항체 (antibody, Ab)는 항원과 결합하는 단백질을 말하며, 혈액과 체액에 녹아있는 면역글로불린 (immunoglobulin, Ig)을 일컫는 말이다. 항체는 B 림프구의 세포표면에도 존재하는 데, 이를 표면 면역글로불린 (surface immunoglobulin)이라고 부르며, B 림프구에서 항원수용체 (antigen receptor)로 작용한다. B 림프구는 세포표면의 항체단백질 즉 면역글로부린을 이용하여 항원과 반응하게 되며, 특정한 항원과 반응한 B 림프구 클론은 plasma cell로 분화되어 자신이 세포표면에 가지고 있던 것과 똑 같은 항체를 세포 밖으로 분비하게 되는 것이다. 이렇게 B 림프구 밖으로 분비된 항체는 혈액이나 체액에 있는 항원과 결합하여 항원의 작용을 방해하거나 (neutralize), 항원이 제거되도록 만든다.
다클론/단클론항체 (polyclonal and monoclonal antibody)
항원을 주사하면, 혈액 중에는 항체가 생성된다. 혈액을 응고시키면 혈구와 섬유소 (fibrin)가 합쳐져 응고된 덩어리가 생기며, 그 위에 맑은 액체부분이 생기게 된다. 이 액체부분을 혈청 (serum)이라고 부르며, 이 액체 속에 다른 단백질과 더불어 항체단백질도 존재한다. 일반적으로, 항원에 의하여 면역된 혈액에서 얻은 혈청을 항혈청 (antiserum)이라고 부르는데, 이 항혈청을 항원과 반응시키면 항원-항체 반응을 얻을 수 있는 것이다. 비록 항혈청 속에는 여러 가지 종류의 단백질이 존재하고 심지어는 여러 항체까지 있긴 하지만 항혈청 전체의 항원에 대한 반응성은 넣어준 항원에 대하여 특이적이다.
이렇게 항혈청을 이용하여 항원을 조사하는 것을 혈청학 (serology)이라고 하며, 아직도 세균을 세분하거나 감염을 진단하는 데 유용하게 사용되고 있다. 그러나, 항원을 투여하여 혈청에 생성된 항체는 비록 그 항원과 특이적으로 반응하긴 하지만, 실제로는 그 항원과 반응하는 여러 가지 종류의 항체들이 모여있는 것이다. 하나의 항원에 대하여 이렇게 여러 가지의 항체가 만들어지는 이유는 항원이 순수하지 않아서가 아니라, 항체가 항원의 일부 지역과 반응하기 때문이다.
항체가 결합하는 항원의 일부 지역을 항원결정부위 (에피톱)라고 부르며, 하나의 항원에는 이러한 부위가 여러 개 존재하며, 각각의 항원결정부위들에 대하여 서로 다른 항체들이 만들어지기 때문이다. 비록, 항원의 크기가 작아서 항원분자에 하나의 항원결정부위 밖에 없다 하더라도, 여러 가지의 항체가 생산될 수 있다. 왜냐하면, 하나의 항원결정부위에 대하여도 친화력이 서로 다른 여러 가지의 항체들이 결합할 수 있기 때문이다.
하나의 항원에 대하여 여러 가지 항체가 만들어지는 이유는 클론선택이론으로 설명할 수 있다. 들어온 항원은 자신과 반응하는 항원수용체 (항체)를 가지고 있는 B 림프구 클론들과 반응하여, 그들을 활성화시킨다. 일반적으로 하나의 항원은 여러 개 B림프구 클론들과 반응할 수 있으며, 결과적으로 이들 여러 클론들이 활성화되게 되며, 각각의 클론들이 항체를 만들게 된다. 이와 같이 하나의 항원에 대하여 여러 개의 클론이 동시에 활성화되어 만들어진 항체를 다클론항체 라고 부르며, 항혈청 내의 여러 항체의 모임이 바로 다클론항체이다.
Figure 1. 특정 항원을 쥐에게 주입하여 항체를 생성한 다음 B림프구를 분리하여 분열 속도가 빠른 암세포와 결합시킨다. 생성된 하이브리도마 세포를 분리 배양하여 각 항원에 대한 단일 클론 항체를 대량으로 생산한다. 이때 각각의 단일 클론 항체는 한 종류의 항원만을 인식하게 된다.
비록 항혈청이 여러 항체가 모여서 이루어진 다클론항체이긴 하지만, 항혈청은 여전히 그 반응 특이성이 항원 특이적이기 때문에 항원 항체 반응을 조사하는 데는 아무 문제가 없다. 그러나, 개개 항체의 아미노산 배열을 연구 한다든지, 또는 항체에 독소를 결합시켜 암세포를 파괴하는 면역독소 (immunotoxin)를 만든다 든지 할 때와 같이 단지 한가지 항원 특이성만이 요구되는 경우에는 항혈청을 사용할 수 없다는 단점이 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여, 하나의 B 림프구 클론으로부터 얻어지는 한가지 항원 특이성을 가진 항체, 즉 단클론항체 (monoclonal antibody)를 인위적으로 만들게 되었다. (Figure 1) 일반적으로, 정상 세포인 B 림프구는 시험관에서 배양하면 곧 죽어버리기 때문에, 하나의 B 림프구만을 시험관에서 분리 배양하여 원하는 단클론항체를 얻는 것을 어렵다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 Kohler와 Milstein은 1975년에 hybridoma 방법을 개발하여 단클론항체를 만드는데 성공하였으며, 이후 이 방법을 이용하여 수많은 단클론항체들이 개발되어 현재까지도 유용하게 사용되고 있다.
Hybridoma란 항체를 생산하는 B 림프구와 myeloma cell을 융합하여 얻은 세포를 말한다. B 림프구와 세포융합에 사용되는 myeloma 세포는 형질전환된 B 림프구(plasma cytoma)의 일종으로 배양접시에서 오랜 기간 배양할 수 있지만, 돌연변이 유도과정을 통하여 항체를 만들지 못하는 세포로 전환된 것이다. 이들 myeloma세포와 융합되어 얻어진 hybridoma 세포는 myeloma 세포처럼 잘 자랄 수 있게 되고, 항체를 생산하게 된다. 이러한 hybridoma 세포 중에서 원하는 항체를 생산하는 hybridoma 클론을 분리해내면 손쉽게 단클론항체를 얻을 수 있는 것이다.
① 하이브리도마 (hybridoma)의 제조
Hybridoma를 이용한 단클론항체의 생산 과정을 살펴보기로 하자. (Figure 1) 단클론항체를 얻기 위하여는, 먼저 항원을 생쥐에 주사하여, 생쥐의 혈액 중에 그 항원과 반응할 수 있는 B 림프구의 수를 훨씬 많이 늘어나게 만든다. 특정한 항원과 반응하는 B 림프구의 수가 많아지게 되면 원하는 hybridoma를 얻을 수 있는 가능성이 높아지게 되므로, 원하는 항체를 얻기가 쉬워지게 된다. 면역된 생쥐에서 비장을 떼어내어 림프구를 분리한 다음, 배양한 myeloma 세포와 융합시킨다. 융합된 세포를 hypoxanthin, aminopterine, 그리고 thymidine이 첨가되어 있는 배지 (HAT medium)에서 배양하여 myeloma와 B 임프구만이 융합된 세포 (hybridoma)를 선택적으로 얻는다. 얻어진 hybridoma 세포 중에서 원하는 항체를 생산하는 세포를 선별 (screening)해내어 단클론항체를 생산할 수 있는 것이다.
② hybridoma 선택의 원리
myeloma 세포와 B 림프구를 융합하게 되면 원하는 hybridoma도 만들어지지만, 융합되지 않고 남아있는 myeloma 세포나 B 림프구들도 있으며, 심지어는 myeloma 세포끼리 또는 B 림프구끼리 융합된 세포들도 존재하게 된다. 그러므로 hybridoma 클론을 얻기 위하여는 이들 여러 세포로부터 myeloma와 B임프구만이 융합된 세포를 얻어야 한다.
B 림프구는 세포 배양을 어느 정도 하면 모두 죽게 된다. 그래서 융합되지 않은 B 림프구나 B 림프구끼리 융합된 세포들은 어느 정도 배양시간이 지나면 모두 죽어 버리므로 자연히 없어지게 된다. 그러나 융합되지 않은 myeloma 세포나 myeloma 세포끼리 융합된 세포들은 여전히 시험관에서 잘 자라기 때문에 myeloma와 B 림프구가 융합된 hybridoma 와 같이 자라게 되면 이들 myeloma 세포 같이 자라게 되어 hybridoma 세포를 얻기가 어렵게 된다.
세포 융합에 사용된 myeloma 세포는 항체를 생산하지 못하는 돌연변이체이기 때문에, 이들이 잘 자라게 되면 원하는 항체를 생산하는 hybridoma 클론을 선별해내는 데 큰 어려움을 겪게 된다. 이와 같은 현상을 방지하기 위하여, hybridoma의 제조에 사용되는 myeloma 세포에 또 다른 돌연변이를 유도하여, myeloma 세포가 B 림프구와 융합되지 못하면 선택되어 죽어버리도록 만든다 (selection).
이러한 목적을 위하여 항체를 생산하지 못하는 myeloma 세포의 nucleotide의 생합성의 과정에 돌연변이를 유도하여, 특별한 조건에서 DNA의 복제가 일어나지 않게 만들면, B 림프구와 융합되지 않은 myeloma 세포를 쉽게 제거할 수 있게 되는 것이다.
DNA 복제에는 핵산 합성의 원료인 퓨린 (purine)과 피리미딘 (pyrimidine) 염기가 필요하므로, 복제가 일어나기 위하여는 이들 염기를 세포가 섭취하든지 아니면 생합성 하여야 한다. 이 중 퓨린 염기의 생합성은 세포 내에서 phosphoribosyl pyrophosphate와 uridilic acid로부터 시작되는데, 이 퓨린 생합성 과정은 아미노테린 (aminopterine)이라는 화합물에 의하여 차단이 될 수가 있고, 결과적으로 DNA의 복제가 중지되어 세포는 결국 죽고 만다.
그러나, 보통의 세포들은 아미노테린으로 처리하더라도 예비적인 purine 생합성 과정이 있어서, nucleotide를 합성할 수 있으며 죽지 않고 살 수 있다. 이 구원경로는 thymidine과 hypoxanthin으로부터 각각 pyrimidine과 purin nucleotide를 만드는 과정으로, 이 과정에서 중요한 효소가 각각 thymidine kinase (TK)와 hypoxanthin guanine phosphoribosyl transferase (HGPRT) 라는 효소들이다. 그러므로, 세포를 아미노테린으로 처리하더라도, 배지에 thymidine과 hypoxanthin을 넣어준다면 정상세포는 TK와 HGPRT 효소가 존재하기 때문에 죽지 않고 살아남을 수 있으며, 마찬가지로 정상세포와 융합된 hybridoma 세포도 죽지 않게 된다. 그러므로, TK와 HGPRT 효소의 유전자 중 하나에라도 돌연변이가 일어나면, 돌연변이된 세포는 aminopterine이 들어 있는 배지에서 thymidine이나 hypoxantine을 넣어주어도 nucleotide 생합성이 막혀서 성장을 할 수가 없는 것이다.
이러한 원리를 이용하여 항체를 생산하지 못하게 만든 myeloma 세포에 또 다시 TK나 HGPRT 효소 중 하나의 유전자에 돌연변이를 유도하여, 돌연변이된 myeloma 세포를 만들어 hybridoma 제조에 사용하였다. 이러한 돌연변이체 myeloma 세포는 aminopterine과 thymidine, hypoxantine이 함유된 배지 (HAT medium)에서 성장할 수 없지만, myeloma 세포와 B 림프구와 융합되어 얻어진 hybridoma 세포에는 B 림프구가 제공한 정상적인 TK나 HGPRT 효소가 있기 때문에, 이 배지에서 hybridoma 세포만이 성장을 계속할 수 있는 것이다. 반면에, myeloma 세포와 융합되지 않은 B 림프구들은 시험관에서 계속하여 자랄 수 없는 세포들이기 때문에, 배양하다 보면 자연히 죽어나가게 된다. 이와 같이하여, HAT이 들어있는 배지에서는 자연히 myeloma와 B 림프구가 융합된 hybridoma만이 성장하게 되는 것이다.
③ 단클론항체의 생산
HAT selection을 거쳐서 일단 hybridoma가 얻어지면, 이들 중에서 원하는 항체를 생산하는 hybridoma세포를 선별해내야 하며, 이들 세포를 정제하여 원하는 단클론항체를 생산하는 hybridoma세포를 분리해내면, 그 세포로부터 원하는 단클론항체를 얻을 수 있다. (Figure 1)
먼저, hybridoma 세포를 각각의 세포를 서로 나누어 서로 다른 배양접시에 배양한다. 배양이 어느 정도 이루어지면, 배지를 이용하여 항원과 반응시켜보아 원하는 항체가 만들어진 hybridoma 클론을 선별해낸다. 이 과정을 몇 번 되풀이하면, 원하는 단클론항체만을 생산하는 하나의 hybridoma 클론을 얻을 수 있다.
원하는 hybridoma 클론이 분리되면, 이 클론을 배양하여 배양액에 존재하는 단클론항체를 분리하여 사용할 수도 있으며, 생쥐의 복강에 hybridoma 클론을 주사하여 얻은 복수액 (ascite fluid)으로부터 단클론항체를 얻을 수도 있다. 이렇게 얻어진 단클론항체는 면역진단, 면역치료, 그리고 항원 및 항체의 분자생물학적인 연구, 더 나아가 촉매항체와 같은 유용한 항체를 얻는 데에도 널리 이용되고 있다.
항체의 구조 (Structure of Immunoglobulins)
항체의 구조를 연구하기 위하여는 원칙적으로 단클론항체와 같은 순수한 한가지 종류의 항체 단백질을 분리하여야 한다. 특히, 항체 단백질의 아미노산 배열이나 입체 구조를 연구하는 데 있어서는 더욱 그러하다. 항혈청에 들어 있는 항체들은 비록 항원특이성은 비슷하지만 여러 가지 항체 단백질이 모여있는 것이어서, 구조 연구에 불리하다. 그러나 항혈청의 항체는 그 전체적인 구조가 서로 매우 비슷하여 생화학적 방법으로 그 구조를 연구하는 데 큰 문제가 없었다.
항체는 전하 (charge), 크기 (size), 용해도 (solubility)등과 같은 물리화학적 성질이 매우 유사하기 때문에 항혈청을 전기영동 하여 보면, 항체는 가장 음극 쪽, 즉 albumin, α-globulin, β-globulin 보다 더 음극 쪽에 모여서 나타난다. 그 결과, 항체를 다른 말로 γ-globulin이라고 부르게 된 것이며, 다른 말로 면역반응에 관여하는 글로부린이라 하여 immunoglobulin (Ig)이라고도 부르는 것이다.
항혈청을 보다 정밀하게 전기영동을 해보면 항체는 적어도 다섯 가지 집단으로 구성되어 있음을 알 수 있으며, 이를 서로 다른 항체의 급 (class) 또는 아이소타입 (isotype)이라고 부른다. 사람이나 생쥐의 경우에는 IgG, IgM, IgA, IgD, IgE등의 다섯 가지 급의 항체가 확인되었다. 이들 중에서 IgG와 IgA 급에 속하는 항체들은 보다 더 작은 단위의 집단으로 나뉘어져 있는 것이 확인되었으며, 이들을 아급 (subclass) 또는 아형 (subtype)라고 부른다. 사람의 경우 IgG급의 항체에는 IgG1, IgG2, IgG3, IgG4 등의 아형이 있으며, IgA 급의 항체에는 IgA1, IgA2 등의 아형이 존재한다. (Table 1)
전기영동 법으로 항체를 다섯 가지 정도로 나눌 수 있기는 하지만, 각각의 항체 단백질이 결합할 수 있는 항원 특이성의 종류는 상당히 다양하기 때문에 비록 같은 급의 항체라 하더라도 서로 다 같은 것을 아니다. 항체의 항원특이성은 약 107-109 정도가 되는 것으로 추정되는 데, 항체의 집단은 다섯에서 열까지 정도밖에 안되므로, 항체들은 서로 공통적인 구조와 독특한 구조를 동시에 가지고 있음을 추정해 볼 수 있을 것이다.
항체는 항원결합부위 지역의 아미노산 배열이 서로 다르나 (V region), 그 외의 지역의 아미노산 배열은 같은 급의 항체에서는 서로 완전히 같기 때문에 (C region), 비록 수많은 항체가 존재하더라도 생화학적으로 이렇게 소수의 집단으로 구분되는 것이다.
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Name |
Types |
Description |
Antibody Complexes |
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IgA |
2 |
Found in mucosal areas, such as the gut, respiratory tract and urogenital tract, and prevents colonization by pathogens. Also found in saliva, tears, and breast milk |
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IgD |
1 |
Functions mainly as an antigen receptor on B cells that have not been exposed to antigens. It has been shown to activate basophils and mast cells to produce antimicrobial factors. |
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IgE |
1 |
Binds to allergens and triggers histamine release from mast cells and basophils, and is involved in allergy. Also protects against parasitic worms. |
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IgG |
4 |
In its four forms, provides the majority of antibody-based immunity against invading pathogens. The only antibody capable of crossing the placenta to give passive immunity to fetus. |
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IgM |
1 |
Expressed on the surface of B cells (monomer) and in a secreted form (pentamer) with very high avidity. Eliminates pathogens in the early stages of B cell mediated (humoral) immunity before there is sufficient IgG. |
Table 1. Antibody isotypes of mammals
① 항체의 기본 구조
항체 중에서 IgG 급의 항체는 오래 전부터 연구 되어져 왔다. 그 이유는 이 급의 항체가 혈액 중에 가장 많이 존재하는 항체의 급이기 때문이기도 하지만, 항체 중에서 비교적 단순한 구조를 가지고 있기 때문이기도 하다. IgG급의 항체를 2-mercaptoethanol과 같은 환원제로 처리하면, 항체에 존재하는 cystein 아미노산간의 disulfide bond가 환원되어 그 연결이 끊어지게 된다. 이와 같이 처리한 IgG 항체 단백질을 전기영동 하여 보면 두 가지 크기의 단백질이 확인되는 데, 이는 IgG 항체가 큰 사슬 단백질(heavy chain)과 작은 사슬 단백질(light chain)이 disulfide bond에 의하여 서로 공유 결합하여 만들어진 것을 뜻한다. (Table 2) 또한 각각의 heavy chain과 light chain의 분자량이 각각 50,000 달톤과 25,000 달톤으로 나타났으며, 전체 IgG 한 분자의 분자량은 약 150,000 달톤 정도이므로, IgG 항체 한 분자는 두 개의 heavy chain과 두 개의 light chain으로 구성되어 있는 것이다.
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1. Fab region 2. Fc region 3. Heavy chain (blue) with one variable (VH) domain followed by a constant domain (CH1), a hinge region, and two more constant (CH2 and CH3) domains. 4. Light chain (green) with one variable (VL) and one constant (CL) domain 5. Antigen binding site (paratope) 6. Hinge regions. |
Table 2. Structure of immunoglobulin
항체의 구조는 항체를 단백질 분해효소로 절단한 연구 결과에서도 유추할 수 있다. IgG 항체를 단백질 분해효소인 papain으로 잘라보면, 또 다시 두 가지 조각으로 나누어지는 것을 확인할 수 있다. (Table 2) 이들 중 한 조각은 항원과 결합하며, 다른 조각은 항원과 결합하지 않는 것으로 확인되었다. 항원과 결합할 수 있는 조각을 Fab (antibody binding fragment)라고 부르며, 항원과 결합하지 못하는 조각을 Fc (crystalizable fragment)라고 부른다. (Table 2) 특히, Fc 지역은 단백질을 모아놓으면 결정을 형성할 수 있는데, 이는 비록 IgG급 항체의 항원특이성이 다르다 하더라도 이 지역을 구성하는 단백질의 아미노산 배열이 서로 같다는 것을 뜻한다.
한 분자의 항체를 절단하였을 때, 두 분자의 Fab가 얻어지며, 각각의 Fab는 모두 독립적으로 항원과 결합할 수 있으며, 그 결합성이 서로 같은 것으로 확인되었다. 이는 한 분자의 IgG 항체에는 항원이 결합할 수 있는 두 개의 독립적인 자리가 있음을 뜻하며, 하나의 항체분자는 두 분자의 항원과 동시에 결합할 수 있음을 뜻한다. 항체를 또 다른 단백질 분해효소인 pepsin으로 절단하였을 때에도 항원결합 능력이 있는 조각이 얻어지는 데, 이 부분을 F(ab')2이라고 부른다. 이 F(ab')2 조각은 Fab와는 달리 두 개의 항원결합부위가 한 조각 내에 존재하는 것이다. (Figure 2)
이러한 실험들을 정리해 보면, IgG 급의 항체가 두 개의 단백질 사슬로 구성되어 있으며, 두 분자의 항원과 결합할 수 있고, 항원결합과 상관없는 부위는 그 아미노산 배열이 매우 유사할 것이라는 것을 보여주는 것이다. 항체를 구성하는 두 분자의 단백질은 각각 heavy chain과 light chain이라고 부르며, 한 분자의 IgG 급 항체에는 두 분자의 heavy chain과 두 분자의 light chain이 서로 쌍을 이루고 있으며, 두 개의 항원 결합부위가 존재하는 전체적으로 Y자 모양을 한 단백질임을 알 수 있다. (Figure 2)
자연상태의 항체에서 하나의 항체가 가지고 있는 두 분자의 heavy chain은 서로 완전히 같으며, 두 분자의 light chain도 서로 같은 것으로 확인되었다. 항체의 heavy chain 과 light chain은 서로 사슬간 disulfide bond와 같은 공유결합 외에도 소수성 상호작용 (hydrophobic interaction)등과 같은 비공유결합으로 인하여 안정된 구조를 형성하고 있는 것으로 알려져 있다.
하나의 항체 분자를 구성하는 각각의 heavy chain과 light chain의 아미노산 배열이 완전히 같고, 이들 두 사슬의 아미노 말단 지역에 항원결합부위가 존재하기 때문에, 하나의 항체에는 두 개의 똑같은 항원결합부위가 존재하게 된다. IgG와는 다른 급의 항체들은 비록 그 아미노산의 배열이 IgG와 다르긴 하지만 근본적으로는 IgG급의 항체와 유사한 구조를 하고 있는 것으로 확인되었다.
② 항체의 입체 구조
IgG 급 항체의 light chain은 분자량이 약 25,000 달톤 정도 되는 단백질로서, 약 220개의 아미노산으로 구성된 단백질이다. 사람에서는 κ 또는 λ chain이라고 부르는 두 가지 급 (class)의 light chain 단백질이 IgG 항체를 이루고 있는 것으로 조사되었다.
하나의 항체를 구성하는 light chain 단백질은 한가지뿐이며, 또한 heavy chain 단백질도 한가지뿐이므로 하나의 항체에 존재하는 heavy chain과 light chain은 각각 서로 똑 같다. 즉 IgG 항체는 두 개의 heavy chain 단백질 (γ heavy chain)에 두 개의 κ light chain으로 되어 있거나 두 개의 heavy chain 단백질 (γ heavy chain)에 두 개의 λ light chain로 구성되어 있다. (Figure 3)
사람의 경우 IgG 항체에서 κ chain을 가진 항체가 λ chain을 가진 항체보다 더 많이 확인된다. 다른 급의 항체에서도 light chain은 κ 또는 λ chain으로 구성되어 있기 때문에 전체 항체의 급은 light chain과는 상관없이 전적으로 heavy chain에 의하여 결정된다. 서로 다른 여러 항체에서 κ chain을 얻은 후 그 아미노산 배열을 비교해 보면, 아미노 말단 (N-terminal) 아미노산의 배열은 κ chain 마다 서로 다르나, 카복시 말단 (C-terminal)의 아미노산의 배열은 서로 같은 것으로 나타났다.
κ chain 마다 그 배열이 다양하게 나타나는 아미노 말단 쪽의 100개 아미노산으로 구성된 지역을 다양한 지역 (variable region, V region)이라고 부르고, 그 뒤의 카복시 말단 쪽의 100개 아미노산으로 구성된 지역을 일정한 지역 (constant region, C region)이라고 부른다. 이와 같은 light chain 단백질의 아미노산 배열 형태는 λ chain에서도 확인된다. κ 또는 λ chain의 V 지역은 각각 heavy chain의 V 지역과 합쳐져 항원과 결합하는 부위를 구성하므로, V 지역의 아미노산 배열은 항원특이성을 결정하는 데 매우 중요하다.
heavy chain은 그 분자량이 50,000-70,000 달톤 정도되는 단백질로서, 약 450-700개의 아미노산으로 구성되어 있으며, light chain과는 달리 당이 결합된 당 단백질이다. heavy chain에는 각각의 급에 따라 서로 다른 단백질이 존재하는 데, IgG 항체는 γ heavy chain을 가지고 있고, IgD는 δ chain을, IgE는 ε chain을, IgM은 μ chain을, 그리고 IgA는 α chain을 가지고 있다. (Figure 3) 항원특이성이 서로 다른 IgG 급 항체에서 γ heavy chain의 아미노산 배열을 비교해 보면, light chain의 경우와 마찬가지로 아미노 말단 쪽의 100개 아미노산의 배열은 서로 다르게 구성되어 있으나, 그 뒤의 300여 개 아미노산의 배열을 각 항체마다 서로 매우 유사하거나 같은 것으로 확인되었다.
즉, heavy chain의 경우도 아미노 말단 쪽에는 100개 아미노산으로 구성된 다양한 지역 (variable region, V region)이 있으며, 나머지 부분은 아미노산의 배열이 서로 같은 일정한 지역 (constant region, C region)으로 구성되어있는 것을 확인할 수 있다. γ heavy chain의 일정한 지역은 모두 약 300개의 아미노산으로 구성되어 있는 데, 이들은 100여 개의 아미노산으로 구성된 세 개의 지역으로 구성되어 있는 점이 하나의 C 지역만을 가지고 있는 light chain과 다르다.
한 분자의 항체에서 하나의 heavy chain은 하나의 light chain과 짝을 이루고 있으며, heavy chain은 또한 C 지역에서 서로 짝을 이루고 있어서 전체적으로 Y자 모양을 이루고 있다. 각각의 항체에서 heavy chain의 V 지역은 light chain의 V 지역과 합쳐져서 항체의 항원결합부위를 형성하며, heavy chain의 C 지역은 서로 합쳐져 Fc 지역을 형성한다. (Figure 3)
항체 단백질의 특징 중 하나는 그 입체구조가 서로 비교적 독립적인 여러 개의 도메인 (domian, 영역)으로 구성되어 있다는 점이며, 이러한 구조적 특징은 항체단백질에 독특한 특성을 제공한다. 우선, heavy chain의 V 지역과 light chain의 V지역은 각각 하나의 domain으로 구성되어 있으며, 나머지 heavy chain의 C 지역과 light chain의 C 지역도 각각 100여 개의 아미노산으로 되어있는 domain으로 이루어져 있다. IgG 항체 분자에는 이들 100개의 아미노산으로 구성된 domain외에 약 10-40개의 아미노산으로 구성된 hinge region (경첩지역)을 Fab와 Fc가 만나는 부분에 가지고 있다. (Figure 8) 이 hinge region은 항체에 존재하는 두 개의 항원결합부위간 사이의 거리를 항원에 따라 적당히 조절할 수 있도록 항체에 구조적 유연성 (flexibility)을 제공한다.
항원특이성이 다른 항체들은 서로 V지역의 아미노산 배열이 서로 다르나, C 지역의 아미노산 배열은 같을 수 있다. 반면에 서로 다른 급의 항체는 V 지역의 아미노산 배열과는 상관없이 전적으로 heavy chain의 C 지역 아미노산 배열이 다른 것이다. 또한, heavy chain에서는 항체의 급이나 아급이 다르더라도, 똑 같은 V 지역 아미노산 배열을 가질 수 있기 때문에, 항체는 그 급이 달라도 같은 항원과 결합할 수 있다. 항체의 light chain을 구성하는 κ chain에서도 C 지역의 아미노산 배열은 서로 같지만, 항원특이성이 달라지면 V지역의 아미노산 배열이 다를 수 있다.
같은 현상은 λ chain에서도 나타난다. 그러나, κ chain과 λ chain의 경우는 서로 전혀 별개의 유전자를 가진 단백질로 V지역과 C 지역 모두 서로 상관없이 구성된다. 항체 V 지역의 아미노산 배열이 어떻게 구성되어 있는 지를 보다 정밀하게 조사해 보면, 서로 다른 아미노산 배열이 V 지역 전체에 걸쳐 골고루 나타나지 않고, 특별한 몇 개의 지역에서 아주 많이 서로 다른 것을 확인할 수 있다. 이와 같이 항체마다 아주 다르게 나타나는 V 지역의 일부 지역을 hypervariable region (HV region) 이라고 부른다. 이러한 지역은 heavy chain에도 세 군데 있으며, light chain에도 세 군데가 있는 것으로 확인되었다.
이들 HV region은 연구 결과 항원이 항체와 결합할 때 직접적으로 항원과 결합하는 부위를 구성하기 때문에 complementarity determining region (CDR) 이라고도 부른다. CDR 지역을 제외한 나머지 V 지역의 아미노산 배열은 항체마다 서로 크게 다르지 않은 것으로 나타나는 데, 이들 지역은 항원과 직접적으로 결합하기보다는 항체의 V 지역의 전체적인 구조를 유지하는 데 필요하다고 하여 frame work region이라고 부른다. 항체의 입체구조를 조사하여본 결과 CDR 지역들은 모두 항체의 V 지역에서 돌출된 고리 (loop) 모양으로 나와 있으며, 이러한 돌출된 구조가 항원과 결합하는 것으로 확인되었다.
③ 항체의 세포막형과 분비형
항체는 경우에 따라 세포막에 결합된 형태 (membrane bound)와 분비된 형 (secretory)의 두 가지 형태로 존재할 수 있다. 세포막형의 항체는 항체가 B 림프구 표면에 존재하는 모양으로, B 림프구에서 항원수용체 (antigen receptor)로 작용하는 것이고, 분비형은 B 림프구가 활성화되어 항체가 세포 밖으로 분비되어 혈액이나 체액에 존재하는 것이다. 같은 항체의 세포막형이나 분비형은 서로 light chain 단백질을 똑같으며, heavy chain 단백질도 거의 같으나, 단지 heavy chain 단백질의 카복시 말단의 일부분만이 조금 다르다.
세포막형 항체는 분비형 항체에 비하여 단지 heavy chain 단백질의 C-말단 쪽에 세포막통과부분 (transmembrane region)과 세포내부부분 (intracellular tail region) 등을 구성하는 아미노산들을 추가로 가지고 있다. 이들 두 부분은 항체 단백질이 B 림프구의 세포막에 결합될 수 있도록 해주는 부분으로, 항체가 B 림프구에 존재하면서 항원수용체로 작용할 수 있도록 해주며, 또한 항체의 항원인식 신호를 세포 내에 전달하는 데 (signal transduction)에 관여하는 것으로 알려져 있다. 특히, 항체의 세포막형과 분비형은 heavy chain과 light chain의 V 지역 아미노산 배열이 서로 똑 같기 때문에, 같은 항체의 세포막형이나 분비형은 같은 항원과 결합할 수가 있다.
항원과 항체의 결합
항원과 항체 결합부위의 구조는 비록 입체적으로는 서로 상보적이지만, 화학적으로 서로 특이적으로 결합하기 위하여, 수소결합, 이온결합, 소수성결합 등의 다양한 종류의 화학 반응력 들이 상호작용 한다. 항체의 항원 결합성을 이야기할 때, affinity (친화력)와 avidity (강해진 친화력, 탐욕성)라는 용어가 나온다. affinity (친화력)란 항체에서 하나의 항원결합지역과 하나의 항원이 결합할 때의 친화력을 말한다. 친화력의 강도는 항체에서 하나의 항원결합지역을 분리하여, 이것이 항원과 얼마나 잘 결합하는 가를 측정하면 구할 수 있다. 이 값은 하나의 항원결합부위의 해리항수를 가리키는 말로서, 다음의 식을 이용하여 구하면 된다.
해리항수 (dissociation constant, Kd)=[Ag][Ab]/[Ag-Ab]
이 Kd 값이 낮으면 낮을수록 항체의 항원에 대한 친화력이 높은 것이며, 그 값이 높을수록 친화력이 낮은 것이다. 그러나, 항체는 하나의 항원결합지역이 서로 분리되어 존재하는 것이 아니고, 여러 개의 항원결합지역이 한 분자의 항체 내에 같이 존재하기 때문에 친화력만 가지고 항체의 항원 결합성을 이야기하기는 어렵다.
대부분의 항체에서, 한 분자의 항체는 적어도 두 개 이상의 항원 결합부위를 가지고 있으며, IgA나 IgM 급의 항체의 경우에는 4개 내지는 10개에 이르는 훨씬 많은 항원결합부위를 항체 한 분자 안에 가지고 있다. 또한, 많은 종류의 항원들도 그 분자가 크기 때문에 항체가 결합하는 에피톱 (항원결정부위, antigenic determinant)이 하나만 있는 것이 아니라, 한 분자 안에 같은 에피톱이 반복하여 나타날 수 있다. 이러한 항체와 항원의 구조적 특징은 항체 분자에서 하나의 항원결합지역에 하나의 에피톱이 결합하게 되면, 다른 에피톱들은 아주 쉽게 다음 항체와 반응할 수 있음을 뜻한다.
그러므로, 항체 분자 전체의 항원에 대한 친화성은 각각의 항원결합지역의 친화력을 산술적으로 합친 것 보다 훨씬 강하게 나타난다. 이러한 현상을 avidity라고 부르며, 이러한 현상 때문에 같은 친화력을 가진 항체라 하더라도, IgM 급의 항체는 IgG급의 항체에 비하여 전체적으로 강한 avidity를 나타낼 수 있다.
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