome은 CASP8, FADD 및 RIPK1 등의 핵심 구성원을 포함하지만 이 복합체는 유전독성 스트레스와 같은 별개의 유발인자에 대한 반응으로 형성된다고 알려져 있다. Necroptosis는 necrosome 복합체가 형성되어 유도되는데, 이것은 RIPK3이 RHIM-RHIM 상호작용을 통해 RIPK1에 의해 모집되고 CASP8 활성이 억제될 때 형성된다(21). 흥미롭게도 이러한 사망 유발 복합체들은 CASP8, FADD 및 RIPK1과 같은 핵심 단백질들을 공유하고 있다. Riptosome과 necrosome의 구성요소가 겹치는 것 외에도 inflammasome 활성화는 많은 경우 CASP8이나 FADD가 관여하고 있다. 그렇기 때문에 PANoptosome을 형성하는데에는 이러한 단백질들의 상호작용 네트워크가 관여되어 있다고 짐작할 수 있다. 

 앞서 PANoptosis의 출현에서 살펴보았듯이 IAV 감염동안 ZBP1 PANoptosome 복합체 형성은 ZBP1과 RIPK1이 특정 자극에 대한 반응으로 일어나며 RHIM, DD, DED, PYD 및 CARD 도메인들의 동형/이형 상호작용으로 형성된다. RIPK3를 이용한 면역 침전 실험에서 ZBP1, CASP8, NLRP3, RIPK1가 모두 함께 침전되는 것을 보면 RIPK3가 PANoptosome의 골격을 형성하고 있다고 여겨진다. 

 ZBP1 PANoptosome 외에도 최근 연구에서 RHIM 도메인을 가지고 있는 다른 단백질을 중심으로 한 PANoptosome 형성에 힌트를 찾을 수 있다. RIPK1을 중심으로 한 복합체 PANoptosome 형성은 Yersinia 감염시 형성되는 것으로 보고 되고 있다(22). 또, TRIF 단백질도 RHIM 도메인을 가지고 있는데, TRIF는 TLR3 활성화와 caspase 억제시 RIPK3와 상호작용을 통해 세포사멸을 매개한다. TRIF 신호 전달("TRIFosome"이라고 함)에 의해 유발되는 FADD, RIPK1 및 CASP8을 포함하는 세포 사멸 복합체가 보고되고 있다(23). 이러한 근거들은 TRIF가 PANoptosome 형성에 참여할 가능성을 제기해 준다. 

2-4. 질병에서의 PANoptosis 세포사멸

SARS-CoV, SARS-CoV-2 및 MERS-CoV(중동 호흡기 증후군 코로나바이러스)는 감염 시 사이토카인의 과도한 생성으로 생명을 위협하는 사이토카인 폭풍을 일으켜 환자를 사망케 만든다. 그런데 최근 연구 결과에서 PANoptosis가 중증 COVID-19 환자의 염증 반응에서 역할을 하고 있음을 보여주었다. 전염증성 사이토카인인 TNF-α와 IFN-γ를 동시 투여하면 PANoptosis 세포사멸을 일으켜 사이토카인 폭풍이 일어나 마우스의 사망률을 증가시켰으며, 병리적 양상 역시 중증 COVID-19와 유사하였다. 또한 PANoptosome 구성 요소 RIPK3 및 caspase-8이 결핍된 마우스는 TNF-α 및 IFN-γ로 인한 사망률이 현저히 떨어졌다. 여기서 JAK/STAT1/IRF1 신호 경로가 조절에 중요한 것으로 확인되었으며, Irf1 또는 Stat1를 없애 이 신호 전달 경로를 방해하면 TNF-α- 및 IFN-γ 유도 세포사멸이 억제됨을 밝혔다. (그림 3)

자가염증성 질환에서도 PANoptosis 세포사멸의 관련성이 관찰된다. Pstpip2(Pstpip2cmo)에 돌연변이가 있는 마우스는 자연적으로 자가면역 질환의 병리가 관찰되는데, IL-1β의 과다 생산에 의해 유발되고 inflammasome 활성화 및 세포 사멸을 특징으로 하는 골수성 골 염증을 발생시킨다(24). 그러나 이 마우스에서 pyroptotic 분자 만을 없앤다고 자가면역질환을 제어할 수 없고, CASP1, RIPK3, CASP8을 함께 없앨 때 (Pstpip2cmoCasp1−/−Ripk3−/−Casp8−/−) 제어가 가능했다. 이런 결과에서와 같이 어떤 돌연변이에서 PANoptosome 복합체 제어가 망가지고 자가면역질환을 유도하는지 이해한다면 PANoptosis에 의한 자가면역질환을 제어할 수 있을 것이다. 

염증 상태에서 일반적으로 부정적인 역할을 하는 것과 달리 PANoptosis는 암과 관련하여 유익할 수도 있다. PANoptosis를 이용해 암세포를 죽일 가능성이 있고, 이 경로 활성화를 치료적으로 이용할 수 있을 것이기 때문이다. 참고로, vaccinia 바이러스 및 수포성 구내염 바이러스(VSV)와 같은 oncolytic 바이러스는 PANoptosis의 잠재적인 유도인자이다(25). VSV는 IAV 감염과 비슷하게 동일한 PANoptosis 세포사멸을 활성화시킨다. 그러므로 이러한 인자들을 활용하여 세포사멸에 결함이 있는 암세포에 PANoptosis를 활성화시켜 암세포를 죽이는 치료제 개발도 기대할 수 있겠다. 

 그림 3. SARS-CoV-2 바이러스에 의한 염증성 세포사멸(PANoptosis)과 사이토카인 폭풍의 과정 

3. 결론

PANoptosome은 PANoptosis의 염증 세포사멸 경로를 형성하기 위해 pyroptosis, apoptosis 및 necroptosis를 포함한 세포사멸 양식에 관여할 수 있는 플랫폼 중 하나이다. 이러한 다양한 신호 경로를 사용하는 것은 PANoptosome이 미생물 감염에 대한 보호를 위해 강력한 염증성 세포사멸을 유도하면서 항상성을 조절하기 위한 방법일 것으로 추측된다. 앞에서 살펴보았듯이 PANoptosome 복합체를 구성하는 많은 단백질들이 염증, 감염, 신경 퇴행성 질환과 암을 포함한 질병에 관여되어 있다. 그러므로 PANoptosome 복합체의 메커니즘 이해를 좀 더 정확히 할 수 있다면 염증 및 면역 반응의 치료 조절을 위한 PANoptosis 표적 억제제 및 활성화제 개발과 관련 질병 치료에 도움이 될 수 있을 것이다. 

4. 참고문헌

1. Kesavardhana S, Malireddi RKS and Kanneganti TD (2020) Caspases in Cell Death, Inflammation, and Pyroptosis. Annu Rev Immunol 38, 567-595

2. Samir P, Malireddi RKS and Kanneganti TD (2020) The PANoptosome: A Deadly Protein Complex Driving Pyroptosis, Apoptosis, and Necroptosis (PANoptosis). Front Cell Infect Microbiol 10, 238

3. Karki R, Sharma BR, Tuladhar S et al (2021) Synergism of TNF-alpha and IFN-gamma Triggers Inflammatory Cell Death, Tissue Damage, and Mortality in SARS-CoV-2 Infection and Cytokine Shock Syndromes. Cell 184, 149-168 e117

4. Kuriakose T, Man SM, Malireddi RK et al (2016) ZBP1/DAI is an innate sensor of influenza virus triggering the NLRP3 inflammasome and programmed cell death pathways. Sci Immunol 1

5. Kerr JF, Wyllie AH and Currie AR (1972) Apoptosis: a basic biological phenomenon with wide-ranging implications in tissue kinetics. Br J Cancer 26, 239-257

6. Zou H, Henzel WJ, Liu X, Lutschg A and Wang X (1997) Apaf-1, a human protein homologous to C. elegans CED-4, participates in cytochrome c-dependent activation of caspase-3. Cell 90, 405-413

7. Chinnaiyan AM, O'Rourke K, Tewari M and Dixit VM (1995) FADD, a novel death domain-containing protein, interacts with the death domain of Fas and initiates apoptosis. Cell 81, 505-512

8. Boldin MP, Goncharov TM, Goltsev YV and Wallach D (1996) Involvement of MACH, a novel MORT1/FADD-interacting protease, in Fas/APO-1- and TNF receptor-induced cell death. Cell 85, 803-815

9. Hilbi H, Moss JE, Hersh D et al (1998) Shigella-induced apoptosis is dependent on caspase-1 which binds to IpaB. J Biol Chem 273, 32895-32900

10. Martinon F, Burns K and Tschopp J (2002) The inflammasome: a molecular platform triggering activation of inflammatory caspases and processing of proIL-beta. Mol Cell 10, 417-426

11. Shi J, Zhao Y, Wang K et al (2015) Cleavage of GSDMD by inflammatory caspases determines pyroptotic cell death. Nature 526, 660-665

12. Degterev A, Huang Z, Boyce M et al (2005) Chemical inhibitor of nonapoptotic cell death with therapeutic potential for ischemic brain injury. Nat Chem Biol 1, 112-119

13. He S, Wang L, Miao L et al (2009) Receptor interacting protein kinase-3 determines cellular necrotic response to TNF-alpha. Cell 137, 1100-1111

14. Kaiser WJ, Sridharan H, Huang C et al (2013) Toll-like receptor 3-mediated necrosis via TRIF, RIP3, and MLKL. J Biol Chem 288, 31268-31279

15. Gong Y, Fan Z, Luo G et al (2019) The role of necroptosis in cancer biology and therapy. Mol Cancer 18, 100

16. Kesavardhana S, Kuriakose T, Guy CS et al (2017) ZBP1/DAI ubiquitination and sensing of influenza vRNPs activate programmed cell death. J Exp Med 214, 2217-2229

17. Thapa RJ, Ingram JP, Ragan KB et al (2016) DAI Senses Influenza A Virus Genomic RNA and Activates RIPK3-Dependent Cell Death. Cell Host Microbe 20, 674-681

18. Johnson NP and Mueller J (2002) Updating the accounts: global mortality of the 1918-1920 "Spanish" influenza pandemic. Bull Hist Med 76, 105-115

19. Thomas PG, Dash P, Aldridge JR, Jr. et al (2009) The intracellular sensor NLRP3 mediates key innate and healing responses to influenza A virus via the regulation of caspase-1. Immunity 30, 566-575

20. Malik A and Kanneganti TD (2017) Inflammasome activation and assembly at a glance. J Cell Sci 130, 3955-3963

21. Vanden Berghe T, Hassannia B and Vandenabeele P (2016) An outline of necrosome triggers. Cell Mol Life Sci 73, 2137-2152

22. Malireddi RKS, Kesavardhana S, Karki R, Kancharana B, Burton AR and Kanneganti TD (2020) RIPK1 Distinctly Regulates Yersinia-Induced Inflammatory Cell Death, PANoptosis. Immunohorizons 4, 789-796

23. Muendlein HI, Connolly WM, Magri Z et al (2021) ZBP1 promotes LPS-induced cell death and IL-1beta release via RHIM-mediated interactions with RIPK1. Nat Commun 12, 86

24. Lukens JR, Gurung P, Vogel P et al (2014) Dietary modulation of the microbiome affects autoinflammatory disease. Nature 516, 246-249

25. Christgen S, Zheng M, Kesavardhana S et al (2020) Identification of the PANoptosome: A Molecular Platform Triggering Pyroptosis, Apoptosis, and Necroptosis (PANoptosis). Front Cell Infect Microbiol 10, 237