바이오인

핵심내용

- 비브리오 패혈증균의 치료제 개발 가능성 열어 -

□ 해마다 여름철만 되면 어김없이 찾아오는 비브리오 패혈증으로 인해 우리나라에서는 매년 20~40명의 사망자가 발생하고 있는데,

  o 생명연 김명희 박사팀과 서울대 최상호 교수팀이 비브리오 패혈증균이 어떤 과정을 통해 몸속에서 생존·성장하여 최종적으로 병원성을 갖는지에 대한 메커니즘을 규명함으로써 비브리오 패혈증 치료제 개발에 청신호가 켜졌다.

  o 이번 연구는 미래창조과학부(글로벌프론티어 의약바이오컨버젼스연구단, 중견연구자지원사업), 생명연(KRIBB) 전문연구사업 및 농림수산식품기술기획평가원의 지원으로 수행되었고, 연구결과는 최근  미국국립과학원회보지(PNAS)에 온라인으로 게재되었다.

     ＊ 논문명 : Structural insights into the regulation of sialic acid catabolism by the Vibrio vulnificus tranional repressor NanR

□ 비브리오 패혈증균(Vibrio vulnificus)에 감염된 환자중에서 특히 면역력이 감소된 간질환 환자나 당뇨병·폐결핵·신부전증 등의 만성질환자들은

  o 패혈증으로 전환될 가능성이 높고, 전환시 사망률이 50%이상이며, 발병 후 사망까지 2~3일밖에 안 걸릴 정도로 비브리오 패혈증균은 진행속도가 빠른 세균이다.

  o 실제로 2011년엔 감염자 51명 중 26명이, 2012년에는 68명 가운데 39명이 사망하였다.

□ 패혈증 비브리오균이 인체 내로 감염시, 병원성을 발휘하기 위해서는 영양원이 한정되어 있는 인체 내에서 어떤 과정을 통해 생존·성장하여 최종적으로 병원성을 갖는지에 대한 메커니즘을 규명하는 것이 비브리오 패혈증 치료제 개발에 매우 중요하다.

  o 비브리오 패혈증균이 인체 내로 감염이 되면 패혈증균은 자신의 생존·성장을 위한 에너지원을 필요로 하게 되는데, 이 때 사람의 장(腸)에 존재하는 N-아세틸뉴라믹산을 에너지원으로 이용하기 위해 대사작용을 시작한다.

  o 인체 내에서 패혈증균의 대사작용이 시작되면 대사 중간체들이 생성되는데, 연구팀은 그 중 N-아세틸만노사민 6-인산(N- acetylmannosamine  6-phosphate, ManNAc-6P)이라는 중간 대사체가 패혈증균의 NanR 단백질과 결합함으로써 NanR 단백질의 구조를 변형시키며,

  o NanR 단백질 구조가 변형되면 장(腸)내에서 N-아세틸뉴라믹산을 대사하여 대체 에너지원으로 활용할 수 패혈증균의 대사 유전자(효소)들의 발현이 증가하면서 패혈증균이 병원성을 발휘한다는 사실을 밝혔다.

  o 정상 비브리오 패혈증균과 N-아세틸만노사민 6-인산 결합력이 결핍된 NanR 단백질을 보유하고 있는 돌연변이 비브리오 패혈증균을 쥐에 감염시켜 비교한 결과, 돌연변이 비브리오 패혈증균은 정상적인 균에 비해 병원성력이 월등히 저하됨을 확인하였다. 

□ 연구에 참가한 김명희 박사와 최상호 교수는 “이번 연구결과는 식중독균을 선택적으로 통제·제어할 수 있는 새로운 항미생물소재 개발에 활용될 수 있으며, 패혈증균의 인체 내 생존 억제 물질 개발에 필요한 원천기술로 활용될 수 있을 것”이라고 밝혔다.

상세내용

연구결과 개요

□ 연구배경

병원성 미생물이 인체내에 감염되면, 이미 존재하고 있는 장내 공생 미생물과 숙주(인체)가 사용하고 있는 영양원들에 대해서 경쟁적인 환경에 부딪치게 된다. 따라서 병원성 미생물은 장내의 다른 대체 탄소 자원을 활용하여 이러한 영양적으로 불리한 환경을 극복하고 생존을 유지하려고 한다.

인체의 장관벽은 85%가 당으로 구성된 당단백질인 뮤신이라는 성분을 포함하는 점액층에 의해 보호되어 있다. 비브리오 패혈증균을 비롯한 비브리오 콜레라균 등의 병원성 미생물은 뮤신을 구성하는 당성분인 N-아세틸뉴라믹산(시알산)을 대사하여 대체 에너지원으로 활용할 수 있는 매우 정교하게 발달된 시스템을 갖추고 있다. 이러한 세균들은 인체 에 감염시, N-아세틸뉴라믹산 대사에 필수적인 유전자들을 과발현시켜 에너지원으로 활용함으로써 생존과 성장을 통해 병원성을 발휘하게 된다. 즉, 병원성 미생물의 N-아세틸뉴라믹산의 대사와 병원성은 직접적인 상호 연관성이 있다. 이러한 병원성과 직접적인 관련성에도 불구하고 N-아세틸뉴라믹산 대사에 있어 필수적인 유전자들의 발현이 어떻게 조절되는지에 대한 이해는 현재 미흡한 상황이다.

본 연구팀들은 비브리오 패혈증균의 N-아세틸뉴라믹산 대사에 필수적인 유전자들의 발현을 조절하는 NanR 단백질이 N-아세틸뉴라믹산의 중간 대사물질인 N-아세틸만노사민 6-인산과 강하게 결합하여 대사를 활성화 시킨다는 연구 결과를 보고한 바가 있다 (J. Biological Chemistry, 2011).

이를 기반으로 본 연구에서는 NanR 단백질이 어떤 방식으로 N-아세틸뉴라믹산의 대사를 조절하여 비브리오 패혈증균이 에너지원으로 활용함으로써 인체내에서 생존과 성장을 통해 병원성을 일으키는지에 대한 메커니즘을 규명하였다. 

□ 연구내용

비브리오 패혈증균의 NanR 단백질이 어떻게 N-아세틸뉴라믹산의 대사에 필수적인 유전자들의 발현을 조절하는지에 대한 메커니즘을 규명하게 위해, NanR 단백질과 N-아세틸뉴라믹산의 중간 대사물질인 N-아세틸만노사민 6-인산 결합체의 입체구조를 고해상도로 규명하였다.

입체구조를 기반으로 전자현미경 및 생화학적인 분석을 통해, 비브리오 패혈증균은 정상적인 환경에서는 NanR 단백질이 N-아세틸뉴라믹산 대사에 필수적인 유전자들의 발현을 조절하는 전사촉진 부위 (promotor DNA)에 강하게 결합하여 해당 유전자들의 발현에 의해 대사에 이용되는 효소들의 생산을 억제하고 있다가, 인체에 감염시, 생존과 성장을 위한 영양원이 필요하게 되면, 장내 N-아세틸뉴라믹산을 비브리오 패혈증균 세포벽을 통해 흡수하여 대사를 개시하게 되고, 이에 따라 생성된 대사 중간체인 N-아세틸만노사민 6-인산과 NanR 단백질이 강하게 결합하게 되면서 NanR 단백질의 전사촉진 부위와의 결합이 느슨해지고, 그 결과 대사에 관련된 유전자들의 발현을 증가시켜 N-아세틸뉴라믹산을 활발히 대사함을 알 수 있었다.

또한 정상 비브리오 패혈증균과 N-아세틸만노사민 6-인산 결합력이 결핍된 NanR 단백질을 보유하고 있는 돌연변이 비브리오 패혈증균을 쥐에 감염시켜 비교시, 돌연변이 비브리오 패혈증균은 N-아세틸뉴라믹산을 대사시킬 수 있는 능력이 결핍되어 에너지원 미확보에 의한 생존 실패로 인해 정상적인 균에 비해 병원성력이 월등히 저하됨으로써 감염된 쥐의 생존률이 높아짐을 분석하여 N-아세틸뉴라믹산의 대사가 병원성에 중요하게 작용함을 확인하였다. 

□ 기대효과

현재 식중독균을 제어하기 위하여 사용되는 항미생물소재들에 대한 내성균의 출현이 문제시 되고 있는데, 본 연구를 통해 규명한 NanR 단백질과 N-아세틸만노사민 6-인산 결합체의 고해상도 입체구조는 패혈증균의 생존을 선택적으로 제지하여 내성균 출현을 유발 할 가능성이 낮은 항미생물소재를 개발하는데 있어서 중요한 기반 기술로 활용될 수가 있을 것으로 기대된다.

용   어   설   명

1. 비브리오 패혈증균(Vibrio vulnificus)
 ○ 비브리오 패혈증을 일으키는 원인이 되는 세균으로, 상처감염이나 조리하지 않은 오염된 해산물 섭취로 인체에 침투하여 비브리오 패혈증을 발생시키며, 치사율은 50％이상으로 높음. 우리나라에서는 전남, 경남, 전북, 경기 등 남서해안 지역을 중심으로 매년 수십명의 환자가 발생하고 있으며, 특히 간기능이 저하되었거나 기저질환으로 면역기능이 저하된 환자에서 심각한 패혈증(혈류에 세균이 존재하는 균혈증과 독이 혈류를 따라 순환하는 독혈증이 복합되어 나타나는 것)증상이 나타나 사망할 가능성이 높음. 일단 감염되면 발열과 설사, 구토, 붉은 반점 등의 증상이 있고, 심할 경우 사망에 이르기도 함.

2. NanR 단백질(NanR protein)
  ○ N-아세틸뉴라믹산 대사에 필수적인 유전자들의 발현을 억제하는 단백질

3. 대사 중간체(Metabolic intermediate)
  ○ 생체에 이입된 분자는 효소로 촉매되는 몇 단계의 반응을 거쳐 최종생성물이 생성되는데 이러한 경로반응에서 생성되는 중간 화합물

4. N-아세틸뉴라믹산(N-acetylneuraminic acid, Neu5Ac)
  ○ 포유류 세포에 존재하는 가장 풍부한 시알산으로 뮤신의 구성 성분
    * 뮤신 : 인체 상피조직으로부터 생산되어 점막표면으로 분비되는 당단백질로 85% 정도가 당으로 구성

5. 시알산(Sialic acid)
  ○ 9개의 탄소원자로 구성된 단당류로, 아미노당인 뉴라민산(Neuraminic acid)의 여러 유도체들을 총칭함