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이전 글에서 시중에 나와있는 다양한 면역증강제가 실제로 꿀벌의 면역을 증강시킬 수 있을지 궁금해하며 글을 끝냈었습니다.

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저도 여기에 의문을 갖고 크게 2가지 질문을 던졌습니다.

면역 증강제는 정말로 꿀벌의 면역을 자극할 수 있을까? 였고,

면역 증강제는 꿀벌의 어떤 면역 체계를 자극할까?  였습니다.

두 번째 질문은 다시 세부적으로...

내재적 면역시스템을 자극한다면 그건 체액성 면역일까 아니면 세포성 면역일까?

그것도 아니라면 꿀벌만의 특별한 면역체계일까? 였습니다.


사람의 면역체계는 고등학교 생물시간에 아주 살짝 배우실텐데요 곤충의 면역체계는 좀 생소하실껍니다.

지금부터 설명하려는 내용은 석사이상급 내용이라 조금 어려우실 수 있는데 한번 보시는 것도 좋을거에요

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Host(기주, 숙주)와 Pathogen(병원체)의 역사는 생물의 기원까지 올라갑니다. 우리 사람도 그리고 곤충도 태어날때부터 죽을 때까지 쉬지않고 병원체와 싸우게 됩니다. 숙주가 병원체에 진다면 병에 걸리는 것이고 회복하지 못한다면 죽는 것입니다.


면역체계는 숙주를 지키는 최전방이자 최후전선입니다. 

숙주를 손상시키는 다양한 요인들을 제거하고 막는역할을 합니다.

따라서 면역체계의 핵심은 이게 자신(self)인지 자신이 아닌 것(non self)인지를 구분하는 매커니즘입니다.

숙주는 다양한 수용체를 통해 병원체를 인지하려고 진화해왔고 병원체는 반대로 숙주로부터 인식되지 않도록 진화해왔습니다.


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면역체계는 크게 두 가지로 분류됩니다.

선천면역체계와 후천면역체계가 바로 그것입니다.


선천면역체계는 미소생물부터 고등생물인 사람까지 모두 가지고 있는 진화적으로 보존된 체계이나

후천면역체계는 척추동물만 가지고있고 무척추동물은 가지고 있지 않습니다.


의 주기가 짧은 곤충에게는 면역을 획득하는데 오래걸리는 후천면역체계는 오히려 불필요했기 때문에

즉각적으로 반응이 가능한 선천면역체계를 잘 발달시켜왔습니다.



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앞에서 Self인지 Non-self인지 구분하는 매커니즘이 면역체계의 핵심이라고 말했습니다.

척추동물은 후천면역과 선천면역이 동시에 작용하기 때문에 어떤게 선천면역인지 

그리고 어떤게 후천면역인지 구분하는게 어려웠었습니다.


그러나 곤충의 경우 선천면역시스템만 가지고 있기 때문에 쥴스호프만 같은 과학자들은 초파리와 같은

곤충을 이용하여 다양한 면역 실험을 수행했고 그 결과 선천면역체계가 무엇인지 밝혀낼 수가 있었습니다.


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위의 그림은 초파리에게 병원균이 침입했을 때, 초파리가 어떻게 병원균을 제거하는지 요약한 그림입니다.

병원체가 체내로 침입하게되면 면역체계는 이게 어떤 병원체인지? 곰팡이인지 세균인지 구분을하게됩니다.

이후 적절한 면역경로가 자극을 받아 활성화됩니다.


한 가지 경로는 세포성 면역체계입니다. 혈액 중의 혈구세포(hemocytes)가 작용하는 면역체계입니다.

병원체가 체내의 혈액에서 발견되면 혈구세포가 달려들어 병원균을 감싸게되는 것을 Coagulation이라고합니다. 

Phagocytosis의 경우 혈구세포가 병원균을 먹어서 없애는 식세포작용을 의미합니다.

이후 hemocyte는 그대로 굳어버리거나 병원균에 심하게 감염되었을 경우

pro-phenol oxidase를 활성화시키는 면역경로를 촉발시켜서 

곤충의 일부조직 또는 전체와 함께 산화해버리는 melanizaition(흑화) 과정을 통해 

체내로 침입한 병원균을 죽이게 됩니다.


다음으로는 체액성 면역체계입니다. 세포성 면역이 혈구세포를 기반으로한 일종의 육탄전 개념이라면 

체액성 면역은 항균활성펩타이드를 이용한 포격전이라고 생각하시면 조금 쉬울까요?


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항균펩타이드는 10~30개 아미노산이 이어져 있는 아주 짧은 단백질입니다. 

길이가 짧다보니 변이가 적어서 산,열,기계적 마찰 등에 강합니다.

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많은 수의 항균펩타이드는 cationic(양이온)이어서 negative chage(음전하)를 띄고 있는 

병원균의 lipid membrane에 잘 결합하게됩니다. 결합 후 병원체의 외부막을 찌그러트리거나 구멍을 뚫거나

또는 핵내로 들어가서 DNA 복제를 막는등 다양한 방식으로 병원균을 죽이게 됩니다.

*)참고로 원리상 항생제와는 기작이 달라서 항균펩타이드를 이용하여 슈퍼박테리아 치료제를 개발하려는 연구가 최근 많이 수행되고 있습니다.


곤충마다 가지고 있는  항균펩타이드의 종류는 천차만별입니다. 그리고 항균펩타이드마다 효과적으로 작용하는 병원체의 종류도 다릅니다. 또한 항균펩타이드를 만드는데 에너지와 자원이 굉장히 많이 소모되기 때문에

곤충은 적절한 타이밍에, 적절한 종류의, 적절한 양만큼 항균펩타이드를 만들 수 있도록 진화해왔습니다.




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면역체계는 이게 그람음성세균인지 그람양성세균인지 곰팡이인지를 어떻게 구분할까요?

비밀은 병원체의 특별한 분자적패턴에 있습니다. PAMPs(Pathogen associated molecular patterns)라고 불리는 이러한 분자적 패턴은 병원체 고유의 구조를 형성하기 위한 물질들입니다. 그러다보니 숙주에서는 발견되지 않는 물질이라고 할 수 있겠습니다.


세균에서는 펩티도글리칸, 리포프로틴, 리포폴리사카라이드 등이 있겠고

곰팡이에선 만노스, 베타글루칸, 키틴 등이 존재합니다.


숙주의 면역체계는 이러한 분자와 결합하여 신호를 만들 수 있는 수용체를 가지고 있습니다.


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위 그림은 곤충의 체액성면역체계를 간단히 정리한 그림입니다. 보아하니 초파리를 베이스로 그린 것 같습니다.

GNBP3, Proteaes, Toll 등은 모두 숙주가 가지고 있는 면역에 관련된 유전자(단백질)입니다.


곰팡이가 만들어내는 특정한 PAMPs를 숙주의 PGRP-1, GNBP3, Persephone 같은 수용체가 인식하고

그람양성균이 만들어내는 PAMPs(Lysine type 펩티도글리칸)를 GNBP1, PGRP-SD, PGRP-LCx,  PGRP-SA 등이 인식하며

그람음성균이 만들어내는 PAMPs(DAP type 펩티도글리칸)은 PGRP-LCx, PGRP-LE 등이 인식하는 것으로 보입니다.


각각의 수용체는 다시 자신들이 속해있는 면역경로인 Toll pathway, IMD pathway, JAK-STAT pathway, JNK pathway를 활성화시키고 세포막 내부의 좀 더 복잡한 신호전달 경로를 따라서


외부에서 병원균이 침입했다는 정보를 세포 안쪽 핵으로 전달하게됩니다.

이 과정에서 다양한 음성피드백이 작용하여 특정 숫자의 병원체가 들어온게 아니면 인내하고

특정 숫자 이상의 병원체가 들어오면 전력으로 싸울 수 있도록 신호의 세기를 조절하게 됩니다.


복잡한가요? 좀 더 쉽게 설명하자면

병원체를 북한군이라고 생각하고 남한이 숙주라고 생각해보겠습니다.

GNBP, PGRP 같은 수용체는 군사분계선에 있는 최전방 보초병들 입니다.

거수자를 보초병들은 이를 눈으로, 소리로 보고 듣는 방식으로 거수자의 존재를 알게됩니다.

그리고 지휘통제실 또는 비상버튼 등을 눌러서 침입정보를 지휘통제실로 보내게 됩니다.


지휘통제실에선  곧바로 전국경보를 알리거나 예비군을 집합시키지 않고 다시한번 확인하거나 하는 방식으로

일반 거수자인지 북한군인지 동물인지 착각인지를 확인하게됩니다.


북한군이라면 상급부대에 지시를 내리고 상급부대는 다시한번 전략자원을 활용하여 

진짜 북한군인지 북한군이라면 어느 규모인지 확인하게 될 것입니다.


한 두명 또는 탈북민이면 관용하고 포용하게 될 것이고 만일 총을 든 군대라면 전국에 경보를 알리고

전면전을 준비하고 후방의 예비군을 소집하게 될 것입니다.


만일 이러한 조절단계가 없으면 툭하면 예비군이 소집될 것이고 남한의 경제도 개판이 나겠죠?


곤충의 면역체계에서 세포성 면역은 전방부대급에 속하는 면역자원이라 비유할 수 있겠고

항균펩타이드 같은 체액성 면역은 예비군 자원이라고 생각하면 쉽습니다.


체액성 면역은 기존에는 거의 나오지 않다가 병원균이 침입하면 1000배~수 만배 이상 생성이 유도되는 

강력한 면역반응이기 때문에 자주 활성화되면 오히려 숙주의 생리적 균형을 파괴시킬 수도 있습니다.


이를 요약하자면 아래와 같습니다. PRRs(Pathogen recognition receptors)는 병원체를 인식하는 수용체입니다.응용생물학실습슬라이드13 (16).JPG항항균펩타이드가 만들어진다라고 말했는데요... 위에도 언급했듯이 PAMPs 같은 면역자극물질이 없는 상황에선 항균펩타이드는 만들어지지 않습니다.

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평상시에 만들어지지 않고 환경적인 변화, 자극에 반응하는 유전자를 Inducible gene, 유도가능한 유전자라고 합니다. 대다수의 면역유전자가 여기에 포함됩니다.

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위의 그림은 항균펩타이드의 종류들입니다. 

실제로는 수 천개가 알려져있지만 다 적기는 힘드니까 이정도만 정리해보겠습니다.


항균펩타이드의 대다수는 inducible gene입니다. 특정곤충에서 특정 항균펩타이드는 유도되지 않고 항상 발현하는 유전자도 있긴한데 그런경우는 좀 특수한 경우입니다.


마지막으로 정리하겠습니다.

면역력이 강한 곤충, 면역력이 높고 튼튼한 곤충은 어떻게 정의할 수 있을까요?


학계에서는 병원균이 침입했을 때 즉각적으로 세포성 면역이 작동하여 병원균을 빠르게 제거시키고

숙주의 생리적 균형을 파괴하지 않는 수준에서 적당한 수준의 항균펩타이드가 병원균이 쉽게 침입하지 못할 정도의 수준으로 지속적으로 만들어지는 상태를 면역력이 높고 건강한 상태로가 정의하고 있습니다.


이전 게시글에서 그리고 이 글의 서두에서 면역강화제가 실제로 꿀벌의 면역을 강화시킬 수 있는지

궁금하다고 하였습니다.


검증은 어렵지 않습니다. 면역강화제를 꿀벌에게 먹이고 실제로 항균펩타이드 같은 면역관련 유전자가

먹이지 않은 꿀벌에 비해서 더 많이 발현되는지만 확인해보면 검증이 될 것입니다.


다음 게시글에선 분자생물학 방법인 RNA 정량과 그 방법을 이용해서 실험했던 내용을 올려보도록 하겠습니다.



다음 시간에 다시만나요 ㅅ_ㅅ!