[내재면역] "미생물의 포식자, 호중구: 강력한 내부방어로 건강을 수호하다"

 

호중구의 식균작용 -출처:나무위키

1. 학습 목표

호중구의 미생물 포식 메커니즘 및 방어 기능을 이해하고, 호중구의 생리학적 역할과 관련된 중요한 용어와 과정을 파악하는 것입니다.

 

2. 핵심 내용

1. 호중구는 대식세포와 유사한 메커니즘으로 미생물을 포식하며, 미생물에 대한 공격 범위와 항미생물 무기가 다양하게 저장합니다.
2. 미생물을 잡아먹은 후 호중구는 분해효소와 독성물질을 활용하여 신속한 죽음으로 이끕니다.
3. 호중구의 과립 구성, pH 조절, 호흡돌발 등의 생리적 과정이 미생물 포식에 기여하며, 성숙 과정에서 만성육아종증과의 연관성이 나타냅니다.

3. 본문 내용

“호중구는 병원체에게는 강력한 살해자 역할을 하고 계획된 죽음을 맞이한다.”

호중구는 대식세포가 사용하는 메커니즘과 유사하게, 미생물을 포식하는 데 참여합니다. 호중구는 보체고정으로 옵소닌화된 병원체 및 미생물 생산물을 인지할 수 있는 다양한 식세포 수용체를 통해 효과적으로 식세포작용을 수행합니다. 호중구가 잡아먹는 응고성 물질의 범위는 대식세포가 공격하는 것보다 넓으며 또한 그 과립에 저장하고 있는 항미생물 물질도 매우 다양합니다. 성숙한 호중구는 일찍 죽도록 예정되어 있기 때문에 오래 사는 대식세포보다 더 많은 자원을 항미생물 무기를 저장하고 내보내는 역할을 합니다.

 

호중구는 병원체를 잡아먹은 직후, 분해효소와 다양한 독성물질을 활용하여 병원체를 신속히 죽음에 이르게 합니다. 최근에 잡힌 미생물이 들어있는 포식소체는 미리 만들어진 두 종류의 호중구과립, 즉 아주르친화(azurophilic) 또는 1차(primary) 과립과 특이(specific) 또는 2차(secondary) 과립과 융합합니다. 아주르친화 과립은 미생물을 파괴하고 소화할 수 있는 단백질과 펩티드로 가득 차 있습니다. 여기에는 리소자임, 디펜신, 골수과산화효소, 카텝신 G, 엘라스틴분해효소, 그리고 단백질분해효소 3와 같은 중성 단백질효소, LPS와 결합하여 그람음성 박테리아를 효과적으로 죽이는 항미생물/투과촉진 단백질이 포함되어 있습니다. 과립에 같이 있는 이 단백질과 펩티드는 프로테오글리칸 황산염으로 음전하를 띤 기질입니다. 이 기질과 과립내부의 산성이 합해져서 그 안에 있는 무기는 필요할 때까지 안정한 불활성 형태로 격리되어 있습니다.

 

특이과립은 불포화된 락토페린을 가지고 있는데, 이 물질을 철과 구리를 가지고 있는 단백질에 결합함으로써 철과 구리를 놓고 병원체와 경쟁합니다. 특이과립은 리소자임과 몇 종류의 막단백질도 가지고 있습니다. 이 중에는 NADPH 산화효소(NADPH oxidase)가 있는데, 이 효소는 호중구 기능에 필수적으로 작용합니다. 아주르친화 과립과 특이과립이 포식소체와 융합한 후, 포식소체 안에서 NADPH가 조립됩니다.

 

The effects of neutrophil-generated hypochlorous acid and other hypohalous acids on host and pathogens  -출처:  Cellular and Molecular Life Sciences (2021) 78:385–414

 

 

NADPH 산화효소는 과산소디스뮤티아제(superoxide dismutase)에 의해 과산화수소로 전환되는 과산소 라디칼을 생성합니다. 이 반응은 수소 이온을 빠르게 소비하여 식세포작용 후 3분 이내에 포식소체에 pH를 7.8~8.0까지 올립니다. 이 pH에서 항미생물 펩티드와 단백질은 활성화되어 포획된 병원체를 공격합니다. 다음 10~15분 후 포식소체의 pH는 서서히 내려가 중성(pH7.0)에 이릅니다. 이 시점에서 호중구 리소좀의 일부는 포식소체와 융합하여 포식리소좀을 형성합니다. 리소좀은 통틀어 산성 가수분해효소라고 하는 다양한 분해효소를 제공하는데, 이들은 포식리소좀의 낮은 pH에서 활성이 있으며 병원체의 고분자를 완전히 분해되도록 지원합니다.

 

호중구의 강력한 내부공격을 더욱 강화시키는 것은 호흡돌발(respiratory burst)이라고 하는 일시적인 산소소비의 증가입니다. 호흡돌발에서 생성되는 몇 가지 독성 산소종은 세포로부터 확산되어 나와 다른 숙주세포에 손상을 입힙니다. 이러한 손상을 제한하기 위해 호흡돌발에는 강력한 작은 분자를 불활성화시키는 효소가 함께 생성됩니다. 이 중 하나는 과산화수소를 물과 산소로 분해하는 카탈아제입니다. 이러한 방어 메커니즘은 그람양성과 그람음성 박테리아 뿐만 아니라 진균류에 대한 효과도 강화시킵니다.

 

호중구에서 호흡돌발(respiratory burst)에 대한 이해를 돕고자 유튜브 영상을 아래에 붙여 놓았습니다. 참고하시길 바랍니다.

Respiratory Burst | Respiratory Burst Mechanism | What activates respiratory burst? |USMLE step 1

https://www.youtube.com/watch?v=NWcoZ4Rw9WE

 

성숙한 호중구는 과립 내용물을 보충할 수 없기 때문에 일단 내용물을 다 써버리면 세포자멸사(apoptosis)에 의해 죽고 결국 대식세포에 의해 포식됩니다. 이러한 신체 방어능력이 호중구에 의존한다는 사실은 결함이 있는 NADPH 산화효소 소단위를 암호화하는 유전자형에 기인한 유전질환인 만성육아종증(chronic granulomatous disease)으로 알 수 있습니다. 기능이 있는 NADPH 산화효소가 없으면 식세포 작용 이후 호흡돌발이 발생하지 않아, 항미생물 펩티드와 단백질이 성공적으로 공격할 수 있도록 활성화되기에 필요한 만큼 호중구 포식소체의 pH를 올릴 수 없습니다. 이로 인해 박테리아와 진균류는 제거되지 않고 호중구와 대식세포의 세포내 감염이 지속됩니다. 이러한 경우 다른 내재면역과 적응면역의 작용으로 육아종(granuloma)이라고 하는 국소적인 혹 안에서만 감염이 제한됩니다. 융아종에는 감염된 호중구를 능력 이상으로 가득 잡아먹은 감염된 대식세포가 갇혀 있습니다.

4. 정리

1. 호중구는 대식세포와 유사한 메커니즘을 사용하여 미생물을 포식하는 역할을 합니다.
2. 호중구는 병원체와 미생물 생산물을 감지하는 다양한 수용체를 통해 식세포작용을 수행하며, 항미생물 물질을 다양하게 저장합니다.
3. 미생물을 잡아먹은 후 호중구는 분해효소와 독성물질을 활용하여 신속한 죽음을 유도하며, 호중구과립은 미생물 파괴 및 소화에 기여합니다.
4. 특이과립은 철과 구리를 경쟁적으로 미생물과 결합하며, 호흡돌발과 pH 조절 등의 과정이 미생물 포식을 지원합니다.
5. 호중구의 내부 방어 메커니즘은 호흡돌발을 통한 독성 산소종 생성과 함께, 만성육아종증과의 연관성도 나타납니다.
6. 성숙한 호중구는 과립 내용물을 모두 사용한 후 세포자멸사에 의해 죽으며, 만성육아종증은 NADPH 산화효소 결함으로 인해 발생하는 유전질환입니다.
7. 호중구의 방어 기능은 내재면역과 적응면역을 통해 국소적인 감염 제어에 기여합니다.

 

 

참고문헌- 면역학 3판, 라이프사이언스