국내 연구팀, 장내 미생물 유전자의 장 관련 감염 질환 유도 원리 규명

윤상선 연세대학교 교수

[이데일리 오희나 기자] 미래창조과학부는 장내 세균 감염에 대해 숙주의 저항력을 감소시키는 원인 미생물과 유전자를 찾아내 장 관련 질환의 새로운 바이오마커를 제공할 수 있게 됐다고 22일 밝혔다.

바이오마커는 생물처리 과정, 병원성을 일으키는 과정, 치료를 위한 개입의 반응단계인 약리학의 과정의 지표로서 평가되고 측정되는 것이 특징이다.

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

항생제의 복용은 장내 미생물 군집 변화와 더불어 미생물에 의해 생산되는 대사산물의 변화, 세균 신호 전달 물질의 감소 등을 유발해 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 2만9000명의 사망자가 발생한다.

클로스트리디움 디피실 감염증은 건강한 성인 2~5%의 장내에 상재하고 있는 미생물인 클로스트리디움 디피실이 항생제 복용 후 장내에서 증가해 독소를 생산하며 설사 등을 유발하는 장 질환으로 재발이 쉽게 일어나 완치하기 어렵다.

또한 항생제 복용과 관련이 높은 것으로 알려진 염증성 장 질환이나 살모넬라 등의 감염성 질환도 최근 사회적 문제로 대두되고 있는 상황이다.

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

정상 공생미생물 균총을 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 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. 마이크로바이옴은 미생물군유전체로 일반적으로 미생물과 그들의 유전자를 의미하며 미생물군을 의미하는 마이크로바이오타(microbiota)와 동의어로 사용된다.

윤상선 교수는 암피실린, 반코마이신, 스트렙토마이신 및 클린다마이신 등의 광범위 항생제에 처리된 실험용 쥐가 대표적 병원성세균 중 하나인 콜레라균에 의한 감염에 매우 취약해 지는 것을 확인하고, 이러한 현상의 원인을 장내 공생세균과의 상호작용에 초점을 맞춰 이해하고자 했다.

항생제의 복용이 장내 마이크로바이옴에 미치는 영향을 확인하고 다양한 장내 세균 중 콜레라균과 상호 작용하는 단일 세균 종(대장균)을 분리 동정했으며, 균주의 전체 유전체(whole genome) 분석을 통해, 동정된 대장균이 기존의 대장균과는 상이한 특징이 존재함을 밝혀냈다.

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 밝혀냈다.

연구팀은 특정 유전자를 규명함으로서 이후 관련 질환에서 확인 및 제어를 통해 항생제에 의해 발생하는 장 질환의 치료 방법을 찾는데 중요한 계기가 될 것으로 기대하고 있다.

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

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 확인했다”며 “이에 따라 항생제 복용 후 발생하는 장관 감염성 질환의 진단 및 치료에 큰 기여를 할 것으로 생각한다”고 연구의 의의를 설명했다.