바이오인

비브리오균이 면역체계를 무력화하는 기전 규명

- 비브리오 패혈증균 독성인자가 인체 내 세포 단백질과 결합하여 면역방어체계를 공격하는 단백질로 변해 패혈증을 활성화하는 기전 규명

- 비브리오 패혈증균, 콜레라균 등의 병원균에 의한 감염병 치료제 개발 활용 기대

□ 연일 계속되는 무더위로 비브리오 패혈증에 대한 경각심이 높아지고 있는 가운데, 국내 연구진이 비브리오균이 패혈증을 촉진하는 병인을 새롭게 밝혀내었다.

□ 한국생명공학연구원(원장 김장성) 마이크로바이옴융합연구센터 김명희 박사 연구팀은 비브리오 패혈증균이 체내 침투 후 인체 면역 방어 체계를 무력화하는 원리를 규명하는 데 성공하였다고 밝혔다.

ㅇ 이번 연구성과는 현재 항생제 외에는 치료제가 없는 패혈증균 등에 의한 감염병의 치료제 개발에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

□ 지구 온난화와 이로 인한 해수 온도 상승으로 인해 비브리오 패혈증에 대한 위험도 높아지고 있다. 비브리오 패혈증은 비브리오 패혈증균에 오염된 어패류를 생식하거나 피부의 상처를 통해 침투한 균에 감염되었을 때 발생하는 급성 질환이다.

ㅇ 비브리오 패혈증은 해수 온도가 높아지는 5~6월경에 발생하기 시작해 8~9월에 가장 많이 발생한다. 지난해에도 69명의 비브리오 패혈증 환자가 발생하는 등 국내 발생 환자 수는 매년 100명 미만으로 많지는 않지만, 사망률이 40~50％를 넘는 매우 심각하고 위중한 질환이다.

□ 비브리오 패혈증균이 생산하는 가장 치명적인 물질은 다양한 독성 인자들을 함유한 MARTX(Multifunctional autoprocessing repeats-in-toxin toxin) 독소이다.

ㅇ MARTX 독소는 패혈증균이 인체에 감염되기 전에는 함유한 독성 인자들이 비활성화된 묶음 형태로 존재하지만, 감염 후 인체 세포에 침투하면 인체 세포 단백질을 이용해 독성 인자들을 방출시켜 세포 기능을 마비시키고 패혈증을 촉진한다.

ㅇ 연구팀은 2019년 수행한 연구에서 어떻게 MARTX 독소에서 독성 인자들이 방출되어 병원성을 급격히 활성화하는지를 규명한 바 있다.

□ 연구팀은 이번 연구에서 MARTX 독소에서 방출된 독성인자가 인체 세포 내 단백질과 만나 인체 면역을 공격하는 ‘트랜스포머 단백질’로 전환해 초기 방어시스템을 무너뜨리고 패혈증을 촉진한다는 사실을 밝혀내었다.

ㅇ X-선 결정학과 초저온-전자현미경(cryo-EM) 기술을 활용해 비브리오 패혈증균의 독성인자와 인체 세포 단백질 간의 결합을 정밀하게 관찰한 결과,

ㅇ MARTX 독소가 방출한 여러 독성인자 중 유일한 듀엣 독성인자인 ‘DUF1-RID’는 인체 세포 신호전달에 중요한 기능을 담당하는 단백질 칼모듈린(calmodulin, CaM)과 강하게 결합해 인체 대사와 면역 유지에 필수적인 물질인 NAD+(nicotinamide adenine dinucleotide)를 분해하는 효소(NADase)로 바뀌고,

ㅇ 동시에 또 다른 세포 신호전달 단백질인 Rac1(Rho family small GTPase)과도 결합하여 감염 초기의 면역 방어에 핵심 물질인 활성산소종(Reactive Oxygen Species, ROS) 생산을 마비시켰다.

□ 연구팀은 이를 바탕으로 DUF1-RID이 CaM, Rac1과 결합하지 못하도록 돌연변이 패혈증균을 제작하고 이를 동물모델에 적용하자 별다른 증상 없이 생존하는 것을 확인하며 패혈증 치료의 새로운 대안 가능성을 제시하였다.

□ 연구책임자인 김명희 박사는 “그동안 몰랐던 비브리오 패혈증균의 트랜스포머 단백질의 기능을 입체구조 규명으로 알 수 있었고 나아가 비브리오 패혈증균 감염이 기저 질환자들에게 치명적인 이유를 알게 되었다.”라며,

ㅇ “트랜스포머 단백질은 비브리오 패혈증균 외에도 콜레라균 등 다른 병원균에서도 발견되는 것으로, 본 연구에서 확보한 고해상도 입체구조는 패혈증을 유발하는 감염병 치료제 개발에 활용될 수 있을 것으로 기대한다.”라고 밝혔다.

□ 이번 연구는 7월 23일 저명한 국제학술지인 Nature Communications (IF 14.7) 온라인판에 게재되었으며,

    (논문명 : Dissemination of pathogenic bacteria is reinforced by a MARTX toxin effector duet / 교신저자 : 김명희‧황중원 박사 / 제1저자 : 최상현 박사과정 대학원생, 이영진 박사)

ㅇ 과학기술정보통신부 바이오·의료기술개발사업과 한국생명공학연구원 주요사업의 지원으로 수행되었다.

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그림1. 인체 세포 내 단백질 칼모듈린(CaM)과 결합해 면역체계 필수 물질을 분해하는 효소(NADase)로 전환하는 비브리오 패혈증균 트랜스포머 단백질(DUF1/RID)

  A. 트랜스포머 단백질[DUF1과 RID의 아미노-말단 도메인(RIDCBD)]의 입체구조

  B. 인체 CaM과 결합하여 NAD+를 가수분해하는 효소(NADase)로 전환한 트랜스포머 단백질

  C. 인간 유래 NADase 효소인 CD38과 유사하게 생긴 변형 후의 DUF1. NADase 효소 활성에 필요한 아미노산 잔기들이 표시됨

  D. 트랜스포머 단백질의 CaM-의존적 NADase 활성 기능DUF1E/Q-RIDC/A, NADase 활성에 필수적인 아미노산 E2186이 glutamine으로 돌연변이된 트랜스포머 단백질 DUF14mt-RIDC/A, CaM과 결합하지 못하는 트랜스포머 단백질

그림2. 비브리오 패혈증균의 트랜스포머 단백질(DUF1/RID)과 인체 단백질들(CaM/Rac1)이 결합한 복합체의 cryo-EM 입체구조

  A. 트랜스포머 단백질(DUF1/RID)-인체 단백질(CaM/Rac1) 복합의 입체구조

  B. NADase의 효소 활성에 중요한 DUF1의 아미노산 E2186과 Rac1의 poly basic region(PBR)을 변형(Nε-fatty acylation)하여 기능을 무력화시키는데 중요한 RID의 아미노산 C2838이 표시됨

  C. (위)비브리오 패혈증균이 인체 세포로 MARTX 독소를 주입 후, 독소로부터 방출된 트랜스포머 단백질이 세포막으로 이동(아래) CaM과 결합해 NADase로 변형하여 NAD+를 무력화시키고 동시에 Rac1과도 결합하여 변형(Nε-fatty acylation)을 통해 무력화

그림3. 비브리오 패혈증균의 트랜스포머 단백질에 의한 패혈증 활성화

  A. 비브리오 패혈증균에 감염된 생쥐로부터 분리한 말초혈액 단핵세포의 NAD+ 수준

  B~D. 비브리오 패혈증균에 감염된 생쥐의 혈액, 비장 및 간에서의 패혈증균 수

  E~G. 패혈증균 감염 시간에 따른 생쥐의 과잉 염증반응에 의한 사이토카인 폭풍 증후

  H. 비브리오 패혈증균에 감염된 생쥐의 생존율

     - (EF::DUF1-RID)정상 트랜스포머 단백질을 발현하는 비브리오 패혈증균

     - (EF::DUF1-RIDC/A)CaM와 결합으로 NADase 활성은 있지만 Rac1을 변형시키는 활성을 잃은 패혈증균

     - (EF::DUF1E/Q-RIDC/A)NADase 활성과 Rac1을 변형시키는 활성을 잃은 패혈증균

     - (EF::DUF1mt-RIDC/A)CaM과 결합할 수 없어 NADase 활성과 Rac1을 변형시키는 활성을 잃은 패혈증균 

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