1 NF- κb 와죽상경화증 정인경, 김두만, 김보완, 김용기, 김인주, 김태화, 박중열, 손석만, 유형준, 이문규, 이병완, 이인규, 차봉연 경희의대동서신의학병원내분비대사내과 To whom correspondence should be addressed. E-mail jik1016@dreamwiz.com 목차 1. 서론 2. 본론 2-1. NF- κb의구조및신호전달체계 2-2. 죽상경화증과 NF- κb의연관성 3. 결론 4. 참고문헌
2 1. 서론 죽상경화증은동맥에서서히진행되는염증성병변으로심혈관질환의주원인이다. 국내에서도서구화되면서, 당뇨병, 고혈압, 고지혈증과같은질환이증가되고이로인해심혈관질환에의한사망률이증가되고있어죽상경화증의병리기전과치료에대한연구는매우중요한의미가있다. 죽상경화증은저밀도지단백콜레스테롤이혈관내피세포를뚫고들어가산화되는것을시작으로백혈구의혈관외유출이나 cytokine, chemokine, metalloproteinase의생성과같은혈관내염증과 foam 세포의형성, 혈관평활근세포의증식과이동, plaque의형성및 rupture에이르기까지모든단계에있어염증이관여하지만 1, 아직이에대한자세한기전은밝혀지지않았다. 염증반응에있어중요한전사인자중하나인 nuclear factor κb(nf- κb) 는염증반응과면역반응을조절하고세포의증식및자연세포사 (apoptosis) 에관여하며 160 개이상의유전자들을조절할뿐아니라, 수많은인자들에의해 NF- κb의활성이유도된다. 또한 NF- κb의활성을유도하는인자뿐아니라 NF- κb에의해조절되는유전자들이죽상경화증에직접또는간접적으로관련이있어이에대한연구가최근활발히진행되고있다. 그리하여이장에서는죽상경화증의각단계별로 NF- κb에의해조절되는관련인자들과그기전에대해정리하고자한다. 2. 본론 2-1. NF- κb 의구조 NF- κb는 1986년에처음으로보고되었는데 2, 세균이나바이러스에의해활성되어많은염증성사이토카인, chemokine, 면역수용체, 그리고 cell surface adhesion molecule의발현을증가시키는면역및염증반응에서중요한전사인자이다. NF- κb는 5개의구성원, 즉 p65(rela), c-rel, RelB, NF- κb1(p50과그전구체인 p105), 그리고 NF- κb2(p52와그전구체인 p100) 으로이루어진전사인자의집합체이다 3. 이모든구성원들은모두 Rel homology domain을공유하고있으나, 이중단앞의 3개만전사활성도메인을가지고있다. 이단백질들은서로서로동질성이종체 (homodimers) 또는이질성이종체 (heterodimers) 의형태로다양한복합체를구성하고있으며, 이중가장풍부한형태는흔히 NF- κb 라고
3 불리는 p65/p50 의형태이다. 자극을받지않는안정시에는세포질내에서 p65과 p50이결합되어이질성이종체를형성하여 IκB와같은억제단백질과결합하여불활성화된상태로존재하다가, 자극을받으면 IκB Kinase(IKK) 가활성화되어 IκB를인산화시킨후분해시키면, 활성화된 p65-p50 heterodimer가핵내로들어가서 NF- κb에반응하는유전자의촉진자 (promoter) 에결합하여면역반응, 스트레스에대한반응그리고세포의생존과발달에관여하는등다양한반응을일으킨다 4. NF-κB를활성화시키는것은박테리아의 lipopolysaccharide(lps) 외에도 reactive oxygen species, oxidized lipoproteins, TNF-α이나 IL-1과같은염증성사이토카인들이다. 또한이렇게활성화된 NF-κB는사이토카인, 케모카인, adhesion molecules, antiapoptotic genes과같은많은유전자들의전사를조절한다. NF-κB를활성화시키는데있어중요한것은 IKK 복합체에의해 IκB를인산화시키는단계인데이때 IKK복합체는 3가지로구성되어있다. IKK1(IKKα), IKK2(IKKβ), NF-κB 의 essential modulator(nemo; IKKγ) 중 IKK1과 IKK2는 kinase 기능을가지고있고 IKK2가 NF-κB의정규경로에주로작용한다 5. 반면 IKK1 는 NF-κB의대체경로 (alternative pathway) 에필수적인요소이며, p100 을 ubiquitin에의해매개되는과정을통해 p52-relb의이질성이종체를만들어핵안으로이동시킨다. NF-κB의대체경로를자극하는인자에는 lymphotoxinβ(ltβ), B-cell 활성인자, CD40 리간드, LPS이며, 이중일부는 NF-κB의정규및비정규경로를모두자극한다. 요즘에는 NF- κb의두가지경로가순차적으로일어난다고하는데, 즉, p65에의한조기반응에이어그후 relb가포함된후기반응이일어난다고생각되어지고있다 6.
4 그림1. NF- κb활성경로. 두개의활성경로가있으며, 전형적인경로 ( 좌 ) 와비전형적인경로 ( 우 ) 가있다. 전형적인경로에서는 IKK의활성으로 IκBα가분해되어떨어져나가고 NF- κb의이중체가핵안으로들어가게된다. 비전형적인경로는 IKK1을통해서 P100이 P52로전환된후 relb-p52의이중체가핵안으로들어가게된다. (Ub : ubiquination). Adapted from Menno P.J. Arterioscler Thromb Vasc Biol 2005;25:904-914 6. NF- κb는여러단계에서조절되고있는데이중하나는 IκB에의한 autofeedback 이다. IκB는빨리전사가되어활성된 NF- κb을다시억제하게된다. 그외 NF- κb의조절은핵안에서 phosphorylation, acetylation, 다른인자들의복합체로 NF- κb 이중체의전사를조절한다. 게다가핵내의다양한이질성이중체, 동질성이중체등도유전자의촉진자의전사반응에영향을준다. 그외 peroxisome proliferators-activated receptors(ppars) 도 NF- κb에영향을준다. PPARα는강력한항염증작용이있으며, IκB를증가시켜 NF- κb의활성을억제시켜 NF- κb-의존성유전자의발현을억제시킨다 7. NF- κb는다른염증과관련된전사인자들과도상호작용을하는데 IL-1 이나 IL-6에의한 CRP의유도는
5 p50 과 (C/EBP)β 사이의상호작용에의해달려있다 8. 어쨌든세포는하나의자극에만반응하는것이아니라다양한인자들에의해반응을하므로어떻게이런조절인자들의네트워크가작용하는지그리고 NF- κb가그네트워크에서어떤역할을하는지밝힌다면죽상경화증과관련된염증반응의기전을이해함으로써환자의치료에도움을줄수있을것이다. 2-2. 죽상경화증과 NF- κb 의연관성 죽상경화증은저밀도지단백콜레스테롤 ( 이하 LDL-C) 이혈관내피세포를뚫고들어가산화되는것을시작으로혈관내피세포를활성화시키고 chemokine 을분비하게되면, 단핵구가혈관내피세포를뚫고들어와탐식세포로분화하여산화된 LDL-C를탐식하여 foam cell이되고이런과정들이혈관벽에염증반응을초래한다. 그후중막에있던혈관평활근세포가증식하고이동하여 fibrotic cap을만들고 plaque의형성및파열에이르기까지모든단계에있어염증반응이관여한다 ( 그림 2). 그림 2. 죽상경화증의개략적도면 사람에서도정상혈관이아닌죽상경화증이있는혈관에서 NF- κb의활성이확인되었고, 혈관내피세포, 평활근세포, 그리고탐식세포에서그활성이관찰되었다 9. 그외에쥐의동맥에 balloon 손상을준후혈관평활근세포의증식이활발한부위에서 NF- κb의활성이관찰되었으며, 죽상경화증에 NF- κb가생체내에서중요한역할을한다는것이확인되었다 10.
6 NF- κb는죽상경화증의다양한단계에기여할뿐아니라, 다양한세포들에따라각기다른유전자들의발현을조절한다. 그러므로다음에서는 NF- κb가어떻게죽상경화증의다양한단계에관여하는지정리해보겠다. 1) 죽상경화증의시작 비록직접적인증거는없다고해도 NF- κb는죽상경화증의시작과진행에있어매우중요하다. 죽상경화증에서첫번째로혈관벽에서 LDL이변성된다음, 국소적인염증과화학매개적인자들및내피세포표면에 adhesion molecule를발현시킨다. 두번째단계로는단핵구가병변부위에와서붙기위해중요한 chemokine이 NF- κb에의해조절된다. 셋째로, NF- κb 는염증자극에반응해서 adhesion molecules의발현을조절한다 11. 죽상경화증의초기에는내피세포에서 NF- κb 활성, 후기에는다른세포에서활성이매우다양한자극들에의해초래된다. 이자극들에는변성된 LDL, 고혈당으로부터생성된 advanced glycation end products, 병변부위에서생성된염증성사이토카인, 또는 cytomegalovirus 또는 chlamydia와같은감염인자들이포함된다. 이와같이조기죽상경화증, 지질변성, chemotzxis, adhesion과같은다양한단계들이 NF- κb에의해매우영향을받는다. 2) Foam cell formation 단핵구가병변부위에서대식세포로분화되는데있어가장중요한인자는대식세포 colony-stimulating factor( 이하, M-CSF) 이며이는 NF- κb에의해조절된다 12. M-CSF의중요성은다른죽상경화증동물모델에서 M-CSF가없이는죽상경화증이발생하지않는다는점에서확인되었다 13. 단핵구나대식세포가조직안으로이동하려면 matrix metalloproteinase-9(mmf-9) 가중요한효소인데이것도 NF- κb에의해조절된다. MMF의중요성은 apo E-/- 생쥐에서 MMF-9을없애면죽상경화증이감소하고대식세포의침착이잘되지않고중막의손상이감소하며혈관평활근세포의이주가또한감소된다. 단핵구가탐식세포로분화되는데에는세포표면에 2개의주요한 scavenger receptor의발현이증가되는것이특징이다. 즉 scavenger receptor class A(SR-A) 과 CD36이산화된 LDL에결합하여 scavenging 시킨다 14. 최근에 p50 이없는경우 SR-A의저하로활성화된탐식세포가산화된 LDL 을덜탐식한다는보고가있다. 죽상경화증의진행에있어탐식세포에콜레스테롤이들어가는과정 (influx) 뿐아니라배출되는과정 (efflux) 도중요한데, ABCA1(ATP-
7 binding cassette transport 1) 가탐식세포의 cholesterol efflux과정에관여하며여기에도 NF- κb에의해영향을받는다. LPS 에의해유도된 ABCA1 억제는 NF- κb 억제제에의해회복된다 15. 변형된 LDL이 NF- κb에미치는영향은시간과용량에따라두가지측면의양극현상을보인다. 약간변형된 LDL 은내피세포의활성을촉진시킨다. 또한산화된 LDL을낮은농도로단기간처리하면단핵세포에서 NF- κb의활성을촉진시키지만, 매우많이산화된 LDL을고용량처리하면단핵세포나탐식세포에서 NF- κb가매개된염증반응을억제시킨다. 이런상반된결과는 LDL의변형된정도, 처리시간, 농도에따라다양하며사람과동물실험의차이도있기때문에통일된결과를끌어내기어렵다 16. 3) 염증반응 죽상경화증은염증질환이다. 하지만염증성사이토카인이죽상경화형성에미치는영향은아직명확히밝혀져있지않다. 이중에서죽상경화에관여하는 NF- κb관련된주요사이토카인즉 TNF, IL-1beta, IL-6, IL-10, IL-12, IFNgamma에대해알아보겠다. TNF는염증과면역반응에관련된가장중요한사이토카인중의하나이다. 맨처음 TNF가결핍된생쥐모델에서죽상경화는큰차이가없어서 TNF는전혀큰영향을미치지못한다고했으나이는죽상경화가잘생길수있는환경에서시행된것이아니었고, 추후 apoe-/- 생쥐에서 TNF가결핍된경우는죽상경화가감소됨이보고되었다 17. 또한 P55 가없으면죽상경화가 2-3배더증가한다. 그러므로 TNF-p55 축이죽상경화증의생성및예방에중요하다. IL-1beta는죽상경화에친화적인사이토카인으로 apoe-/- 생쥐에서 IL- 1beta가없으면죽상경화증이약 30% 정도감소되었다 18. IL-1은 TNF와함께 NF- κb에의해조절되며또한 NF- κb 경로를활성시키기도한다. IL-6도죽상경화를잘유발시킬수있는것으로알려져있었으나, Elhage 등 19 에의해 apo E(-/-) 생쥐에 IL-6 결핍생쥐를교배시켰을때 IL-6 가없는경우는죽상경화의조기병변에는별영향을미치지않았으나, 1년이경과한후에보니죽상경화병변이더커서 IL-6는항죽상경화작용을하는사이토카인으로생각된다. 다른 Huber등 20 의연구에서는유전자재조합기술을이용해만든 IL-6를직접투여한결과죽상경화증이더악화도었다는보고도있으나, 이것이 IL-6 에의한직접적인효과인지아니면전신적인염증반응을유도하여간접적으로죽상
8 경화증이심해진것인지는확실치않다. 중요한것은 NF- κb 활성이염증을잘일으키는유전자외에염증을억제하는유전자의발현도매개한다는것이다. 항염증작용을가진 IL-10의발현이과거에는 NF- κb에비의존적이라고알려졌지만, 최근에 TNF 는 NF- κb 의존적인방법으로 IL-10을유도한다고한다 21. 죽상경화증은주로 Th1 사이토카인에의해주로매개되며, 2개의 NF κb에의한 Th1 사이토카인은 IL-12와 IFN-gamma 이다. Apo E(-/-) 인생쥐에 IL- 12가결핍되어있거나또는 IFN-gamma 가결핍되어있으면죽상경화가감소되고이를투여하면죽상경화증이증가됨이보고되었다 22. 최근보고에서 NF- κb는항염증작용에도관여한다고알려졌다. NF- κb 의활성에있어두가지물결이알려져있는데첫번째물결은염증시작동안에염증세포를유도하고몇개의죽상경화에친화적인유전자들의발현을증가시킨다. NF- κb의두번째물결은나중에진행되는데 transforming growth factor beta와같은항염증사이토카인의유도등을통해죽상경화를억제하는효과도가지고있다 23. 이는 NF- κb가염증의시작뿐아니라소실에도역할을하고있다는것을의미한다. 4) 세포사멸 죽상경화증의후기가되면세포주기나세포사멸이중요한문제이다. 큰지방덩어리를담고있는세포들의사멸은괴사된속 (necrotic core) 을형성하여죽상경화반의안전성을결정하는데있어임상적으로매우중요하다. 거품세포의사멸은괴사 (necrosis) 일수도있고자연세포사 (apoptosis) 일수도있다. 괴사와달리자연세포사는일반적으로조용히진행되며조직의항상성을위해필요하지만죽상경화증에있어서자연세포사는해로운현상이다 24. 자연세포사된세포들은손상된부위에서청소되고없어져야하는데커다란지방을담고있는세포를청소하는것은효과적으로잘되지않는다. 따라서지방을담고있는탐식세포는완전한자연세포사과정으로진행되지못하고이차적인세포괴사를초래하며그결과세포내내용물과염증친화적인물질들이분비되어염증반응이더심해진다. 즉죽상경화반에서세포사멸이일어나면혈소판의활성을초래할수있는물질들을방출함으로서죽상경화반 (plaque) 이파괴되서터지고이때혈관을막아서급성관상동맥증후군과같은위험한상황이발생된다. NF- κb 의경로가세포생존에중요한인자임을증명하는연구들로는 P65
9 가결핍된생쥐는간에서심한자연세포사가일어나태어나지도못하고모체에서죽는다 25. 그러므로 NF- κb는자연세포사를억제하는다양한인자들을조절하는것으로알려져있다. 죽상경화증에서 NF- κb의활성을억제하면세포사멸이증가하므로, NF- κb의세포사멸억제효과는죽상경화증의억제에도관여함을알수있다. 5) 혈관평활근세포의증식및섬유반 (fibrous cap) 형성 심하게진행된죽상경화병변에서평활근세포의증식과이동으로섬유반이형성되면죽상경화반이잘터지지않는안전한상태로있게된다. 하지만막힌혈관에스텐트를삽입한후재협착이되는데있어서는혈관평활근세포의증식이관여하므로이때는좋지않은역할을한다. NF- κb는혈관평활근세포의증식을유도한다. 쥐의경동맥에 p65에대한 antisense oligo는평활근세포의증식을억제하였다 26. 또한 IκBα super repressor로 NF- κb의활성을억제하면평활근세포의증식이억제됨이보고되었고여기에는세포주기와관련된 p21, p27 이관련된을알수있었다 27. 죽상경화증에있어평활근세포의증식은안정된섬유반을만드는역할을하므로이때 NF- κb는죽상경화증에좋은역할을하는인자가될수도있다. 3. 결론 지금까지죽상경화증의각단계별로 NF- κb가미치는영향을살펴보았다. 아직은 NF- κb의활성이단순히죽상경화증을잘유발할수있는인자라고단정지을수없으며, 일부연구에서는죽상경화증을억제하는효과도있음을확인할수있었다. 앞으로도 NF- κb가죽상경화증의발생및진행에있어다양한세포들에작용하여어떻게죽상경화증을조절해가는지에대한좀더많은연구가필요하며이런연구와이해가죽상경화증의예방및치료에큰도움이될것으로사료된다.
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