1. 세포바깥소포체(extracellular vesicle)의 발견과 종류

세포바깥소포체는 적혈구 세포의 배양액에서 세포막수용체를 함유한 미세수포(microvesicle)로 1980년대 중반에 처음 보고되었다[1]. 그러나 그 후 10여 년간 잊혀지고 있다가 1990년대 중반에 B림프구가 주조직적합복합체클래스II (MHC class II) 단백질을 함유한, 세포막으로 둘러싸인 소포체를 세포바깥으로 방출하여 면역반응을 다른 세포에서 유도할 수 있다고 보고된 이래로[2] 다시 주목을 받기 시작했다.

세포바깥소포체로 불리는, 세포에서 유래되는 막으로 둘러싸인 이러한 작은 구체는 그 명칭이 만들어지는 세포의 기원이나 만들어지는 방법에 따라 매우 다양하여 혼란을 초래한다. 즉 유래된 세포에 따라, 덱소솜(dexosome, 수지상세포에서 유래), 온코솜(oncosome, 암세포에서 유래), 프로타솜(prostasome, 전립선세포에서 유래), 카르디오솜(cardiosome, 심근세포에서 유래) 등으로 불리며, 세포에서 만들어지는 방법에 따라 엑소솜(exosome), 엑토솜(ectosome), 미세수포(microvesicle), 세포자멸체(apoptotic body) 같은 여러 이름으로 불려진다[3,4]. 이들은 유래되는 세포나 세포내소기관에 따라 각각 다른, 다양한 표지단백질을 포함하게 된다. 이러한 다양한 명칭의 문제점으로 인하여 최근 관련학회에서는 모든 구조체를 세포바깥소포체로 통칭하도록 권장하는 것을 포함한 권고안을 제안했으나[5] 아직 많은 연구에서 예전 이름이 사용되고 있다. 본 종설에서는 가장 많은 연구가 된 엑소솜에 대한 연구결과를 주로 소개하지만 학회 권고안을 따라 엑소솜을 세포바깥소포체(extrextracellular vesicle)로 통칭하였다.

세포바깥소포체는 초기에는 세포가 불필요한 물질을 배출하는 기능을 하는 것으로 인식되었으나, 시간이 지나면서 세포사이에서 상호소통하는 역할이 더 주목 받기 시작하였다. 세포바깥소포체는 진핵생물(eukaryote)뿐만 아니라 다양한 원핵생물(prokaryote)에서도 발견되어, 단세포생물 간의 상호소통의 한 방법으로도 간주된다. 이처럼 세포바깥소포체는 세포 간의 상호소통의 한 방법으로 매우 중요한 의미가 있다[6].

이러한 세포바깥소포체는 DNA, 지질, 단백질, mRNA, microRNA 등을 함유할 수 있는데(Fig.) 자신이 유래한 세포의 특성에 따라 다른 종류의 특징적 단백질, mRNA, microRNA 등을 가지게 된다. 예를 들면 암세포에서 유래된 세포바깥소포체(온코솜이라고도 함)는 종양발생단백질과 세포성장을 유도하는 mRNA를, 항원제시세포(antigen-presenting cell)에서 유래된 세포바깥소포체는 주조직적합복합체를 포함할 수 있다[7]. 또한 신경세포에서 유래한 세포바깥소포체는 퇴행신경계질환에 관련된 응집단백질을 가져서 그 질환의 원인이 되는 단백질을 다른 세포로 퍼지게 하기도 한다.

Figure.

Biogenesis of extracellular vesicle (EV). EVs contain deoxyribonucleic acids, messenger ribonucleic acids (mRNAs), microRNAs, proteins (soluble or insoluble proteins) and lipids. In addition, EVs may harbor membrane receptors on their membrane. Multivesicular body (MVB) was generated by inward budding of early endosome membrane and may contain several vesicles with endosome’s lumen. MVBs can be fused either to lysosome to degrade their contents or to plasma membrane to secrete EVs.

2. 세포바깥소포체(extracellular vesicle)의 생성기전

세포내이입에 의해 형성된 초기 엔도솜(early endosome)은 그 막의 일부가 엔도솜 내강에 존재하는 일부 물질을 포함한 채로 안 쪽으로 함입되어 작은 소포체를 형성할 수 있다. 이러한 일이 반복되면 여러 소포체를 가진 다발수포체(multivesicular body, MVB)가 형성된다. 이 MVB가 용해소체(lysosome)와 융합하면 그 내용물이 분해되지만, 용해소체의 장애 등의 이유로 인하여 분해되지 못하고, 세포막의 지질뗏목(lipid raft)과 만나면 세포막과 융합되어 MVB내의 소포체가 세포바깥으로 방출되기도 한다. 이 과정 중에 생기는 세포바깥소포체는 엑소솜(exosome)이라고도 한다(Fig.)

3. 세포바깥소포체의 기능

세포바깥소포체는 자신이 유래한 세포의 특징적인 단백질이나 RNA 등을 세포바깥에 존재하는 RNA분해효소나 단백질분해효소의 공격으로부터 보호하면서 비교적 먼 거리에 있는 다른 세포로 전달할 수 있다. 이 가능성 때문에 세포바깥소포체는 원거리의 세포 간 상호소통에 중요할 것으로 예상된다. 즉, 다른 세포와의 융합을 통해 세포바깥소포체 막에 존재하는 특정 수용체를 다른 세포에게 전달하거나, 세포바깥소포체 안에 운반하고 있는 전사인자(transcription factor), mRNA 등을 전달하여 다른 세포에서 그에 따른 유전자나 단백질 발현을 가능하게도 한다. 예를 들면 암세포에서 유래한 세포바깥소포체의 경우엔 암 특이적인 종양발생유전자나 성장인자를 전달하여 세포바깥소포체가 만나는 표적세포에서 암세포화를 촉진시킬 수도 있다. 또한 면역세포에서 유래한 세포바깥소포체는 다른 표적세포에서 특정 면역반응을 증진하거나 저해할 수 있다. 모유에서 분리한 세포바깥소포체에는 면역반응이나 발생과 연관된 microRNA가 고농도로 포함되어 있어서 신생아의 소화기관 세포의 관련 유전자를 억제하는 기능의 가능성을 시사한다[8].

신경세포도 세포바깥소포체를 매개로 여러 신경생물학적인 현상을 조절한다[3,9]. 예를 들면 신경세포에서 글루탐산성시냅스(glutamate synapse) 활성을 증진시켰을 때, 신경전달물질 수용체를 가진 소포체의 방출이 증가되었다[10]. 퇴행신경계질환 세포에서 유래된 세포바깥소포체는 각 질병 특이적인 응집단백질을 표적세포에 전달하여 질병을 매개시킬 수도 있다.

세포바깥소포체는 병리적 요인의 전달에도 관여한다. 즉, 사람면역결핍바이러스(HIV)의 수용체를 다른 세포에 전달하여 이 바이러스가 새로운 세포로 침투할 수 있도록 해 주거나[11] 엡스타인-바바이러스(EBV)의 mRNA를 다른 세포로 전달하기도 한다[12].

또한, 단세포인 원핵생물에서 방출되는 세포바깥소포체는 DNA나 독성물질 전달 등 각 개체 간의 신호전달 수단으로 사용될 수도 있다[6].

정상세포에서 소포체는 일정량이 계속 방출되지만, 세포가 저산소증이나 DNA장애, 바이러스감염 같은 스트레스를 받으면 그 방출량이 증가된다. 이는 스트레스에 대한 방어기전과 세포바깥소포체 기능의 관련성을 추측할 수 있도록 해준다[13]. 그러나 질병 특이적인 상황에서 소포체 방출이 증가될 수도 있다. 실제로 다발경화증의 경우에 질병의 활성화 유무(재발 또는 완화 여부)와 소포체 방출량이 연관되어 조절된다[14].

4. 퇴행신경계질환에서 세포바깥소포체를 통한 응집단백질의 세포 간 전이

세포바깥소포체는 그 안에 퇴행신경계질환의 원인으로 알려진 응집단백질을 포함하여서 이 단백질을 다른 신경세포로 운반하는 수단이 될 수 있다. 다른 세포로 전달된 이들 단백질은 그 세포에서 단백질응집을 다시 새로 유도할 가능성이 제시되었다. 예를 들면 치매의 베타아밀로이드(Aβ)[15], 타우(tau)[16], 파킨슨병의 알파시누클레인(α-synuclein)[17], 광우병의 프리온[18], 전두측두엽변성(frontotemporal lobar degeneration, FTLD-TDP)이나 근위축측삭경화(amyotrophic lateral sclerosis, ALS)의 TDP-43 단백질은[19] 세포바깥소포체에 포함되어 다른 건강한 세포로 전달되어서 병리적 단백질의 응집을 확산하여 질병을 초래할 수 있다.

파킨슨병의 경우에, 알파시누클레인은 파킨슨병의 병리학적인 특징으로 간주되는 레비소체(Lewy body)의 주요 구성성분이며 이 단백질의 소중합체(oligomer) 형태는 응집체 형성의 촉진제로 작용하는 것으로 알려졌다. 이러한 알파시누클레인 소중합체나 단량체(monomer)는 소포체를 통해 세포바깥으로 방출되어 다른 신경세포로 전달되어서 그 세포에서의 단백질응집체 형성을 매개하여 세포사멸을 초래하거나, 인접한 다른 성상세포 등으로 들어가서 면역반응을 매개하는 것으로 보고되었다[17,20,21]. 이러한 응집단백질의 존재는 생체액의 종류에 따라 다르다. 예를 들면 알파시누클레인은 혈청이나 척수액의 세포바깥소포체에는 존재하나[17], 소변의 세포바깥소포체에서는 검출되지 않았다[22].

용해소체의 장애는 퇴행신경계질환에서 자주 관찰되는 현상의 하나이다. 세포바깥소포체를 둘러싼 MBV는 용해소체와 융합하여 그 내용물을 분해하는데 퇴행신경계질환 세포에서 일어난 용해소체의 장애는 MBV안에 저장된 응집단백질의 분해를 저해하여 응집단백질이 세포바깥소포체와 세포막의 융합을 거쳐 다른 세포로 전달되는 결과를 초래하게 된다[13]. 치매를 예로 들면 독성이 있는 Aβ가 정상보다 많이 존재할 경우에 세포는 Aβ를 MVB와 같은 세포바깥소포체에 저장하여 용해체와 융합하여 분해하게 한다. 하지만 퇴행신경계질환에서는 용해소체의 장애가 생겨서 MVB안의 Aβ가 분해되지 않고 그대로 세포 바깥으로 분비되어 인접한 다른 세포에 전달되어 질병을 확산시킨다. 이와 별도로 세포바깥소포체의 지질은 불용성 Aβ를 용해성(soluble) Aβ로 전환시켜 신경독성을 일으킨다고도 보고되었다[14].

5. 생물표지자(biomarker)의 조기 검색원으로서의 세포바깥소포체

세포바깥소포체는 여러 기관에서 생성된 다양한 생체액에서 추출이 가능하므로 그 유래가 되는, 조직이나 세포의 특정 병리 상태에 따라 함유된 단백질이나 RNA 종류가 변화될 수 있다. 그러므로 정상인과 환자의 세포바깥소포체의 변화를 통해 관찰할 수 있는 특정 생물표지자의 변화는 질병의 진단에 이용될 수 있다. 세포바깥소포체가 다양한 질병의 조기 검진을 위한 검체로 이용될 수 있는 또 다른 중요한 이유는 세포바깥소포체에 여러 종류의 세포특이적인 단백질이나 RNA 같은 생체물질이 고농도로 농축되어 존재하기 때문이다. 일반 생체액에선 전체 단백질체의 0.01% 정도로 존재하여 통상적인 분석방법으로는 검출이 어려운 단백질도 세포바깥소포체에선 비교적 고농도로 존재하여 그 검출이 용이할 수 있다. 비록 세포바깥소포체에 존재하는 단백질이나 RNA의 종류가 전체의 극히 일부이긴 하나 세포바깥소포체의 물질은 자신이 유래한 세포의 특성을 나타내는 물질을 포함하므로 이러한 질병특이적인 생물표지자를 동정하여 확인만 할 수 있다면 특정 질병의 조기탐지가 비교적 쉽게 가능할 것이다. 실제로 다양한 종류의 암에 대해서 세포바깥소포체를 이용한 생물표지자의 발굴 연구가 단백질, RNA 등을 대상으로 다각도로 진행되고 있다[23].

혈액내의 단백질은 여러 질병의 진단 표지자로 광범위하게 사용되고 있다. 이와 별도로 혈액에서 분리한 세포바깥소포체에 존재하는 단백질이나 microRNA의 양이 특정 암이나 질병에 따라 특이적으로 변화한다는 것은 질병의 조기검진 수단으로서의 세포바깥소포체의 이용 가능성을 시사한다. 특히 뇌질환과 관련하여 교모세포종(glioblastoama) 환자의 혈액에서 추출한 세포바깥소포체에서 종양특이적인 mRNA가 검출된 결과는 뇌조직의 이상을 혈액의 세포바깥소포체에서도 탐지할 수 있는 가능성을 시사하였다[24]. 즉, 퇴행신경계질환 환자의 뇌조직에서 일어나는 변화를 환자의 혈액에서 추출한 세포바깥소포체의 microRNA, mRNA, 단백질 등의 변화로 감지할 수 있는 가능성이 제시되었다. 하지만 세포바깥소포체의 어떤 성분이 질병에 관련하여 유의미하게 변화할 것인가를 결정하는 것은 현재 남겨진 과제이다.

파킨슨병의 병리학적 현상은 다른 퇴행신경계질환과는 달리 중추신경계뿐 아니라, 자율신경계나 장신경계(enteric nervous system)에서 일어나는 현상을 포함한다[25,26]. 파킨슨병의 원인 단백질의 대부분이 뇌조직 외에 인체의 다른 조직에서도 광범위하게 발현된다는 연구결과도 이러한 연구 결과를 지지한다. 만약 신장에 존재하는 파킨슨병의 원인 단백질이 발병 시에 정량, 정성적인 특정변화를 일으킨다면 이는 소변의 세포바깥소포체에 반영될 수도 있을 것이다. 이러한 가정은 소변이 매우 비침습적인 환자 검체라는 점과 더불어 파킨슨병 환자의 소변이 질병진단을 위한 생물표지자를 탐색하는 좋은 검체가 될 수도 있을 것이라는 가능성을 시사한다. 파킨슨병의 원인 단백질 중 LRRK2, Rab7L, DJ-1은 소변의 세포바깥소포체에서 검출되었으나 알파시누클레인은 검출되지 않았다[27]. 이와 연관하여, 파킨슨병의 환자의 소변에서 추출한 세포바깥소포체에서 LRRK2 단백질의 질병 유무에 따른 양적인 변화를 확인하고자 하는 연구가 소규모의 환자 시료를 대상으로 최근에 시도되었으나 뚜렷한 연관관계를 얻지 못하였다[22]. 현재 미국에서는 이 시도를 확대하여 더 많은 수의 파킨슨병 환자의 소변에서 추출한 세포바깥소포체에서 질병진단을 위한 생물표지자를 탐색하고자 하는 시도가 2013년에 미국보건원의 Parkinson’ Disease Biomarker Program에서 승인되어서 미국 알라바마대학에서 환자와 대조군을 각각 200명씩 모집하려고 진행 중이며 2015년 2월 현재 보고에 의하면 68%를 모집하였다(https://pdbp.ninds.nih.gov/jsp/projects/LRRK2-and-other-novel-exosome-proteins.jsp). 최근 본 저자들은 한국인 파킨슨병 환자의 소변에서 추출한 세포바깥소포체에서 LRRK2, DJ-1, 알파시누클레인의 양을 측정하는 시도를 하여서 LRRK2, DJ-1의 존재와 알파시누클레인의 부재를 확인하였고 이 중 DJ-1의 양이 남성 환자의 세포바깥소포체에서 비질환 대조군에 비해 유의미하게 증가되어 있다는 것을 확인하였다. 또한 흥미롭게도 LRRK2, DJ-1의 세포바깥소포체에서의 단백질 양은 질병의 유무가 아닌, 남녀의 성별에 따라 유의미한 차이를 보였다[28].

전립선암 환자의 혈액에서 추출한 세포바깥소포체에는 대조군에 비해 survivin의 양이 유의미하게 증가되었다[29]. 침이나 소변은 환자로부터 쉽게 비침습적으로 얻을 수 있어서 세포바깥소포체 분석에 특별히 좋은 검체이다. 침의 엑소솜에서 509종의 mRNA가 검출되었고 이들 mRNA는 세포바깥소포체를 통해 입각질형성세포(oral keratinocyte)에 전달되어 그 세포의 유전자 발현 양상을 변화시킨다는 보고가 있다[30]. 정상인과 쇼그렌 증후군(Sjögren’s syndrome) 환자의 침에서 추출한 세포바깥소포체의 microRNA 분석결과는 침의 세포바깥소포체를 이 질병의 진단 수단으로 이용할 수 있는 가능성을 확인하였다[31]. 소변은 그 생성이 신장에서 이루어지는 이유로 인하여 신장질환과 관련하여 많이 연구되어 있다[32,33]. 더불어 양수의 세포바깥소포체는 현재 널리 이용되는 양수검사처럼 태아의 질병 진단에 유용할 것이다. 이외에 퇴행신경계질환에는 척수액[34], 전립선암에는 정액[35] 등, 질병과 관련된 특정 생체액의 세포바깥소포체 연구가 진행되고 있다. 치매와 관련된 단백질인 타우, Aβ, 파킨슨병과 관련 있는 알파시누클레인 단백질의 양 변화와 질병의 연관관계는 척수액 자체를 대상으로 하여 이미 많은 연구가 있었으나[36] 척수액 안에 존재하는 세포바깥소포체를 대상으로 한 이들 단백질의 양 변화 연구는 아직 초기단계이다[34].

6. 다발경화증(multiple sclerosis)과 세포바깥소포체

다발경화증은 신경세포의 탈수초화(demyelination)가 일어나는 만성 자가면역질환이며 증상이 주기적으로 나타났다가 사라짐을 반복한다. 이 질병은 백혈구가 혈액뇌장벽(BBB)을 형성하는 상피세포를 뚫고 뇌에 들어가 면역반응을 일으켜서 일어나는 질병으로 추정되고 있다. 다수의 연구가 이 질병의 발달과정에 세포바깥소포체가 중요한 역할을 한다고 보고하고 있다[37]. 즉, BBB의 상피세포나 그 근처의 세포에서 유래한 세포바깥소포체는 면역반응을 일으키는 TNF-α, IFN-γ, IL1-β 같은 염증전시토카인(Proinflammatory cytokine)과 BBB를 분해하는 효소인 금속단백분해효소(metalloproteinase)를 다량 함유하고 있다. 이러한 세포바깥소포체는 세포바깥바탕질(extracellular matrix)을 분해하여 BBB를 파괴한다. 다발경화증 환자에서 세포바깥소포체와 BBB의 연관관계는 증세가 나타나거나(relapse), 사라지는(remission) 환자군과 정상 대조군의 혈장을 뇌혈관 상피세포배양액에 처리한 결과에서 증명되었다. 이 실험에서 증세가 나타난 환자군의 혈장만 단핵구(monocyte)의 상피세포 통과를 증가시켰다[38]. 또한 대조군에 비해 다발경화증 환자군에서 세포바깥소포체의 양이 증가됨이 보고되었다[14]. 다발경화증은 환자에서 그 증상이 나타났다가 사라지는 현상을 반복하게 되는데 특정 단백질을 지닌 세포바깥소포체의 양이 증상의 유무와 유의미하게 연관된다는 보고가 있다[14]. 즉, CD51⁺ 세포바깥소포체의 양은 증상의 유무와 관계없이 일정한데, CD31⁺ 세포바깥소포체의 양은 증상의 재발 시에만 높게 관찰되었다[39]. 하지만 이 연구결과는 다른 연구자에 의해 불충분한 증거에 기반한 해석으로 비판 받았다. 이후 원래 연구자 그룹에서는 CD62E⁺와 CD54⁺를 대상으로 유사한 연구를 수행하여 CD62E⁺를 가진 세포바깥소포체의 양이 CD54⁺를 가진 세포바깥소포체의 양보다 질병의 활성화 정도(재발, remission)와 더 잘 연관된다고 보고하였으나 CD31⁺ 세포바깥소포체의 양과는 비교하지 않았다[40].

7. 질병 치료관점에서의 세포바깥소포체

세포바깥소포체는 그 유래된 세포의 종류에 따라 병의 원인이 되는 물질이나 세포성장을 조절하는 물질을 포함할 수 있으므로 질병의 치료나, 치료에 대한 환자 반응을 확인하는 목적으로 사용될 수도 있다[13]. 그 예로, 암세포에서 유래한 세포바깥소포체에 세포의 성장을 유도하는 병리인자가 존재하므로 이러한 세포바깥소포체를 혈액투석과 비슷한 원리로 제거하여 암의 전이를 막으려는 시도가 있었다[41]. 또한 활성화시킨 줄기세포에서 유래한 세포바깥소포체는 세포자멸사를 저해하거나 세포재생을 촉진할 수 있으며, 암세포의 성장을 방해함이 보고되었다[42].

반면에 세포바깥소포체는 치료제를 특정 표적세포에 전달하는 기능으로 사용할 수도 있다[13]. 즉, 세포를 죽이는 단백질이나 mRNA나, 질병을 매개하는 유전자의 발현을 저해하는 siRNA를 직접 표적 부위에 전달하는 매개체로 세포바깥소포체를 사용할 수 있다. 실제로 치매의 표적유전자인 BACE1의 siRNA를 세포바깥소포체를 이용하여 뇌에 전달하여 BACE1의 발현을 저해한 연구가 보고되었다[43]. 또한, Stat3의 저해제를 함유한 세포바깥소포체를 실험동물의 코로 흡입시킨 결과 그 세포바깥소포체가 뇌에 전달되어 지질다당류(LPS)로 유도한 염증반응을 억제하였다[44].