바이오인

핵심내용

장내 미생물 유전자의 장 관련 감염 질환 유도 원리 규명
항생제 오용으로 발생하는 장 관련 감염 질환의 진단 및 치료에 기여

      
□ 미래창조과학부(장관 최양희)는 장내 세균 감염에 대해 숙주의 저항력을 감소시키는 원인 미생물과 유전자를 찾아내어 장 관련 질환의 새로운 바이오마커*를 제공할 수 있게 되었다고 밝혔다.
  * 바이오마커 : 생물처리 과정, 병원성을 일으키는 과정, 치료를 위한 개입의 반응단계인 약리학의 과정의 지표로서 평가되고 측정되는 특징

□ 윤상선 교수(연세대) 연구팀은 미래창조과학부 기초연구사업(개인연구 및 집단연구) 등의 지원으로 연구를 수행했으며 이 연구는 네이쳐 커뮤니케이션(Nature Communications) 5월 13일자에 게재되었다.

□ 논문명과 저자 정보는 다음과 같다.
   - 논문명 : A single gene of a commensal microbe affects host susceptibility to enteric infection
   - 저자 정보 : 윤미영(제1저자, 연세대), 민경배(연세대), 이강무(연세대), 윤유진(연세대), 김예슬(연세대), 오영택(연세대), 이기훈(연세대), 천종식(천랩(주)), 김병용(천랩(주)), 윤석환(천랩(주)), 이인석(연세대), 김찬영(연세대), 윤상선(교신저자, 연세대)

 □ 논문의 주요 내용은 다음과 같다.

 1. 연구의 필요성
   ○ 항생제의 복용은 장내 미생물 군집 변화와 더불어 미생물에 의해 생산되는 대사산물의 변화, 세균 신호 전달 물질의 감소 등을 유발하여 인체의 장 면역 시스템을 약화시키며 다양한 질병의 원인이 될 수 있다고 알려져 있다.

   ○ 입원 환자의 항생제 치료 과정 중 발생하는 의료 관련 감염병인 클로스트리디움 디피실 감염증(Clostridium difficile infection, CDI)*은 최근 급속도로 늘어나 미국에서만 연 평균 29,000명의 사망자가 발생한다. 
       * 클로스트리디움 디피실 감염증 : 건강한 성인 2~5%의 장내에 상재하고 있는 미생물인 클로스트리디움 디피실이 항생제 복용 후 장내에서 증가하여 독소를 생산하며 설사 등을 유발하는 장 질환으로 재발이 쉽게 일어나 완치하기 어려움

   ○ 또한, 항생제 복용과 관련이 높은 것으로 알려진 염증성 장 질환이나 살모넬라 등의 감염성 질환도 최근 사회적 문제로 대두되고 있어 이에 대한 원인을 규명하고 치료 방법을 찾기 위한 투자와 노력을 아끼지 않고 있다.

   ○ 보다 정확하고 효과적인 장 질환 예방과 치료법을 찾기 위해서는 다변적인 장내 환경을 이해하고 장내 미생물과 병원성 세균과의 상호 작용을 검증하는 것이 중요하다.

 2. 연구 내용
   ○ 정상 공생미생물 균총*을 가지고 있는 건강한 인체는 병원성 세균이 장내에 감염되면 다양한 항균 작용을 통해 병원균의 침입을 이겨낸다. 반면 광범위 항생제를 지속적으로 복용하면 병원성 세균에 대한 면역 시스템이 정상적으로 작동하지 않는다고 알려져 있다.
       * 공생미생물 균총 (commensal microbiota) : 공생미생물의 총합을 의미

   ○ 공생미생물 생태계는 외부 자극에 의해 분포 및 구성이 변화하게 되며 특히 항생제의 경우는 복용 중단 후 정상 상태로 회복되는 데 오랜 시간이 필요한 것으로 알려져 있다. 이러한 사실들은 항생제 복용 후 장관 감염성 세균에 대한 저항성 약화원인이 장내에 존재하는 마이크로바이옴(microbiome)*의 변화와 관련이 높다는 것을 보여주고 있다. 
       * 마이크로바이옴 : 미생물군유전체, 일반적으로 미생물과 그들의 유전자를 의미하며 미생물군을 의미하는 마이크로바이오타(microbiota)와 동의어로 사용됨.

   ○ 윤상선 교수는 암피실린, 반코마이신, 스트렙토마이신 및 클린다마이신 등의 광범위 항생제에 처리된 실험용 쥐*가 대표적 병원성세균 중 하나인 콜레라균에 의한 감염에 매우 취약해 지는 것을 확인하고, 이러한 현상의 원인을 장내 공생세균과의 상호작용에 초점을 맞추어 이해하고자 하였다.
       * 쥐는 통상적으로 콜레라균은 사람에게는 급성 설사를 유발하지만 실험용 쥐에게는 감염이 되지 않는 것으로 알려져 있음

   ○ 항생제의 복용이 장내 마이크로바이옴에 미치는 영향을 확인하고 다양한 장내 세균 중 콜레라균과 상호 작용하는 단일 세균 종(대장균)을 분리 동정*하였으며, 균주의 전체 유전체(whole genome) 분석을 통해, 동정된 대장균이 기존의 대장균과는 상이한 특징이 존재함을 밝혀내었다.
       * 분리 동정 : 혼합 시료에서 단일 종류인 미생물을 선택적으로 분리한 후 순수하게 분리된 미생물이 어떤 종인가를 알아내는 과정.

   ○ 이 중 가장 두드러지고 중요한 차이는 신규 대장균이 매우 활성이 높은 카탈라아제(catalase)를 생산하는 유전자를 보유하고 있다는 점이었으며, 이러한 특징이 장내 감염성세균의 증식 및 병원성에 직접적인 영향을 미치게 됨을 밝혀내었다.

3. 연구 성과
   ○ 특정 유전자를 규명함으로서 이후 관련 질환에서 확인 및 제어를 통해 항생제에 의해 발생하는 장 질환의 치료 방법을 찾는데 중요한 계기가 될 것으로 기대된다.

   ○ 또한 향후 이러한 특정 유전자들의 추가 탐색을 통해 장관 관련 질환에 대한 진단 및 치료용 바이오마커를 제시하고 구체적인 치료 목표를 제시하는데 매우 큰 역할을 할 것이다.

 
□ 윤상선 교수는 “이 연구는 항생제에 반응하는 장내 미생물 분석을 통해 장내 공생미생물의 변화를 관찰하고 특정 유전자가 장내 환경을 변화시키고 그 결과 감염성 세균의 증식을 유도한다는 사실을 확인하였다. 이에 따라 항생제 복용 후 발생하는 장관 감염성 질환의 진단 및 치료에 큰 기여를 할 것으로 생각한다.”라고 연구의 의의를 설명했다.
 

상세내용

연 구 결 과  개 요

 1. 연구배경
  ㅇ 사람은 수많은 공생미생물들과 함께 살고 있는데, 특히, 우리 몸의 장에는 1,000 종 이상의 세균 (~1014 마리 정도)이 공생하고 있다는 것이 잘 알려져 있다. 이들은 단순히 공생하고 있는 것이 아니라, 매우 다양한 작용들을 통해 우리 몸에 다양한 영향을 미치고 있다. 공생세균은 장내 환경에서 소화효소를 제공하여 우리의 대사 능력에 도움을 주고, 장내 면역 시스템의 발달이 매우 중요한 역할을 담당한다. 장내 공생세균의 불균형은 아토피 피부질환, 염증성 장 질환, 대사 증후군의 발병 및 비만과 밀접한 상관관계가 있음이 밝혀졌으며, 심지어는 뇌질환에도 장내 공생세균의 불균형이 영향을 미치고 있을 가능성이 제기되고 있다. 이러한 과학적 사실들은 건강한 (균형 잡힌) 공생세균을 “우리 몸에 도움을 주는 동반자”로 보는 생각들을 뒷받침한다.

  ㅇ 공생세균 균총 (공생세균들의 총합)은 다양한 균종 (species)으로 구성되어 있으며, 다양한 유전자들 (마이크로바이옴, microbiome)을 가지고 있어 외부 자극 및 미세한 환경 변화에 대응하며 인체와 매우 다이나믹(dynamic)한 상호작용을 한다. 이러한 과정은 미생물 개체의 구성 및 수적 변화 뿐 만 아니라 그와 함께 수반되는 마이크로바이옴의 변화도 포함된다. 결국 마이크로바이옴 구성의 변화가 인체의 다양한 생물학적 기능에 큰 영향을 미치고 있다. 

  ㅇ 그 중의 한 기능이 병원성 높은 독성세균의 감염 저항성에 미치는 영향이다. 수많은 공생세균 균총 중에서 어떤 종의 세균이 그리고 더 나아가 그러한 특성을 보유한 세균의 어떤 유전자 산물이 숙주의 감염저항성에 영향을 미치는 지에 대해서는 아직 알려져 있는 것이 없었다.

  ㅇ 이번 연구결과는 국제전문학술지인 ‘Nature Communications'에 “숙주의 감염 저항성에 영향을 미치는 공생미생물 유래 단일 유전자의 동정 및 기능 분석 (A single gene of a commensal microbe affects host susceptibility to enteric infection)” 이라는 제목으로 게재되었으며 이 논문은 항생제 복용 후 병원성 세균 감염에 대한 저항성이 약화되는 원인이 장내에 존재하는 마이크로바이옴의 변화와 관련이 있음을 밝혀내고 특정 유전자를 동정하고 병원체와의 상호 작용을 규명해냈다는 점에서 의의가 있다.

2. 연구내용
  ㅇ 윤상선 교수팀은 암피실린, 반코마이신, 스트렙토마이신 및 클린다마이신 등의 광범위 항생제에 처리된 실험용 쥐가 대표적 병원성세균 중 하나인 콜레라균에 의한 감염에 매우 취약해 짐을 확인하고, 이러한 현상의 원인을 장내 공생세균과의 상호작용에 초점을 맞추어 이해하고자 하였다. 먼저, 항생제가 처리된 실험용 쥐에서 공생세균 균총의 다양성은 감소하고 특정 미생물 군집이 증가하였음 확인하였다. (그림 참조).

  ㅇ 항생제 처리군의 공생세균 균총을 분석한 결과 특이 유전 형질을 가진 대장균이 폭발적으로  증가되었음 확인하였는데, 이러한 대장균 (B형이라 칭함)은 기존의 잘 알려진 대장균 (A형이라 칭함)과는 상이한 특징을 보였다. 유전체(genome) 분석을 통해 B형 대장균이 A형 대장균보다 더 많은 유전자를 가지고 있음을 확인하였는데, 이 중에서 가장 중요한 차이는 B형 대장균이 카탈라아제 (catalase) 유전자 (다른 종의 세균으로부터 유입된 것으로 예측되는)를 하나 더 가지고 있다는 것이었다. 이로 인해 B형 대장균이 매우 높은 활성 산소 (reactive oxygen species, ROS)에 대한 저항성을 보인다는 것이었다. 연구진은 새로운 카탈라아제 유전자가 기존 대장균이 가지고 있는 KatE 유전자와 상동성이 있어 eKatE (extra KatE)로 명명하였다. eKatE 유전자가 결핍된 B형 대장균은 활성 산소에 대한 저항성을 잃어버렸으며, eKatE 유전자를 발현하도록 재조합된 기존 A형 대장균은 예상대로 활성 산소에 매우 높은 저항성을 보였다. 

  ㅇ 연구진은 보다 명확한 인과관계를 규명하기 위해 세균 이식(transplantation) 실험을 진행하였다. 공생세균의 형성이 아직 완전히 이루어지지 않은 신생아 실험용 쥐에, 배양된 B형 대장균을 이식하게 되면 콜레라의 감염이 매우 심각하게 진행됨을 밝혀내었으며, 더 나아가 eKatE 유전자가 결핍된 B형 대장균이 이식이 된 경우에는 콜레라균의 감염이 증가되지 않음을 밝혀내었다.

  ㅇ 이러한 연구 결과는 수많은 공생세균들 중에서 특정 균주 한 종의 증식이 숙주의 감염 저항성에 결정적인 영향을 미치고 있음을 의미하며, 무엇보다 이러한 현상이 하나의 특정 유전자 산물에 의해 유도되고 있음을 뒷받침한다.

  ㅇ 이전 연구를 통해 살펴보면, 항생제 처리 후 장내 환경은 활성 산소를 생산하는 세균의 증가와 함께 면역 세포에 의해 활성 산소의 농도가 증가하게 되는데, 이러한 환경에서 활성이 높은 카탈라아제 효소를 추가로 생산하는 B형 대장균은 보다 활발히 증식하여 결국 숙주의 장내 활성 산소 농도를 낮추어 활성 산소에 민감한 콜레라균의 증식 및 감염에 유리한 환경을 제공하는 것으로 연구진은 규명하였다. (그림 참조)  

3. 기대효과
  ㅇ 이번 연구는 병원성 세균에 대한 저항력이 감소하는 이유가 항생제에 의해 증가된 장내 미생물에서 유래한 특정 유전물질에 있다는 사실을 최초로 밝혀내었다는 점에서 의의가 있다. 본 연구를 통해 항생제 복용을 통해 장내 환경이 변화될 때, 적응에 유리한 특정 유전 형질을 갖는 소수의 대장균이 선택적이고 능동적인 증식을 할 수 있으며, 이러한 변화가 후속적인 병원성 세균의 감염에 영향을 줄 수 있음을 알게 되었다. 이 연구 결과를 통해 장내 세균의 특이 유전자 중 하나인 카탈라아제가 장관 감염성 세균의 증식을 증가시킬 수 있으며, 향후 이러한 특정 유전자들의 탐색을 통해 장관 관련 질환에 대한 예측용 바이오마커를 제시할 수 있을 것으로 기대한다.
 

★ 연구 이야기 ★

□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

콜레라균은 사람에게는 급성 설사를 유발하지만 실험용 쥐에게는 감염이 되지 않는 것으로 알려져 있다. 반면 항생제를 처리한 실험용 쥐에서는 콜레라 감염이 발생하는데 이러한 발병의 차이가 장내 미생물의 차이 때문이고 항생제 때문에 증가한 특정 장내 미생물이 콜레라균에 더욱 민감하게 만드는 요인으로 작용하지 않을까 하는 의문에서 시작하게 되었다.

□ 연구 전개 과정에 대한 소개

장내 미생물은 정상 실험용 쥐에서 품종이나 나이, 식이 등 외부환경에 민감하게 반응하여 변화하기 때문에 장내 미생물을 연구할 때에는 보통 무균쥐를 사용하는 것이 일반적이지만 이 경우 면역계가 손상되어 있어 실제 일어나는 상호작용을 관찰하기 어렵다고 판단하였다. 따라서 정상 균총을 가진 실험용 쥐를 사용하고 균종의 변화를 최소화하기 위해 장을 적출하여 분석하였다. 이런 과정을 통해 특정 미생물의 급격한 증가를 관찰하였고 특히 미생물의 다양한 변화를 조절하기 위해 사용한 미생물학적 기법이 오히려 중요한 단서를 발견하게 해 주었다.

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

연구 모델로 사용한 콜레라균은 실험용 쥐에는 감염증을 유발시키지 않는 것으로 알려져 있다. 또한 장내 미생물이 실험용 쥐의 품종이나 개체 간에도 차이를 보이기 때문에 많은 시행착오를 통해 감염을 일어나는 조건을 찾아내었고 이후 안정적으로 변화하는 장내 미생물의 동태를 파악하고 재현성을 확보할 수 있었다.

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

현재까지 항생제와 장내 미생물의 상호작용에 대해서는 살모넬라와 클로스트리디움 디피실에 대한 연구만 주로 이루어졌다. 본 연구에서는 실험용 쥐에는 무해한 콜레라균의 감염을 장내 미생물의 변화만으로도 유도할 수 있다는 사실을 확인하였으며 장내 새로운 장내 유해균의 가능성을 시사하고 있다. 이를 위해 장내 미생물이 가지고 있는 특정 유전자의 기능과 콜레라균과의 상호 작용을 규명하였다.

□ 꼭 이루고 싶은 목표와, 향후 연구계획은?

감염증 유발에 영향을 미치는 유전자에 대한 후속 연구를 통해 장 관련 질환의 병인 기작을 규명하여 예방 방법을 제시하고 장내 유해균의 증가를 제어하여 질병을 치료하는 방법을 제공할 계획이다.

□ 기타 특별한 에피소드가 있었다면?

연구 초반 다양한 조건의 항생제를 처리하고 장내 미생물의 양적 감소를 관찰하고자 하였는데 오히려 장내 미생물의 수가 증가되는 특이 현상을 발견하였다. 예상과 반대되는 연구 결과로 고민하던 차에 참석한 학회에서 유사한 결과를 확인한 국외 연구팀의 이야기를 듣게 되었고 이에 용기를 내어 진행할 수 있었다.

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