브루스 보이틀러
브루스 보이틀러(Bruce Beutler, 1957년 12월 29일~ )는 의학자이다. 체내 면역시스템에 관한 연구로 노벨 생리 의학상을 수상했다.
브루스 보이틀러는 1957년 미국 일리노이주에서 태어나 남부 캘리포니아에서 자랐다. 1976년에 캘리포니아대학교 샌디에이고캠퍼스(UCSD)에서 학사 학위를 받았고, 1981년 시카고대학교 의과대학에서 의학박사 학위를 취득하였다. 이후 2년간 텍사스대학교 사우스웨스턴 메디컬센터에서 인턴과 레지던트 과정을 거쳤으며, 1983~1986년 뉴욕 록펠러대학교의 앤터니 세라미(Anthony Cerami) 연구소에서 박사후과정 연구원으로 일하였다. 이 시기동안 그는 쥐 종양괴사인자(TNF)가 면역반응에 중요한 것을 알아내었다. 1986년 사우스웨스턴 매디컬센터로 돌아와 하워드휴스 의학연구소(Howard Hughes Medical Institute) 연구원 겸 내과교수로 일하였다. 1993~1998년 그는 전통적인 유전자 기법을 통해 포유동물의 LPS receptor를 발견하였다. 2000년 캘리포니아주 라호야(La Jolla)의 스크립스 연구소(The Scripps Research Institute)로 옮겨 세계에서 가장 큰 mouse mutagenesis program을 만들었으며, TLR의 기작을 알아내기 위하여 forward genetic approach를 사용하였다. 2008년 내셔널아카데미오브사이언스(NAS) 회원으로 선출된 데 이어 2009년에는 유럽분자생물학기구(EMBO；European Molecular Biology Organization) 회원으로 선출되었고, 2011년 9월 사우스웨스턴 매디컬센터로 돌아와 내의 숙주방어 유전학센터(Center for Genetics of Host Defense) 소장으로 일하고 있다.
면역은 선천성 면역과 후천성 면역으로 나뉘는데, 선천성 면역계는 병원균이 인체에 침투하였을 때 즉각 인지하고 반응하며, 후천성 면역계는 동일한 병원균이 침투하였을 때 해당 병원균을 기억하고 있다가 더 빠르고 강력하게 반응한다. 쥘 호프만은 TLR(Toll-like Receptor)가 미생물 단백질 감지기 역할을 하여 선천성 면역계가 작동하도록 유도한다는 사실을 밝혀냈고, 보이틀러는 생쥐를 이용하여 TLR이 병원균을 직접 인식한다는 사실을 밝혀냈다. 이 공헌으로 2011년에 그는 노벨의학상을 수상하게 된다. 이를 계기로 선천성 면역이 단순한 염증 반응에 의한 것이 아니라 발달된 신호전달 체계에 의하여 조절된다는 인식의 전환이 이루어졌고, 면역계 활성 메커니즘이 밝혀짐으로써 자가면역질환이나 알레르기, 천식 같은 면역 질환의 효과적인 치료법이 개발되게 되었다.
미생물은 17세기에 레우벤후크(Antoni van Leeuwenhoek)에 의해 발견되었다. 그리고 미생물과 감염의 관계는 19세기에 이르러서야 파스테르(Louis Pasteur)에 의해 발견되었다. 1891년 코흐(Robert Koch)의 학생이었던 리차드 파이퍼(Richard Pfeiffer)가 열로 사멸처리한 미생물을 기니피그에 주입하였을 때, 열과 염증반응이 일어나고 심할 경우 죽음까지 초래한다는 것을 관찰하였다. 그는 이 열에 안정한 미생물의 독성물질을 내독소(endotoxin)이라고 명명하였다.
미생물의 독성은 미생물표면에 존재하는 지질다당류(LPS:Lipopolysaccharide)에 의해서 일어난다. 특히 지질다당류의 Lipid A 부분이 내독소를 만드는 주범이라고 밝혀져 있다. 보이틀러는 지질다당류가 활성화된 RAW 264.7 세포를 사용하여, Cachectin이라는 물질을 측정하였다. (Cachectin은 내독소나 종양세포에 의해 생성되며 지방세포에 작용하여 지질다당류를 감소시키는 것으로 알려져있다) 이 세포를 단백질 정제를 통해 분리해내자 17.5 kd 위치에 cachectin이 관찰되었다. 이것의 N-말단을 조사한 결과 사람의 종양괴사인자(TNF: tumor necrosis factor)와 비슷하다는 것을 알 수 있었고, 결국 cachectin이 쥐의 종양괴사인자 일 것 이라고 결론짓게 되었다.
보이틀러는 여기서 종양괴사인자가 지질다당류가 일으키는 모든 독성과 관련 있는 것이 아닌가 생각하게 되었고, 정제된 종양괴사인자를 쥐에 직접 주사하여 보았다. 주사하자마자 쥐는 병들었고, 종양괴사인자가 지질다당류와 유사한 독성 효과를 나타낸다고 결론지었다. “그렇다면 종양괴사인자의 작용을 저해하면 지질다당류가 들어와도 쥐가 죽지 않을까?” 이런 생각을 기초로 한 실험 수행결과, 생각처럼 완전히 내독소를 저해하지 못했지만 상당한 영향을 미침을 알게 되었다. 그 이후로 종양괴사인자와 관련된 기작이 여러 실험실에서 밝혀지기 시작하였다.
보이틀러는 C3H/HeJ 쥐를 사용하여 실험하였는데, 이 쥐는 지질다당류에 저항성을 가진 쥐로써 LPS에 의해 일반적으로 생성되는 사이토카인을 만들지 못하는 쥐이다. 이 쥐를 보면 바이러스의 핵산, 세균의 플라젤린, 리포단백질에는 반응을 하지만 유일하게 그람 음성세균의 지질다당류에만 반응을 하지 않는다.
1990년에 지질다당류를 인식하는데 CD14이 중요하다는 것이 밝혀졌다. 하지만 그것의 세포질로 전달되는 정확한 신호과정은 밝혀지지 않았었다. 단지 NFk-b경로의 활성화를 통해 유전자 발현이 활성화되어 종양괴사인자가 생성된다는 것만 알려졌었다. 보이틀러는 C3H/HeJ와 C3H/HeN 두 쥐를 교차면역반응도 시켜보고, cDNA를 세포감염도 시켜보고, 단백질 수준에서 비교도 해보았지만 거의 성과가 없었다. 그러다가 유전자 지도작성(genetic mapping)과 물리지도작성(physical mapping), 유전자발견(exploration for gene), 돌연변이식별(mutation identification)으로 방향을 전환하였다. 그는 먼저 BAC과 YAC을 사용하여 변이된 유전자 부분의 서열을 시퀀싱하기 시작하였다. 그러던 중 DNA에서 Tlr4라는 부분을 발견하게 되었고, 이 부분이 인간의 IL-1과 비슷한 형태를 하고 있음을 알게 되었다. 이로써 아마 IL-1과 Tlr4가 비슷한 경로를 따라서 작동하지 않을까 하고 생각하게 되었다. 그리고 C3H/HeJ와 같은 증상을 보이는 C57BL/10ScCr 쥐를 northern blot과 RT-PCR한 결과 Tlr4가 없다는 것이 관찰되었다.
이제 과연 지질다당류와 톨 유사 수용체가 직접적인 접촉을 일으키느냐는 의문이 남아있었다. 이는 MD-2부분의 역할로 인해 밝혀졌다. 그는 MD-2라는 부분이 톨 유사 수용체4(TLR4) 옆에 붙는 다는 것을 알아내었고, 지질다당류가 MD-2 주머니 안에 들어가며 TLR4 골격에 일부 접촉하는 것을 밝혀내었다.
또 톨 유사 수용체가 다른 미생물의 리간드 인식에도 관여 되지 않을까라는 생각을 하게 되었고, 톨 유사 수용체를 하나씩 없애는 실험을 통하여 특이적으로 인식하는 것을 알게 되었다.
쥐의 TLR4 가 있듯이 식물에는 XA21이 초파리에는 Toll이 있음이 밝혀지게 되었다. 이제 우리는 톨 유사 수용체가 면역체계(immune system)에서 중요한 역할을 차지하고 있으며 아래의 메커니즘을 통해서 신호전달이 일어나는 것을 알게 되었다.