바이오인

핵심내용

진균성 뇌수막염 조절 인산화효소 대규모로 찾았다
- 항진균제, 뇌수막염 치료제 개발의 가능성 제시 -

□ 한국연구재단(이사장 조무제)은 반용선 교수(연세대) 연구팀이 지난해 진균(곰팡이균)성 뇌수막염*을 일으키는 전자조절 유전자를 발견한데 이어 이들을 조절하여 질병을 일으키는데 핵심역할을 하는 인산화효소* 유전자를 대규모로 발견하였다고 밝혔다.

    * 진균(곰팡이균)성 뇌수막염 : 진균에 의해 뇌와 척수를 둘러싸고 있는 뇌수막에 생기는 염증으로 전 세계적으로 연간 백만명 이상이 감염되어 60만명 이상이 사망하는 질병
    * 인산화효소(kinase, 키나아제) : ATP(Adenosine triphosphate, 아데노신3인산)의 인산기를 특정한 기질에 전달하는 인산화 반응를 촉매하는 효소로 세포 속의 다양한 생물현상을 조절하는 핵심적인 단백질

□ 연구팀은 뇌수막염을 일으키는 진균 속에서 질병을 일으키는 데 핵심적인 역할을 하는 인산화효소 유전자를 대규모로 찾아냈다. 뇌수막염 진균 내에 존재하는 129개의 인산화효소에 대한 유전체 수준의 기능 분석을 통해 총 63개의 병원성 조절 인산화효소*를 발굴하였다.

    * 병원성 조절 인산화효소 : 뇌수막염 진균이 숙주 내에서 감염 및 질병을 일으키는데 필요한 인산화효소  

□ 연구팀은 뇌수막염 진균 유전체를 생명정보학* 및 기능유전체학적 방법*으로 분석하여 결과를 도출했으며, 이 연구결과는 특허 출원, 기술이전으로 이어지고 있다. 

    * 생명정보학 방법 : 생화학, 수학, 정보 및 컴퓨터 과학 등의 다제학적 방법을 통해 생물학적으로 생성된 데이터를 분석 및 활용하는 연구법  
     * 기능유전체학적 방법 : 유전체, 전사체, 단백체, 변이체 등의 다중오믹스 분석을 통해 생성된 대용량 데이터를 활용해 대규모로 유전자의 기능을 규명하는 연구법  

□ 연구팀이 발견한 인산화효소는 세포 내 존재하는 약 30% 단백질의 활성을 조절하여 다양한 생명현상에 관여하는 중요한 효소이다. 특히 인산화효소는 다른 약물 타깃 단백질에 비해서 구조분석이 쉽고, 저분자 화합물을 통해 활성조절이 더 용이하기 때문에 가장 각광받는 약물개발 타깃 중의 하나이다. 하지만 현재까지 이를 타깃으로 하는 항진균제*는 개발되지 않았다.

      * 항진균제 : 진균(효모 및 곰팡이) 감염증의 치료약을 말하며, 진균 감염증에는 무좀과 같은 표재성 질환과 전신을 감염시켜 치료가 더 어려운 심재성 질환으로 나뉜다.

□ 반용선 교수는“이번 연구는 인간 감염성 진균의 인산화효소 유전자를 대규모로 발굴하고, 그 기능을 최초로 유전체 수준에서 밝혔다. 진균성 뇌수막염의 타깃 약물뿐만 아니라 고부가가치성 차세대 항진균제, 뇌수막염 치료제 개발에 기여할 것으로 기대된다”고 연구의 의의를 설명했다. 

□ 이 연구는 미래창조과학부 기초연구사업(개인연구), 농림축산식품부 미생물유전체전략연구사업단의 지원으로 이루어졌으며,  세계적인 생명과학분야 학술지인 네이처 자매지 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications) 9월 28일자에 게재되었다.

□ 논문명, 저자정보

   - 논문명 : Systematic functional analysis of kinases in the fungal pathogen Cryptococcus neoformans
   - 주요 저자 정보 : 반용선(교신저자, 연세대 생명공학과), 이경태(제1저자, 연세대 생명공학과), 소이슬(공동제1저자, 연세대 생명공학과), 양동훈(공동제1저자, 연세대 생명공학과) 외 25명 공동저자

□ 논문의 주요 내용

 1. 연구의 필요성

 ○ 인체 감염성 진균인 크립토코커스 네오포만스(Cryptococcus neoformans)는 전 세계적으로 매년 60만명 이상을 사망하게 하는 진균성 뇌수막염(meningitis)을 유발 하지만, 기존 약물의 효능 부적과 독성, 저항성 균주의 출현빈도 증가로 인해 새로운 치료방식의 개발이 요구된다.

 ○ 이러한 병원성 진균이 질병을 일으키는데 필요한 신호전달 메커니즘을 유전체 수준에서 분석하기 위해서는 세포 내 단백질의 약 30%의 활성을 조절하는 인산화효소(kinase, 키나아제)에 대한 기능유전체학적(Functional Genomics) 접근이 필수적이나 아직 이러한 수준의 연구는 인체 감염성 진균에서는 이루어진 바가 없다.

 2. 연구내용 
  ○ 뇌수막염 진균 유전체의 생명정보학적 분석을 통해 183개의 인산화효소 유전자를 발굴하고, 이 중 129개 인산화효소에 대한 264개 대용량 변이균주 라이브러리를 생성하여 기능유전체학적 역할 분석이 가능하게 하였다. 대용량 변이균주 라이브러리는 30여개의 생장, 분화 및 스트레스 조건에서 표현형질을 분석하였고, 약물개발 타깃이 될 수 있는 주요 인산화효소의 세포 내 기능을 규명하였다.
  ○ 동물 및 곤충 병원성 모델을 활용하여 병원성 및 감염성에 관여하는 63개 인산화효소를 발굴하였다.

3. 연구 성과
   ○ 담자균류 최초로 세포 내 모든 인산화효소를 발굴하고 분류하였고, 모든 표현형질 데이터는 웹 데이터베이스 기반으로 공개하여 다른 연구자 및 일반인의 접근이 가능하게 하였다.
   ○ 세계 최초로 인간 감염성 진균의 129개 인산화효소에 대한 264개 대용량 변이균주 라이브러리를 구축하였고, 이러한 대용량 라이브러리는 진균을 대상으로 한 신호전달 메커니즘 연구에 이용될 수 있고, 신규 약물 스크리닝 시스템으로 활용 가능하다.
   ○ 기존 항진균제의 효능 관련 정도를 포함하는 대용량 표현형질 분석을 통해 병원성 진균 인산화효소의 세포 내 역할을 규명하였으며, 신규 약물개발 대상이 되는 63개의 병원성 및 감염성을 조절 인산화효소를 발굴하였다.
 

상세내용

 연 구 결 과  개 요

 1. 연구배경

  o 진균성 뇌수막염(meningitis)을 유발하는 인체 감염성 진균인 크립토코커스 네오포만스(Cryptococcus neoformans)는 다양한 자연환경(나무, 토양, 조류분변 등)에 존재하다가 포자를 형성하여 사람의 호흡기를 통해 감염된 후 진균성 폐렴을 일으키고, 이 후 혈관계를 통해 전신으로 퍼져 중추신경계까지 감염시켜 치명적인 질병을 일으킨다. 

  o 이러한 질병의 심각성에도 불구하고 현재 임상적으로 사용되고 있는 항진균제 중 폴리엔(Polyene) 계열의 약물의 경우 독성이 심하고, 아졸(Azole)의 경우 약물의 효능 부족과 독성 및 저항성 균주의 출현도가 증가하고 있어서, 부작용이 적으면서 효과적인 활성을 나타내는 약물 개발의 필요성이 증대되고 있다.

  o 이러한 약물의 개발을 위해서는 뇌수막염 진균의 병원성 조절 신호전달 메커니즘을 유전체 수준에서 이해하는 기능유전체학적(Functional Genomics) 접근이 필요하다. 특히 이러한 신호전달경로에 가장 핵심적인 역할을 하는 것이 인산화효소(kinase, 키나아제)들이며, 이들은 세포의 성장, 분화, 스트레스 반응을 포함한 다양한 생명활동을 관장하면, 전체 세포 내 단백질의 약 30%의 활성을 조절하는 것으로 알려져 있다. 

 2. 연구내용

  o 이 연구는 크립토코쿠스 네오포만스의 병원성 조절 신호전달 메커니즘을 유전체 수준에서 이해하고 이를 통한 새로운 치료 타깃을 발굴하기 위해 세포 내 다양한 생명현상을 관장하는 총 183개의 인산화효소를 발굴하고, 이 중 129개의 인산화효소에 대한 총 264개 유전자변이균주를 제조하고 이들에 대한 병원성을 비롯한 30여개의 다양한 형질(생육, 분화, 병원성인자 생성능, 각종 스트레스 반응, 항진균제 저항성, 병원성 등)에 대한 통합적 분석을 실시하여 유전체 수준의 인산화효소 네트워크를 규명하였다.

  o 특히 이 연구에서는 전체 인산화효소들이 숙주 내에서 병원성과 관련해 어떤 기능을 하는지를 알아보기 위하여 곤충숙주모델과 표식인자(Signature-tagged mutagenesis, 각각의 인산화효소 변이균에 서로 다른 바코드 형식의 DNA 표식인자를 부여하여 대용량 병원성 측정을 용이하게 하는 방법) 기반의 마우스 모델을 이용하여 대용량 병원성 실험을 진행하였고, 이를 통해 지금까지 밝혀지지 않았던 다양한 인산화효소들이 병원성에 기여함을 확인하였다

  o 또한 연구팀은 이번 연구를 통하여 현재 항진균제로 주로 이용되고 있는 플루코나졸(fluconazole) 및 암포테라신 비(amphotericin B) 저항성에 변화를 보이는 인산화효소를 다수 발견하였다. 이러한 인산화효소들을 추후 혼합병용치료(combination therapy)를 위한 새로운 약물 타깃에 활용할 수 될 수 있을 것으로 생각된다.

  o 이 연구를 통하여 밝혀진 인산화효소의 형질 분석 결과는 서울대 이용환 교수 연구팀의 도움을 받아 크립토코쿠스 인산화효소 데이터베이스(http://kinase.cryptococcus.org)를 구축하여 다른 연구자 및 일반인이 쉽게 확인할 수 있도록 하였다. 

3. 기대효과

  o 기초 학문적 측면에 있어서도 이번 연구는 인체 감염성 진균에서는 세계 최초로 대용량 인산화효소 변이균주 라이브러리 제조와 이들에 대한 기능분석을 통해 유전체 수준에서 통합적으로 인산화효소 기능 분석을 했다는 점에서 의의가 크다.

  o 경제/산업적 측면에 있어서 이번 연구는 지금까지 개발된 바가 거의 없는 인산화효소 타깃 항진균제 개발의 초석을 닦았다는 것에 큰 의미가 있다.

★ 연구 이야기 ★

□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

인체 감염성 진균에서는 아직 유전체 수준의 인산화효소 신호전달 네트워크가 규명된 바 없었고, 인산화효소가 의료산업분야에서는 각광받는 약물타깃이기 때문에 새로운 차원의 항진균제 개발이 가능할 것으로 생각하고 연구를 시작함.

□ 연구 전개 과정에 대한 소개

이 연구는 5년 간의 도약연구사업의 연구 과제를 통해 진행되었고, 도약 후속연구 지원 사업 및 유전체사업의 도움을 받아 결실을 맺을 수 있었음. 대용량 변이균주 라이브러리 생성 및 표현형질 데이터베이스 구축을 위해 이 연구실을 거쳐 간 유수한 대학원생들의 많은 노력이 있었음. 

□ 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소가 있었다면 무엇인지? 어떻게 극복(해결)하였는지?

이 연구의 핵심 데이터 중 하나인 대용량 병원성 실험결과를 얻기 위한 모델로 사용되는 벌집나방곤충을 구입하기 어려워 미국에 있는 실험실의 도움을 받아서 진행하였음.

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

인체 감염성 진균에서는 최초로 이루어진 유전체 수준에서의 대용량 인산화효소 변이 균주 제조 및 형질 분석을 바탕으로 한 통합적 병원성 조절 네트워크의 규명에 관한 연구. 뇌수막염 진균의 병원성 조절 메커니즘 이해와 관련 인산화효소 발굴을 통한 신개념 진균성 뇌수막염 치료제 및 항진균제 개발에 활용할 수 있음.

□ 꼭 이루고 싶은 목표와 향후 연구계획은?

연구팀 연구실에서 구축한 병원성 곰팡이의 통합적 신호전달 네트워크를 활용하여 이를 통해 국내기술로는 최초로 항진균제 신약을 개발하여 세계시장에 진출하고자 함. 현재 치료제 개발과 관련하여 특허 출원 중이며, 해당 기술은 항진균제 개발 전문 바이오벤처인 ㈜앰틱스바이오에 기술이전되어 실용화가 추진되고 있음.

□ 기타 특별한 에피소드가 있었다면?

이 논문이 발표되기 전에 북미, 남미, 호주, 유럽 등지의 여러 연구자들에게 공동연구를 제안 받아 이 연구의 가치를 인정받은 것 같아 연구자로서 자부심을 느낌.

...................(계속)

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