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[바이오토픽] 통합적 인간마이크로바이옴 프로젝트(Integrative Human Microbiome Project) 완료 - 성과와 향후 과제는?
의학약학 양병찬 (2019-05-30)

통합적 인간마이크로바이옴 프로젝트(Integrative Human Microbiome Project) 완료 - 성과와 향후 과제는?

20년 전만 해도 인간 마이크로바이옴(human microbiome: 인체 내에 서식하는 미생물 공동체)은 걸음마 단계에 있는 분야였다. 이제 그것은 잘나가는 분야로, 기초과학과 임상과학을 통합하고 있으며, 세계적으로 공공부문과 민간부분에서 엄청난 투자를 지속적으로 유치하고 있다.

최초의 대규모 프로젝트 중 하나는 미국 국립보건원(NIH)이 지원한 10년짜리 인간마이크로바이옴프로젝트(HMP: Human Microbiome Project)로, 2007년에 런칭되었다. 최초의 가장 큰 발견 중 하나는 "인간미생물총의 분류학적 구성(taxonomic composition)이 숙주 표현형(예: 질병감수성)의 신뢰할 만한 지표가 아니다"라는 거였다. 이는 마이크로바이옴과 숙주 모두에 대한 더욱 통합적인 분석을 추동했고, 마침내 제2기 「통합적 HMP(iHMP: Integrative Human Microbiome Project)」 완료로 대단원의 막을 내렸다.

(1) 그리하여 《Nature》에 실린 논문 중 하나에서(참고 1), 저자들은 염증성장질환(IBD: inflammatory bowel disease)에 걸린 사람들의 장내미생물(gut microbiome)을 분석하여, "IBD 환자의 장내미생물 구성과 면역반응은 건강한 사람들에 비해 안정성이 낮다"는 결론을 내렸다.

☞ Host–microbiome dynamics in IBD

Host–microbiome dynamics in IBD

※ 그림설명: https://www.nature.com/articles/s41586-019-1238-8/figures/3

(2) 또 하나의 논문에서(참고 2), 저자들은 2형당뇨병이 발병하는 동안 환자들의 장내미생물과 비강내미생물(nasal microbiome)을 분석하여, "개인간의 커다란 미생물다양성에도 불구하고, 미생물의 프로파일링과 숙주의 프로파일링을 결합하면 인슐린민감성상태(insulin sensitivity status)를 예측할 수 있다"는 결론을 내렸다.

☞ Differential host and microbial responses to dietary perturbations and infectious disease in individuals with prediabetes.

Differential host and microbial responses to dietary perturbations and infectious disease in individuals with prediabetes

※ 그림설명: https://www.nature.com/articles/s41586-019-1238-8/figures/4

(3) 그리고 세 번째 논문에서(참고 3), 저자들은 임신부의 질내미생물(vaginal microbiome)을 분석하여, "임신하기 24주 전에 질내미생물 프로파일을 분석하면, (특히 아프리카계 여성들의) 조산위험 표지를 제공할 수 있다"는 결론을 내렸다.

☞ The vaginal microbiome and its relationships with host factors in pregnancy and preterm birth.

The vaginal microbiome and its relationships with host factors in pregnancy and preterm birth

※ 그림설명: https://www.nature.com/articles/s41586-019-1238-8/figures/2

세 논문의 첫 번째 강점은, 숙주와 미생물 모두의 분자적 데이터를 유례없이 깊고 넓게 제시했다는 것이다. 두 번째 강점은 종단적 설계(longitudinal design)로, 숙주와 미생물 간의 상호작용이 시간경과에 따라 어떻게 변하는지에 대해 중요한 통찰을 제공했다는 것이다.

그렇다면 굵직한 프로젝트의 제2기 보고서가 마무리된 지금, 향후 과제는 무엇일까? 마이크로바이옴의 기초생물학에 대한 의문점은 여전히 많으며, 그중 대표적인 것은 '마이크로바이옴의 시간적·인구별·지역별 차이를 추동하는 요인은 무엇인가?'라는 것이다. 그리고 연구진의 궁극적인 목표는 이번에 발견된 사항들을 임상적 개입(clinical intervention)으로 번역하는 것인데, 이것은 엄청난 과제가 아닐 수 없다. 왜냐하면, 그러기 위해서는 긴밀한 학제적 공동연구(multidisciplinary collaboration)가 요구되기 때문이다. 예컨대, 미생물학계 혼자만의 힘으로 (특정한 질병을 연구하는 데 가장 적절한) 동물모델을 확인하거나, 실질적인 인과성(causality)을 주장하는 데 필요한 최소한의 기준을 확립하는 것은 불가능하다.

학제적 노력을 통해 혁신적인 아이디어를 발굴·육성하고 중개연구(translational research)를 추동하려면, 시간과 지속적인 자금조달이 요망된다. 마이크로바이옴처럼 크고 성숙한 분야는 중앙기관(central agency)이나 전담연구소(dedicated institute)의 이점을 누릴 수 있다. 그런 기관/연구소는 필요한 학제적 노력을 뒷받침하고, 윤리적·규제적·사회적 함의는 물론 표준화(예: 데이터 공유, 최선의 관행)에 초점을 맞출 수 있다. 미국 국립인간유전체연구소(US National Human Genome Research Institute)에서 HMP 코디네이터의 임무를 수행했던 리타 프록터에 따르면, 해양과학과 같은 다른 분야에서 배울 점이 많다(참고 4)고 한다.

마이크로바이옴 학계가 지금까지 이뤄낸 성과를 기반으로 한 단계 도약하려면, 강력한 리더십과 코디네이션이 우선적으로 요구된다. 다행히도, 마이크로바이옴 분야가 그 방향으로 나아가고 있다는 고무적인 징후가 있다.

【참고】 인간마이크로바이옴 프로젝트 총정리

지난 10년간 진행된 NIH의 인간마이크로바이옴 프로젝트(HMP: Human Microbiome Project)는 1기(HMP1)와 2기(HMP2)로 조직되어, 광범위한 연구분야에서 자료원으로 활용될 수 있는 참조 시퀀스(reference sequence), 멀티오믹(multi-omic) 데이터세트, 계산 및 통계도구, 분석 및 임상 프로토콜을 개발했다.

(1) HMP1은 건강한 성인들을 대상으로 한 기초연구에서, 다양한 신체부위(구강, 비강, 질, 소화관, 피부)에 서식하는 미생물집단의 특징을 기술하는 데 주력했다. 아울러 특정한 질병이나 장애에 초점을 맞춰, 일련의 시범 프로젝트를 수행했다.

(2) HMP2는 대표적인 마이크로바이옴 관련 질환에 대한 세 개의 종단적 코호트연구(longitudinal cohort study)를 통해, 숙주와 마이크로바이옴의 생물학적 속성의 레퍼토리를 확장했다: ① 임신과 조산(임신부의 질내미생물), ② 염증성 장질환(장내미생물), ③ 전당뇨병(장내미생물과 비강내미생물). 이러한 연구들을 수행하기에 앞서, 연구진은 시간경과에 따른 다양한 측정치의 멀티오믹 분석을 통해 각 질병들의 역학(dynamics)을 연구하여, 마이크로바이옴의 구성, 바이러스체학, 대사 프로파일, 숙주와 마이크로바이옴의 유전자발현 및 단백질 프로파일, 숙주특이적 속성(유전학·후성유전학·항체·사이토카인의 프로파일)의 경시적(經時的) 변화를 파악했다.

인간마이크로바이옴 프로젝트 총정리

※ 참고문헌
1. https://www.nature.com/articles/10.1038/s41586-019-1237-9
2. https://www.nature.com/articles/10.1038/s41586-019-1236-x
3. https://www.nature.com/articles/s41591-019-0450-2
4. https://www.nature.com/articles/d41586-019-01654-0

※ 출처: Nature 569, 599 (2019) https://www.nature.com/articles/d41586-019-01674-w



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양병찬 (약사, 번역가)
서울대학교 경영학과와 동대학원을 졸업하고, 은행, 증권사, 대기업 기획조정실 등에서 일하다가, 진로를 바꿔 중앙대학교 약학대학을 졸업하고 약사면허를 취득한 이색경력의 소유자다. 현재 서울 구로구에서 거주하며 낮에는 약사로, 밤에는 전문 번역가와 과학 리포터로...
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