생화학분자생물학회

염증 반응에 의해 유도되는 폐포 2형 세포 유래의 전구 세포 DATP (Damaged-Associated Transient Progenitor)에 의한 폐 재생 과정에 관한 연구

Inflammatory Signals Induce AT2 Cell-Derived Damage-Associated Transient Progenitors that Mediate Alveolar Regeneration
Cell Stem Cell 27 (Issue 3): 366-382, 2020
최진욱 jc990@cam.ac.uk
Wellcome-MRC Cambridge Stem Cell Institute, University of Cambridge

연구배경

상피 조직의 항상성 유지와 조직 손상에 따른 조직의 재생 과정은 성체 줄기세포 (Adult Stem Cell)의 기능에 의해서 조절 된다 (1, 2). 특히 폐 조직은 외부와 접하고 있는 구조적 특성 때문에 공기나 혈관을 통한 pathogen, chemical에 의해서 계속적인 손상을 받고 있다. 따라서, 조직의 효과적인 재생 과정은 산소 교환을 위한 폐의 기능을 유지하는데 있어서 아주 중요하다. 특히 이번 코로나 바이러스 감염 병에 의한 세계적 유행에서도 알 수 있듯 폐 조직은 바이러스에 의한 1차적 공격의 대상 임은 물론, 많은 사람들의 가슴을 아프게 했던 가습기 살균제에 의한 폐 섬유화 (Pulmonary Fibrosis)등 폐 조직의 손상은 우리의 일상 과도 밀접하게 연관되어 있다. 산소 교환의 기능을 하는 중요한 단위 조직인 폐포는 두가지의 세포 종류에 의해서 유지되고 있다(3). 폐포 제 1형 세포 (Alveolar type 1, AT1 cell)는 혈관과 직접 접촉하여 산소와 이산화탄소 교환을 하는 중요한 기능을 담당하고 있다. 그리고, 폐포 제 2형 세포 (Alveolar type 2, AT2 cell)는 폐 표면활성제 단백질 (Surfactant protein)을 분비함으로서 폐포의 표면 장력 (Surface tension)을 유지하는 역할을 담당하고 있다. 하지만, AT1세포는 얇은 구조로 인하여 조직 손상에 취약한 특징을 가지고 있다. 이전 연구결과에 따르면 폐 조직의 손상, 특히 AT1 세포의 손상에 대하여 AT2 세포가 줄기세포로 역할을 하여 스스로 분열하고 AT1 세포를 만들어 내는 과정을 통해서 폐의 산소 교환을 위한 기능을 회복하는 것으로 알려져 있다 (4-6). 하지만, 폐 재생 과정의 분자적 세포적 기작에 대한 연구는 부족하였다. 따라서 본 연구 (7)는 다음과 같은 질문에 대한 해답을 구하고자 하였다. 1) 어떻게 AT2 세포가 조직 손상 (damage)을 인지하고 정지상태 (quiescence state)에서 깨어나 활성화(activation)되는가? 2) AT2 세포가 AT1 세포로 분화해 나가는 과정에서 어떠한 다양한 세포 상태 (cell state) 를 거쳐 분화되며, 이때 분자적 세포학적 조절 과정이 어떻게 되는가? 3) 이러한 과정들이 만성 폐 질환, 특히 폐 섬유화 (Pulmonary fibrosis) 질병과 어떤 관련성을 가지는가?

연구결과

1. 조직 손상 이후 폐 재생 과정 중AT2 세포의 분화 과정 관찰

폐 손상 이후 조직 재생 과정 중AT2 세포를 추적 관찰하기 위하여 AT2 세포를 염색한 후 세포의 변화 양상을 추적관찰 할 수 있는 (Lineage-tracing) 생쥐 모델 (Sftpc-CreERT2;Rosa-TdTomato mice) 을 이용하였다. 이 생쥐 모델에 Bleomycin chemical을 이용하여 폐 상피 조직의 손상을 유도한 후 재생 과정 동안의 변화를 단일 세포 전사체 분석 (Single-cell RNA-sequencing) 방법을 통하여 관찰 하였다 (그림 1). AT2 세포는 항상성 유지에 특이적인 유전자의 발현을 낮아지며, 특히 AT2 세포의 기능과 특성을 담당하는 유전자의 발현을 현저히 잃어버리게 됨을 관찰하였다. 그리고, AT1 세포로 분화되기 전 지금까지 알려지지 않았던 새로운 세포로 분화되는 것을 확인하였다. DATP (Damage-Associated Transient Progenitor)로 명명한 이 세포는 AT2, AT1 세포 특이적 유전자 발현을 보이지 않았으며, Cldn4, Krt8 유전자와 같은 유전자를 높게 발현하는 것을 관찰하였다. 또한, p53 신호 전달 관련 유전자 (Trp53, Mdm2, Ccnd1), 세포 증식 억제 관련 유전자 (p21, p27), 저산소증 (hypoxia)관련 유전자 (Hif1a, Ndrg1), 그리고 인터페론 감마 신호 전달 관련 유전자 (Ifngr1, Sca-1, Irf7, Cxcl16)의 발현이 특이적으로 높은 특징을 보였다.

Figure 1. 폐 손상 후 재생 과정 동안 AT2세포의 분화 양상 관찰

2. 간질 대식세포 (Interstitial Macrophage) 특이적 IL-1β 에 의한 AT2 세포의 분화 조절

폐 조직에는 두가지 종류의 대식세포가 존재한다 (8). 조직 소상이 없는 경우 폐포 대식세포 (Alveolar macrophage)가 다수를 차지하고 있다. 하지만, 폐 조직 손상 이후 간질 대식세포 (Interstitial Macrophage)의 수가 증가하고, 이 세포들은 특이적으로 염증성 사이토카인의 한 종류인 IL-1β 를 특이적으로 높게 발현함을 관찰하였다. 오가노이드 (Organoids) 실험을 이용하여 간질 대식 세포를 AT2 세포와 함께 키우거나 혹은 IL-1β를 AT2 세포에 처리하였을 때 AT2세포의 분열의 증가와 오가노이드 형성의 효율 및 크기가 증가함을 관찰하였다. 그리고, 단일 전사체 분석 (Single-cell RNA-sequencing) 을 통하여 IL-1β에 의해서 AT2 세포가 DATP세포로의 분화를 거쳐서 AT1 세포로 성숙됨을 관찰하였다 (그림 2). 그리고, IL-1β 수용체인 Il1r1 유전자를 AT2 세포에 특이적으로 겹필된 생쥐에서 세포 손상 이후 AT1세포의 생성이 현저히 감소하였고, 따라서 폐 조직의 재생이 정상적으로 일어나지 않음을 확인하였다. 이러한 연구 결과는 염증성 사이토카인 IL-1β가 AT2세포의 분화를 조절하고 폐포 재생에 중요한 역할을 한다는 것을 보여준다.

Figure 2. IL-1β 신호에 의한 AT2세포의 분화 조절

3. AT1 세포의 분화에 있어서DATP 세포의 기능 연구 및DATP 세포 분화에 있어서Hif1a 신호 전달 기능의 연구

앞선 단일 세포 전사체 분석방법을 통하여 확인된 DATP 세포가 AT1세포의 분화에 있어서 중요한 전구세포 (Progenitor)로서 기능을 하는 지를 살펴 보았다. 이를 위하여 DATP세포를 염색한 하고 분화 과정을 추적할 수 있는 (Lineage-tracing) 생쥐 모델 (Ndrg1-CreERT2;Rosa-TdTomato mice) 을 이용하였다. 세포 손상 이후 생성된 DATP 세포는 조직 재생 과정에서 AT1 세포로 분화되는 것을 확인하였다. 또한, Hif1a 유전자가 결핍 혹은 기능의 저하를 유도한 결과AT2 세포가 DATP 세포로의 분화가 문제가 발생하였고, 결국 AT1 세포의 생성이 되지 않음을 생쥐 모델과 오가노이드 실험을 통하여 관찰하였다 (그림 3). 이를 통하여 DATP 세포는 AT1을 만들어내는 중요한 전구 세포의 기능을 가지며, Hif1a 유전자에 의한 신호 전달이 DATP세포의 생성에 중요한 역할을 하는 것을 확인하였다.

Figure 3. Hif1a에 의한 DATP세포의 생성과 AT1세포 분화

4. 만성 염증에 의한 폐 조직 손상에 있어서 DATP 세포의 기능 연구

폐 조직 손상 이후 증가했던 간질 대식세포의 수와 IL-1β 사이토카인은 조직 재생 과정 중 완화됨을 보인다. 하지만 IL-1β의 계속 된 처리로 인하여 만성 염증 (Chronic inflammation)이 유도된 오가노이드 실험을 통하여 DATP세포에서 AT1 세포로의 분화가 억제되고, 비 정상적인 DATP세포의 축적 (Accumulation)을 확인하였다. 특이적으로 만성 염증 폐 질환 환자의 조직 세포 관찰을 통하여 정상 조직에서 관찰되지 않는DATP 세포의 비 정상적 축적이 특발성 폐 섬유증 (Idiopathic Pulmonary Fibrosis; IPF) 환자 조직에서 확인되었다 (그림 4). 따라서, 만성 염증반응에 의해서 DATP 라는 세포의 상태에 멈춰 있게 된 경우 AT1 세포로의 분화에 문제가 생기고, 이는 정상적 폐 조직의 재생에 문제를 가져오며 결국은 만성 폐 질환으로 일어날 가능성이 크다는 것을 보여준다.

Figure 4. 특발성 폐섬유화 (IPF) 환자에게서 보이는 비정상적 DATP세포의 축적

연구의 성과 및 의의

본 연구는 현재까지 알려지지 않은 폐 조직의 재생과정에 있어서 대식세포의 기능과IL-1β를 통한 줄기세포의 분화 조절, 그리고 AT1 세포의 생성에 전구세포 기능을 하는DATP세포를 단일 세포 전사체 분석 방법과 오가노이드 실험을 통하여 규명하였다 (그림 5). 특히, 만성 염증에 의해서 DATP세포에서 AT1세포로의 분화 과정 문제로 인하여 비정상적 DATP세포의 축적이 만성 염증성 폐 질환인 특발성 폐 섬유증의 원인이 될 수 있음을 찾아 내었다. 이는 폐 질환은 결국 정상적인 폐 재생 과정의 문제로 인하여 야기됨을 보여주며, DATP 세포를 동정함으로서 이 세포를 AT1세포로 분화시키는 분자적 세포적 메커니즘 동정을 통하여 폐 질환을 치료할 수 있는 새로운 개념을 제공한 것으로 생각이 된다. 또한, 계속된 IL-1β에 의해서 유도된 만성 염증 반응은 DATP세포에서 AT1 세포로의 분화 과정의 문제를 야기함을 보이고, 이것이 특발성 폐 섬유증과 연관이 있음을 밝힘으로서 폐 섬유화증을 근본적이고 직접적으로 제어할 수 있는 새로운 약제의 개발과 치료 기술의 실용화로 보건 복지의 향상에 크게 기여를 할 것으로 생각된다. 또한 본 연구에서 DATP세포의 과도한 축적을 폐암 환자 조직에서도 발견함으로서, 이러한 폐 조직의 재생 과정의 문제는 다양한 폐 질환의 원인이 될 수 있음을 시사해 준다. 결국 본 연구는 DATP세포의 기능과 조절 연구를 통하여 폐암을 포함한 다양한 만성 염증성 폐 질환을 치료할 수 있는 가능성을 보여 줌으로서 그 파급효과가 클 것으로 기대된다

Figure 5. 폐 조직 재생 과정에 있어서 IL-1β 신호에 의한 AT2세포의 분화 과정

참고문헌

1. Li L and Clevers H (2010) Coexistence of quiescent and active adult stem cells in mammals. Science 327, 542-545
2. Wagers AJ and Weissman IL (2004) Plasticity of adult stem cells. Cell 116, 639-648
3. Kotton DN and Morrisey EE (2014) Lung regeneration: mechanisms, applications and emerging stem cell populations. Nat Med 20, 822-832
4. Hogan BL, Barkauskas CE, Chapman HA et al (2014) Repair and regeneration of the respiratory system: complexity, plasticity, and mechanisms of lung stem cell function. Cell Stem Cell 15, 123-138
5. Adamson IY and Bowden DH (1974) The type 2 cell as progenitor of alveolar epithelial regeneration. A cytodynamic study in mice after exposure to oxygen. Lab Invest 30, 35-42
6. Rock JR, Barkauskas CE, Cronce MJ et al (2011) Multiple stromal populations contribute to pulmonary fibrosis without evidence for epithelial to mesenchymal transition. Proc Natl Acad Sci U S A 108, E1475-1483
7. Choi J, Park JE, Tsagkogeorga G et al (2020) Inflammatory Signals Induce AT2 Cell-Derived Damage-Associated Transient Progenitors that Mediate Alveolar Regeneration. Cell Stem Cell
8. Misharin AV, Morales-Nebreda L, Reyfman PA et al (2017) Monocyte-derived alveolar macrophages drive lung fibrosis and persist in the lung over the life span. J Exp Med 214, 2387-2404