윤상선 교수

* 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.