항체 입문: 항원, 에피토프 및 항체

20세기 전반에 걸쳐 일련의 과학적 발견을 통해 항체 매개 면역이 특이적 면역 반응의 초석임을 규명하였다. 1970년대 초 면역표지 연구 도구로 처음 사용된 이래 항체 기술은 크게 발전하였으며, 항체는 생명과학 연구의 대부분 분야에서 핵심 도구로 자리매김하였다. 모든 면역화학 기법의 기본 원리는 특정 항체가 그 특이 항원과 결합하여 배타적인 항체-항원 복합체를 생성한다는 것이다. 다음 페이지에서는 이 결합의 본질과, 이 강력하고 특이적인 결합을 연구를 위한 분자 표지자로 활용하는 방법에 대해 논의할 것이다.

• 항원
• 에피토프
• 항체
• 항체 아형

항원

항원(antigen)이라는 용어는 항체 생성에서 유래되었으며, 면역 반응(예: 특정 항체 분자의 생성)을 유발할 수 있는 모든 물질을 의미합니다. 정의상 항원(Ag)은 자신의 존재로 인해 형성된 특정 항체와 결합할 수 있습니다.

일반적으로 항원은 감염을 통해 숙주 체내로 유입되는 외래 단백질 또는 그 단편이다. 그러나 경우에 따라 체내 단백질 자체가 항원 역할을 하여 자가면역 반응을 유발할 수 있다. 박테리아와 바이러스는 표면 또는 내부에서 항원을 포함한다. 이러한 항원은 분리되어 백신 개발에 활용될 수 있다.

항원은 일반적으로 고분자량이며, 흔히 단백질이나 다당류이다. 폴리펩티드, 지질, 핵산 및 기타 여러 물질도 항원 역할을 할 수 있다. 소형 물질인 합텐(hapten)도 소우유 알부민(BSA), 키홀 리밋 헤모시아닌(KLH) 또는 기타 합성 매트릭스와 같은 더 큰 운반 단백질에 화학적으로 결합될 경우 면역 반응을 유발할 수 있다. 약물, 단순 당류, 아미노산, 소분자 펩타이드, 인지질 또는 트리글리세라이드와 같은 다양한 분자가 합텐으로 기능할 수 있습니다. 따라서 충분한 시간이 주어지면 거의 모든 이물질이 면역 체계에 의해 식별되어 특이적 항체 생산을 유발합니다. 그러나 이러한 특이적 면역 반응은 매우 다양하며, 항원의 크기, 구조 및 구성에 크게 좌우됩니다. 단백질이나 당단백질은 강력한 면역 반응을 유발할 수 있는 능력, 즉 강한 면역원성을 지니기 때문에 가장 적합한 항원으로 간주됩니다. 항원은 숙주 체내에서 두 가지 별개의 과정으로 인식됩니다: (1) B 세포와 그 표면 항체(sIgM)에 의해, (2) T 세포의 T 세포 수용체에 의해 인식됩니다. B 세포와 T 세포 모두 동일한 항원에 반응하지만, 동일한 분자의 서로 다른 부분에 반응합니다. B 세포 표면의 항체는 단백질의 삼차 구조를 인식할 수 있습니다. 반면 T 세포는 항원제시세포에 의해 섭취되고 인식 가능한 단편으로 분해된 항원이 필요합니다. 일반적으로 사용되는 항원제시세포는 대식세포와 수지상 세포입니다. 면역 반응은 그림 1에 설명되어 있습니다. 항체 생성의 자연적 과정에 대한 더 자세한 내용은 적절한 면역학 교재를 참고해야 합니다.

에피토프

항원 표면에 존재하는 작은 부위로, 이에 상응하는 항체가 특이적으로 결합할 수 있는 부분을 항원결정기 또는 항원결정인자라고 한다. 이는 일반적으로 항원 표면의 1~6개의 단당류 또는 5~8개의 아미노산 잔기로 구성된다. 항원 분자는 공간에 존재하기 때문에, 항체가 인식하는 에피토프는 특정 3차원 항원 구조(예: 두 개의 천연 단백질 루프 또는 서브유닛의 상호작용으로 형성된 고유한 부위)의 존재에 의존할 수 있습니다. 이를 구조적 에피토프라고 합니다. 에피토프는 단순한 선형 아미노산 서열에 해당할 수도 있으며, 이러한 에피토프는 선형 에피토프라고 합니다.

표적 분자(항원) 상의 가능한 결합 부위 범위는 방대하며, 각 잠재적 결합 부위는 공유 결합, 이온 결합, 친수성 및 소수성 상호작용에서 비롯된 고유한 구조적 특성을 지닙니다. 이는 항체 선택과 성능에 중요한 영향을 미칩니다. 표적 항원과 항체 간 효율적인 상호작용이 발생하려면, 항원 결정기가 결합을 위해 쉽게 접근 가능해야 합니다.

표적 분자가 고정, 환원, pH 변화 또는 겔 전기영동 준비 과정에서 변성되면, 에피토프가 변형되어 항체와의 상호작용 능력에 영향을 미칠 수 있습니다. 예를 들어, 일부 항체는 웨스턴 블로팅(WB)에서는 효과가 없지만 면역조직화학(IHC) 응용에는 적합합니다. IHC 절차에서는 복잡한 항원 부위가 조직 내에서 유지될 수 있는 반면, WB 절차에서는 시료 준비 과정이 단백질 구조를 충분히 변형시켜 항원 부위를 파괴하고 따라서 항체 결합을 차단하기 때문입니다.

변성된 단백질에서는 선형 에피토프만 인식될 수 있습니다. 따라서 웨스턴 블로팅과 같이 변성된 단백질을 사용하는 프로토콜에서는 선형 에피토프를 인식하는 항체가 선호됩니다. 때로는 에피토프가 접힌 단백질 내부 깊숙이 위치하기도 합니다. 이 경우 면역침전과 같은 비변성 프로토콜에서는 항체가 에피토프에 접근할 수 없습니다. 구조적 에피토프는 정의상 접힌 단백질의 외부에 위치한다. 구조적 에피토프를 인식하는 항체는 면역침전이나 유세포분석과 같은 온화한 비변성 절차에 적합하다.

이상적으로는 정상적으로 접힌 단백질 표면의 선형 에피토프를 인식하는 항체가 비변성 및 변성 프로토콜 모두에서 잘 작동합니다. 따라서 에피토프는 항원의 자연적 세포 환경에 존재할 수도 있고, 변성되었을 때만 노출될 수도 있습니다. 자연 상태에서 항원은 세포질(용해성), 막 관련 또는 분비형일 수 있습니다. 에피토프의 수, 위치 및 크기는 항체 생성 과정에서 제시되는 항원의 양에 따라 달라집니다.

표적 단백질, 항체가 인식하는 에피토프, 서열 보존성 및 기술 원리에 대한 지식은 우수한 항체와 프로토콜 선택에 유용합니다. 그러나 실제 에피토프 매핑이나 서열 데이터는 항체 특이성에 대한 확신을 얻기 위해 반드시 필요한 것은 아닙니다.

항체

항체는 "감염에 취약한 동물에서 그 생성을 유발한 항원과 특이적으로 결합할 수 있는 면역글로불린"으로 정의된다. 항체는 체내에 침입한 이물질에 대한 반응으로 생성됩니다. 항체(Ab)는 일반적으로 면역글로불린 또는 Ig로 불립니다. 인간 면역글로불린은 체액성 면역을 부여하는 구조적·기능적으로 유사한 당단백질(단백질 82-96%, 탄수화물 4-18%)의 집합체입니다.

구조

항체는 네 개의 폴리펩타이드 사슬로 구성된 Y자형 단위의 하나 이상의 복제본으로 존재한다. 각 Y자 구조는 두 개의 동일한 중쇄 사본과 두 개의 동일한 경쇄 사본으로 구성되며, 이는 상대적 분자량에 따라 명명됩니다. 이 Y자 단위는 항원 특이적 F(ab) 가닥으로 구성된 두 개의 가변 영역과, 면역 세포의 Fc 수용체에 결합하는 동시에 대부분의 면역화학적 절차에서 항체를 조작하는 데 유용한 '손잡이' 역할을 하는 상수 Fc '꼬리' 영역으로 이루어져 있습니다. 항체에 존재하는 F(ab) 영역의 수는 해당 항체의 아클래스(아래 참조)와 일치하며, 항체의 결합가(대략적으로 말해 항체가 항원에 결합할 수 있는 "팔"의 수)를 결정합니다.

이 세 영역은 단백질 분해 효소인 파파인에 의해 두 개의 F(ab) 단편과 하나의 Fc 단편으로 분해되거나, 펩신에 의해 경첩 부위에서 하나의 F(ab’)2와 하나의 Fc로만 분해될 수 있다. IgG 항체를 분해하는 것은 때때로 유용한데, F(ab) 단편은 항원을 침전시키지 않으며, Fc 영역이 없기 때문에 생체 내 연구에서 면역 세포에 의해 결합되지 않기 때문이다.

항체 아형

항체는 Y 단위 수와 중쇄 유형에 따라 IgG, IgM, IgA, IgD, IgE의 다섯 가지 클래스로 분류됩니다. IgG, IgM, IgA, IgD, IgE의 중쇄는 각각 g, µ, a, d, e로 알려져 있습니다. 모든 항체의 경쇄는 작은 폴리펩티드 구조적 차이에 따라 카파(κ)형 또는 람다(λ)형으로 분류될 수 있으나, 각 항체의 아군은 중쇄에 의해 결정됩니다.

항체의 아클래스는 이황화 결합의 수와 힌지 영역의 길이가 다릅니다. 면역화학적 절차에서 가장 흔히 사용되는 항체는 IgG 클래스입니다. 이는 혈청에서 주로 분비되는 주요 면역글로불린 클래스이기 때문입니다.

IgA

혈액 내 IgA는 단량체 형태로 낮은 농도로 존재합니다. 이 항체는 이량체 형태로 존재하며 점막 표면에서 가장 활발하게 작용하여 점막 표면의 1차 방어 기능을 제공합니다. 점막 내벽에서는 다른 모든 유형의 항체를 합친 것보다 더 많은 IgA가 생성됩니다. 주요 기능은 중화 항체로 작용하는 것입니다. 타액, 눈물, 모유에는 높은 농도의 IgA가 존재합니다. 인간에서는 두 가지 IgA 아형이 존재하는 것으로 알려져 있는 반면, 쥐에서는 단일 형태만 보고되었습니다. IgA1은 혈청 내 총 IgA의 최대 85%를 차지할 수 있습니다. 선택적 IgA 결핍증은 감염에 대한 감수성을 증가시키는 가장 흔한 면역결핍 질환 중 하나입니다. IgA 결핍증은 자가면역 질환 및 알레르기 질환 환자에서 흔히 관찰됩니다. IgA의 반감기는 약 5일입니다.

IgD

이중 항원결합 부위를 가진 단량체 항체로, 대부분의 B 림프구 표면에 존재합니다. 정확한 기능은 여전히 논란 중이지만, B 세포 활성화에 필요한 항원 수용체 역할을 하는 것으로 추정됩니다. IgD는 또한 호염기구와 비만세포에 결합하여 항균 인자 생성을 활성화시키는 것으로 보고되었습니다. 또한 자가반응성 자가항체를 생성하는 B 림프구를 제거하는 데 역할을 하는 것으로 여겨집니다. IgD는 분비형으로도 생성되며, 소량으로 혈청에서 발견되고 δ 클래스의 두 개의 중쇄와 두 개의 경쇄를 포함합니다. IgD의 반감기는 약 3일입니다.

IgE

이 항체군은 점막 표면, 혈액 및 조직에서 효과적입니다. 두 개의 중쇄(ε 사슬)와 두 개의 경쇄로 구성된 단량체 형태로 존재합니다. ε 사슬은 4개의 Ig 유사 상수 도메인을 포함합니다. 혈청 내 농도는 낮아 전체 혈청 항체의 약 0.002%만을 차지합니다. 대부분의 IgE는 Fc 영역을 통해 비만 세포 및 호염기 세포의 수용체에 강력하게 결합합니다. 과민 반응에서 핵심적인 역할을 하며, 그 생산은 사이토카인에 의해 엄격히 조절됩니다. IgE의 반감기는 약 2일입니다.

IgG

혈액 내 가장 풍부한 항체 클래스로, 총 혈청 항체의 최대 80%를 차지합니다. 단량체 형태로 존재합니다. IgG는 풍부도에 따라 네 가지 아클래스(IgG1>IgG2>IgG3>IgG4)로 분류되며, 생성되는 아클래스는 존재하는 사이토카인의 유형에 따라 달라집니다.

IgG1과 IgG3은 식세포의 Fc 수용체에 대한 친화도가 높은 반면, IgG2는 매우 낮은 친화도를 보이며 IgG4는 중간 정도의 친화도를 가집니다. IgG는 순환계를 벗어나 조직으로 이동할 수 있습니다. IgG1, IgG3 및 IgG4는 태반 장벽을 통과하여 신생아를 보호할 수 있습니다. IgG는 보체 시스템을 활성화하는 데 효율적이며, 식세포의 Fc 수용체를 이용한 오포소니제이션에 매우 효과적입니다. Fc 영역을 통해 IgG는 자연살해세포(NK 세포)에도 결합하여 항체의존성 세포독성(ADCC)에 참여할 수 있습니다. IgG의 반감기는 아형에 따라 7일에서 23일까지 다양합니다.

IgM

이 면역글로불린 클래스는 감염에 대한 반응으로 가장 먼저 생성되며, B 세포 막에 존재하거나 형질세포가 분비하는 5개 서브유닛으로 구성된 거대분자 형태로 발견됩니다. 또한 신생아가 최초로 합성하는 면역글로불린 클래스이기도 합니다. 표면 IgM은 분비형과 Fc 영역에서 차이가 있습니다. 표면 IgM은 IgM Fc 수용체에 결합하지 않고 막 단백질로서 직접 결합합니다. 분비형 IgM은 다수의 면역글로불린이 이황화 결합으로 공유 결합된 오량체 분자입니다. 이 구조는 다중 결합 부위를 제공합니다. 각 단량체는 두 개의 경쇄(κ 또는 λ)와 두 개의 중쇄로 구성됩니다. 오량체 특성으로 인해 IgM은 보체 활성화 및 응집 유발에 특히 적합합니다. IgM의 반감기는 약 5일입니다.

중쇄 상어 항체(IgNAR)와 중쇄 낙타과 동물 항체(hclgG)를 일반 항체(IgG)와 비교한 그림. 중쇄는 어두운 색조로, 경쇄는 밝은 색조로 표시됨.