USP13 stabilizes prohibitin 1 to support CD14 turnover and restrain TLR4-NLRP3 inflammatory signaling in sepsis

신체가 심각한 감염에 직면했을 때, 인체는 외줄타기를 해야 합니다. 침입하는 세균과 싸우기 위해 강력한 방어 체계를 소환해야 하지만, 만약 그 방어가 너무 공격적으로 변하면 신체 자체를 공격하여 장기 부전과 사망을 초래할 수 있습니다. 이러한 위험한 과잉 반응은 면역 체계가 자신의 반응을 조절하는 능력을 상실하는 상태인 패혈증의 특징입니다. 이 전투의 최전선에는 면역 세포 표면에 있는 특화된 센서들이 있습니다. 이 센서들은 세균의 징후를 감지하면 경보를 울리는 초인종처럼 작동합니다. CD14라고 불리는 이러한 센서 중 하나는 TLR4와 밀접하게 협력하여 흔한 박테리아 성분을 인식하고 염증 반응을 유발합니다. 인체는 임무가 완료되면 이 센서들을 꺼서 경보가 영원히 울리는 것을 방지하는 내장된 메커니즘을 가지고 있습니다. 이 센서들을 끄는 과정은 이들을 제거하기 위해 태그를 붙이는 과정을 포함하는데, 이는 마치 세포의 재활용 센터가 그것을 분해할 수 있도록 패키지에 "폐기" 스티커를 붙이는 것과 비슷합니다. 만약 이 재활용 시스템이 실패하면, 센서들이 쌓이게 되고 경보는 계속 울리며, 인체는 통제되지 않는 염증으로 고통받게 됩니다.

연구자들은 오랫동안 프로비리틴 1(prohibitin 1), 즉 PHB1이라는 단백질이 CD14 센서의 재활용 과정을 관리하는 데 도움을 준다는 사실을 알고 있었습니다. 그러나 상하이 자오퉁 대학교와 푸단 대학교 과학자들의 새로운 연구는 PHB1 자체가 매우 취약하며 제 역할을 하기 위해 보호가 필요하다는 사실을 밝혀냈습니다. 연구팀은 또 다른 단백질인 USP13이 PHB1의 수호자 역할을 한다는 것을 발견했습니다. 패혈증의 스트레스 상황에서 인체의 이 수호자 단백질 수치는 떨어집니다. USP13이 충분하지 않으면 PHB1은 너무 빠르게 분해됩니다. 이는 CD14 센서에 관리자가 없게 만들어, 세포 표면에 센서가 축적되게 합니다. 그 결과는 통제 불능의 염증 신호이며, 이는 폐를 손상시키고 사망 위험을 높입니다. 연구진은 수호자 단백질이 부족한 상태에서도 PHB1의 수치를 회복시키면 폭풍을 잠재우고 생존율을 높일 수 있다는 것을 발견했습니다. 이 연구는 면역 체계가 자신의 경보를 어떻게 끄는지에 대한 구체적인 사건의 사슬을 규명하였으며, 왜 패혈증이 통제 불능 상태로 치닫는지에 대한 새로운 이해를 제공합니다.

이 발견으로 가는 여정은 인간 데이터를 살펴보는 것에서 시작되었습니다. 연구진은 51명의 패혈증 환자와 22명의 건강한 사람의 혈액 샘플에서 얻은 유전 정보를 분석했습니다. 그들은 USP13 유전자가 건강한 집단에 비해 패혈증 환자들에게서 현저히 조용하다는 것을 발견했습니다. 이것이 단순히 감염 중에 순환하는 백혈구가 너무 많아서 발생하는 부작용이 아님을 확실히 하기 위해, 연구진은 분석을 조정했으며, USP13의 감소는 여전히 명확했습니다. 또한 연구진은 상하이의 한 병원에 입원한 고령 환자 소규모 그룹을 대상으로, 진단 시점부터 질병의 초기 단계가 지날 때까지 추적 관찰했습니다. 이 환자들에게서 USP14 수치는 시작 단계에서 낮았지만, 질병의 초기 단계를 지나면서 회복되는 징후를 보였습니다. 이러한 패턴은 USP13의 손실이 단순한 무작위 변동이 아니라 질병의 실질적인 특징임을 시사했습니다.

이 단백질이 없을 때 어떤 일이 일어나는지 이해하기 위해, 연구팀은 실험실 모델을 활용했습니다. 그들은 배양 접시에서 인간 폐 세포를 배양하고 USP13의 생산량을 줄였습니다. 이 세포들이 염증을 유발하는 것으로 알려진 박테리아 독소에 노출되었을 때, USP13이 부족한 세포들은 정상 세포보다 훨씬 더 많은 피해를 입었습니다. 이들은 세포 내부에서 녹처럼 작용하는 해로운 분자인 활성 산소를 더 많이 생성했으며, 정상 세포보다 훨씬 더 빨리 죽는 징후를 보였습니다. 또한 이 세포들은 몸이 도움을 요청하는 방식이지만 과도할 경우 파괴적일 수 있는 TNF-알파 및 IL-6와 같은 염증 화학 물질을 더 높은 수준으로 방출했습니다. 이러한 실험들은 USP13이 없으면 세포가 감염의 스트레스를 적절히 처리할 수 없음을 확인시켜 주었습니다.

과학자들은 이어 USP13이 세포를 어떻게 보호하는지 조사했습니다. 그들은 USP13이 PHB1과 물리적으로 결합한다는 것을 발견했습니다. 세포 생물학의 언어로, 단백질은 종종 자신을 파괴 대상으로 표시하는 유비퀴틴이라는 작은 태그를 운반합니다. 연구팀은 USP13이 존재할 때, 이 태그들을 PHB1에서 제거하여 PHB1이 분해되는 것을 효과적으로 막는다는 것을 보여주었습니다. USP13이 없으면 PHB1은 태그가 붙고 훨씬 더 빠르게 파괴됩니다. 이러한 관계는 태그를 자르는 능력을 잃은 버전의 USP13은 더 이상 PHB1을 보호할 수 없다는 것을 보여줌으로써 증명되었습니다. 결과는 명확한 명령 체계였습니다: USP13은 PHB1을 안정적으로 유지하고, PHB1은 CD14 센서를 관리하는 데 필요합니다.

이 사슬이 살아있는 동물에서도 유지되는지 확인하기 위해, 연구진은 생쥐를 사용했습니다. 그들은 생쥐의 정맥에 바이러스를 주입하여 USP13 또는 PHB1의 수치를 낮추었습니다. 이후 이 생쥐들에게 패혈증을 모사하기 위해 박테리아 독소를 투여했을 때, 이들은 일반 생쥐보다 훨씬 높은 사망률을 보였습니다. 이들의 혈액은 높은 수준의 염증 화학 물질로 가득 찼으며, 폐는 심각한 스트레스와 세포 사멸의 징후를 보였습니다. 이는 두 단백질 쌍 중 하나라도 상실하는 것이 동물을 감염에 훨씬 더 취약하게 만든다는 것을 입증했습니다.

연구의 가장 결정적인 부분은 USP13의 상실로 인한 손상을 PHB1을 복구함으로써 고칠 수 있는지 테스트하는 것이었습니다. 연구진은 USP13이 결핍된 생쥐를 만든 다음, 바이러스 벡터를 사용하여 PHB1을 투여했습니다. 이 생쥐들은 두 단백질이 모두 결핍된 생쥐들에 비해 패혈증 도전에서 훨씬 높은 생존율을 보였습니다. 이들의 염증 화학 물질 수치는 떨어졌고, 폐는 더 건강해 보였습니다. 연구 결과의 현실 세계 치료 적용 가능성을 높이기 위해, 연구진은 유전 공학에 의존하는 대신 직접 체내에 주입할 수 있는 버전의 PHB1을 테스트했습니다. USP13에 대해 침묵(silencing)된 상태였던 생쥐에게 이 단백질을 투여했을 때, 감염 시작 몇 시간 후에 투여했음에도 불구하고 여전히 염증을 줄이고 생존율을 높였습니다. 이는 수호자가 부재함으로 인해 발생한 문제가 그가 보호해야 했던 일꾼을 교체함으로써 해결될 수 있음을 시사했습니다.

연구팀은 또한 인간의 분변 박테리아 혼합물을 생쥐의 복부에 주입하는 방식, 즉 단일 독소가 아닌 여러 유형의 박테리아가 관여하는 실제 상황을 모사한 더 복잡한 패혈증 모델에서 이 메커니즘이 어떻게 작동하는지 탐구했습니다. 결과는 동일했습니다: USP13 또는 PHB1이 결핍된 생쥐는 더 큰 고통을 겪었으며, PHB1을 복구하는 것이 그들을 구했습니다. 더욱이, 그들은 이 단백질들 사이의 관계가 엄격하게 단방향임을 보여주었습니다. PHB1을 복구하는 것은 USP13 결핍으로 인한 문제를 해결할 수 있었지만, 추가적인 USP13을 더하는 것은 PHB한 결핍으로 인한 문제를 해결할 수 없었습니다. 이는 PHB1이 제어 계층 구조에서 USP13 바로 아래에 위치함을 확인시켜 주었습니다.

마지막으로, 연구진은 이 효과를 CD14 센서까지 추적했습니다. 그들은 PHB1이 없을 때 CD14 센서가 제거를 위한 태그를 받지 못한다는 것을 발견했습니다. 대신, 센서들이 세포 표면에 쌓였습니다. 이러한 축적은 세포를 박테리아 신호에 과민하게 만들었고, 결국 동물을 죽게 만든 과도한 염증을 초래했습니다. PHB1을 복구함으로써 태깅 과정이 정상으로 돌아왔고, 센서들이 제거되었으며, 염증 반응이 다시 통제 범위 내로 들어왔습니다.

이 연구는 패혈증에 대한 즉각적인 치료법을 제시하거나, 환자에게 PHB1을 투여하는 것이 준비된 치료법이라고 주장하는 것이 아닙니다. 연구진은 인간에게 이러한 치료를 시행할 때 최적의 용량, 타이밍, 그리고 장기적인 안전성을 아직 결정하지 않았다고 주의를 기울였습니다. 그러나 이 작업은 끊어진 경로에 대한 명확한 지도를 제공합니다. 이는 패혈증에서 인체가 또 다른 단백질을 안정화하는 보호 단백질을 잃게 되고, 이것이 결과적으로 면역 체계의 센서를 날뛰게 만든다는 것을 보여줍니다. 이 구체적인 연결 고리를 식별함으로써, 이 연구는 미래 연구를 위한 새로운 목표를 제시하며, 이 단백질 사슬을 안정화하도록 설계된 요법이 언젠가 인체가 자신의 방어 체계를 다시 통제하는 데 도움이 될 수 있음을 시사합니다.