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비브리오 패혈증균의 독성 활성화 과정 규명했다
Bio통신원(한국생명공학연구원)
국내 연구진이 매년 사망자를 발생시키고 있는 비브리오 패혈증균이 인체에 감염된 후 면역 방어에 중요한 역할을 하는 단백질들을 활용하여 독성을 활성화하는 원리를 규명하였다. 향후 패혈증균 독소 단백질과 인체 단백질 간의 상호작용 저해를 통한 감염 치료제 개발에 큰 기여를 할 것으로 기대된다.
한국생명공학연구원 대사제어연구센터 김명희 박사팀(교신저자: 김명희, 제1저자: 이영진 박사, 김병식 박사(現, 이화여자대학교))이 수행한 이번 연구는 한국연구재단이 추진하는 중견연구자지원사업과 한국생명공학연구원 주요사업의 지원으로 수행되었고, 미국국립과학원회보지 (PNAS) 8월 19일자(한국시각 8월 20일) 온라인 판에 게재되었다.
(논문명 : Makes caterpillars floppy-like effector-containing MARTX toxins require host ADP-ribosylation factor (ARF) proteins for systemic pathogenicity)
비브리오 패혈증균은 인체에 감염 시 가장 강력한 독성을 나타내는 독소(MARTX)를 분비하고 세포에 주입하여 병원성을 급격히 증진시킨다. 해당 독소(MARTX)는 비브리오 패혈증균 뿐만 아니라 많은 종류의 병원균에서 주요 독성 인자로 주목받고 있고, 현재까지 약 740종이 발견되었다.
해당 독소(MARTX)내에는 다양한 독성인자들이 비활성화 형태로 함께 묶여 존재하고 있다. 인체 세포내에 독소가 주입된 후에 이러한 독성인자들이 활성화되어 독성을 발휘하기 위해서는, 독성 인자들이 개별 단위로 잘려져 방출이 되어야 한다. 묶여 있던 독소 인자들이 방출되면, 방출된 독성인자들은 인체의 타겟 단백질들과 상호작용을 통해, 세포 기능을 마비시키고 패혈증균의 증식을 유도함과 동시에 병원성을 급격히 증진시켜 패혈증을 일으킨다.
따라서 해당 독소(MARTX)가 개별단위로 잘려져서 활성화 되느냐의 여부는 병원균들의 독성을 결정짓는 핵심과정이다. 기존에 발표된 연구에 의하면 해당 독소(MARTX)들은 세포에 주입된 후 독소가 가지고 있는 단백질 분해 효소(CPD)에 의해 독성인자들 간 연결부위가 잘려지고 활성형인 개별 단위로 방출되어서 병원성을 일으킨다고 알려졌다. 그러나 본 연구진은 해당 독소(MARTX)들은 다양한 조합의 독성인자들로 구성이 되어 있고 따라서 활성화되는 방식이 기존에 알려졌던 방식과 다름을 발견하였다.
연구팀은 감염 환자로부터 분리한 비브리오 패혈증균들을 이용하여 연구한 결과, 패혈증균은 인체에 감염된 후 세포내에서 일차적으로 독소(MARTX)내에 있는 단백질 분해 효소(CPD)에 의해서 독성인자들 간 연결 부위가 부분적으로 절단되어 MCF라는 독성인자를 포함한 2~3개의 독성인자들이 연결된 형태의 중간체로 가공되고, 이렇게 생산된 중간체들은 다양한 세포 구획으로 이동함을 분석하였다.
이 후 각 중간체에 포함된 독성인자(MCF)는 세포 모든 구획에 존재하면서 선천성 면역 방어 기능을 포함한 다양한 세포 기능을 하고 있는 인체 단백질들(ARF1, ARF3, ARF4, ARF5, ARF6)과 강력하게 결합하여 단백질 분해 효소로 전환되어 함께 붙어 있던 독성인자들을 잘라내어 방출시킴으로써 동시다발적으로 세포 전 구획에 있는 타겟 단백질들의 세포 기능을 마비시키고 독성을 활성화하여 시스템적으로 병원력을 증진시킴을 규명하였다.
즉, 단백질 분해 효소(CPD)만을 함유하는 해당 독소(MARTX)와 다르게, 단백질 분해 효소(CPD)와 독성 인자(MCF)를 동시에 함유하는 독소들은 기존에 알려졌던 방식과는 다르게 독소를 활성화함을 발견하였다. 또한 이러한 독소 활성화 과정은 독성 인자(MCF)를 함유하는 모든 해당 독소(MARTX)들이 공통적으로 갖는 병원성 기전임을 밝혔다.
연구팀은 독성 인자(MCF) 단백질과 인체 단백질(ARF3) 상호작용체의 고해상도 구조분석을 통해 독성 인자(MCF)가 인체의 특정 단백질(ARF)과 결합을 통해 비로소 활성형인 단백질 분해 효소로 전환이 되는 과정을 분자 수준에서 명확하게 분석하였다.
또한 연구진은 인체의 특정 단백질들(ARF 단백질들)과 결합을 하지 못하는 독성 인자(MCF)를 함유하는 비브리오 패혈증균을 제작하여 쥐에 감염시켰을 때 독성이 현격하게 감소함을 검증하였다.
연구책임자인 김명희 박사는 “본 연구성과는 환자들로부터 분리한 여러 비브리오 패혈증균들을 사용하여 밝힌 패혈증 활성화 기전을 밝힌 것으로, 다양한 병원균에 공통적으로 적용이 될 수가 있어 독성인자와 인체단백질의 결합을 표적으로 하는 감염병 치료제 개발에 큰 기여를 할 것으로 기대된다”고 밝혔다.
연 구 결 과 개 요
□ 연구배경
○ 비브리오 패혈증균은 주로 해안지역에서 6-9월에 흔히 발생하는 세균으로 균이 오염된 어패류를 생식하였거나, 균에 오염된 해수에 피부상처가 노출된 경우에 감염될 수 있다.
○ 특히 간질환 환자, 알콜중독자, 당뇨병, 만성신부전증 등 만성질환자들에게 감염시 평균 1-2일의 잠복기를 거쳐 패혈증을 유발하고 사망률 50-70% 일으키는 급성 감염 질환 원인균으로 국내에서는 매년 50~100명의 환자가 보고되고 있다.
○ 특히 기후 변화로 인한 해수 온도가 상승하고 있음에 따라 비브리오 패혈증균의 발생 시기도 앞당겨지고 균의 성장 속도도 빨라져 환자수가 늘고 있는 세계적으로 문제시 되고 있는 감염균이다.
○ 비브리오 패혈증균이 만들어내는 가장 치명적인 독성 물질은 MARTX 독소로 독소내에는 다양한 독성인자들이 묶음 형태로 존재하고 있고 각 단위의 독성인자들로 가공되어서 방출이 된 후 숙수 세포 단백질들을 공격해서 세포 기능을 마비시키고 균의 증식을 통해 패혈증을 일으킨다. MARTX 독소는 패혈증균 외에도 비브리오 콜레라균 등을 포함한 매우 다양한 병원균이 분비한다. 현재까지, 분비된 독소가 숙주 세포에 주입된 후 어떻게 독성인자들을 방출시켜 독성을 일으키는지에 대한 기전은 명확히 밝혀지지 않았다.
□ 연구내용
○ 연구팀은 환자에서 분리한 비브리오 패혈증균들을 중심으로 인체에 감염된 후 어떤 기작에 의해 독소가 독성인자들을 방출시켜 병원성을 급격히 증진시키는지에 대한 기전을 규명하였다.
○ 연구팀은 독소가 세포에 주입된 후 독소의 독성인자 중 하나인 MCF가 세포의 모든 구획에 존재하면서 면역 방어 및 다양한 세포 신호전달 중요한 역할을 하는 ARF 시리즈 단백질들 (즉, ARF1, ARF3, ARF4, ARF5, ARF6)과 매우 강하게 결합하여 ARF 단백질들의 기능을 저해함과 동시에 단백질 분해 효소로 전환이 되어 함께 묶여 있던 다른 독성인자들을 방출시킴으로써 독성을 극대화시키는 기능을 한다는 사실을 발견하였다.
*ARF (ADP ribosylation factor) 단백질: Small G protein family 단백질로 인간은 ARF1, 3, 4, 5, 6의 5 종의 ARF 단백질을 가지고 있고 선천성 면역 조절 기능을 포함하여 세포내에서 다양한 역할을 하는 주요 단백질
○ 연구진은 MCF 독성인자와 ARF 단백질의 결합 복합체의 구조 분석을 통해 MCF가 어떻게 ARF 단백질을 활용하여 단백질 분해 효소로 변신이 되어 다른 독성인자들을 활성화시키는지를 분석하였다.
○ 또한 연구진은 다양한 병원균이 분비하는 모든 MARTX 독소를 분석하여 MCF를 함유하는 독소들은 동일한 기전으로 독성인자들을 활성화시킴을 확인하였다.
○ 연구진은 이러한 MARTX 독소 활성화 기전을 마우스 모델을 활용하여 검증하였다. 즉, 인체 ARF 단백질과 결합하지 못하는 비브리오 패혈증균 제작을 통해 마우스에 감염시켰을 때 독성이 급격히 감소하여 생존율이 현격히 증가되는 것을 확인하였다.
○ 결론적으로, 본 연구는 비브리오 패혈증균 뿐만이 아니라 MARTX 독소를 분비하는 모든 병원균이 어떻게 활성화되어 병원성을 급격히 증진시키는지에 대한 명확한 기전을 규명한 것이다. 따라서 이를 활용한 다양한 병원균의 감염병 치료제 개발의 가능성을 제시하고 있다.
□ 연구성과의 의미
▶ 급성 감염 질환 원인균인 비브리오 패혈증균을 비롯한 다양한 병원균의 독성 활성화 기전 규명 : MARTX 독소를 분비하는 병원균들의 감염 치료제 개발 활용
○ 본 연구에 의해 밝혀진 MARTX 독소의 활성화 기전 규명은 병원균들이 감염 후 어떻게 작용하여 병원성을 증진시키는지에 대한 이해뿐만 아니라 이를 통한 백신 및 치료제 개발에 큰 기여를 할 것으로 기대된다. 비브리오 패혈증균 이외의 병원균들에 의한 질환 연구에도 활용가치가 클 것으로 예상된다.
▶ MARTX 독소 타겟 숙주 단백질로 ARF 시리즈 단백질 발견
○ 독소의 타겟으로 ARF 시리즈 단백질의 발견과 구조생물학적 방법에 의한 독성인자와의 복합체 구조 분석 연구결과는 병원성 기전에 대한 분자수준에서의 명확한 이해와 더불어 이를 활용한 감염병 질환 치료제 개발에 큰 기여를 할 것으로 기대된다.
연 구 결 과 문 답
이번 성과 뭐가 다른가
1. 비브리오 패혈증균 뿐만 아니라 다양한 병원균이 분비하여 급속한 병원성을 나타내는 MARTX 독소의 활성화 기전을 규명
2. 특히 숙주의 모든 세포 구획에 존재하면서 중요한 세포 기능을 하는 ARF 시리즈 단백질들을 시스템적으로 활용하여 독성을 일으키는 새로운 병원성 기전을 발견
어디에 쓸 수 있나
MARTX 독소를 생산하는 다양한 병원균들의 감염 치료제 개발에 활용
실용화까지 필요한 시간은
병원균들의 독성 활성화에 대한 새로운 기전을 규명한 기초적인 연구 결과로서, 독성 저해제 후보물질 발굴로부터 검증, 전임상 등 여러 단계의 개발 연구가 필요한 상황임.
실용화를 위한 과제는
병원성균 독소와 ARF 시리즈 단백질과의 결합 저해제 개발 연구
연구를 시작한 계기는
본 연구 그룹은 오랜 기간 동안 감염과 면역에 대한 연구에 집중하고 있음. 특히 미생물 관점에서 인체 감염 후 어떻게 생존을 통해 병원성을 발휘하는지 그리고 인체 관점에서는 어떻게 감염에 신속하게 대응하여 방어를 하는지에 대한 기전 규명 등을 중심으로 연구하고 있음. 이러한 배경에서 국내에서 해마다 사망자가 발생하여 문제시되고 있는 비브리오 패혈증균을 대상으로 가장 심각한 독성을 나타내는 MARTX 독소에 집중하고 있음.
에피소드가 있다면
최근 다른 식중독균들은 비교적 제어가 잘 되어 가고 있는 반면에 비브리오 패혈증균은 기후 온난화 현상으로 해수 온도가 상승하고 있는 이유로 발생 시기도 길어지고 성장속도 빨라져 지속적으로 감염 환자가 증가하고 있음. 이러한 이유로 세계 여러 그룹에서 비브리오 패혈증균을 대상으로 다양한 연구가 진행되고 있고 특히 미국 그룹과 본 연구 그룹은 경쟁적으로 동일한 MARTX 독소 연구에 집중하고 있는 상황임. 본 연구 그룹은 구조생물학, 미생물학, 세포생물학, 면역학 분야 전문가들로 구성된 그룹으로 수월성 있는 연구 진행을 통해 본 연구 결과를 경쟁 그룹보다 먼저 정리하여 논문을 발표할 수 있었음.
꼭 이루고 싶은 목표는
MARTX 독소와 관련해서 가장 중요한 질문 중에 하나는 어떻게 독소가 숙주 세포내로 유입되는지에 대한 것임. 이를 밝히기 위해 준비 중에 있음.
신진연구자를 위한 한마디
연구 초기에 세운 가설은 결과적으로 맞지 않을 가능성이 높음. 반면에 기대 이상의 새로운 발견을 하게 되는 계기가 될 수도 있음. 따라서 실패를 많이 할 수 밖에 없고 연구를 성공적으로 이끌기 위한 필수적인 절차라고 생각함. 긍정적인 생각과 오픈된 연구 자세로 연구에 임하고 다른 연구 분야 전공자들과 강한 네트웍을 형성하여 융합적인 관점에서 연구를 수행한다면 “자신이 추구하는 Science”를 이룰 수 있을 것임.
그림 1. 환자에서 분리한 비브리오 패혈증균들이 분비하는 MARTX 독소들의 구조
그림 2. 현재까지 밝혀진 MARTX 독소들의 분류. 모든 독소들은 단백질 분해 효소(CPD)를 함유하고 있고 이중 약 35% 독소는 CPD 외에도 또 다른 단백질 분해 효소 MCF 또는 DmX(MCF와 유사 기능을 하는 단백질 분해 효소)를 동시에 함유함.
그림 3. (A) 단백질 분해 효소(CPD)에 의해서 생산된 중간체 독성인자들(MCF와 ABH)의 입체구조. 중간체에 존재하는 MCF는 비활성 단백질 분해 효소 독성인자임을 나타냄.
(B) 독성인자 MCF와 인체 타겟 단백질 ARF3와의 상호작용 복합체 입체구조. ARF3와 강한 결합으로 인해 MCF가 활성 단백질 분해 효소로 전환된 형태를 나타냄.
(C) 비활성, 활성 MCF의 효소 활성 부위 비교
그림 4. (A) 독성인자 MCF와 숙주 단백질 ARF간의 상호작용 매개 독소 활성화의 중요성을 검증하기 위해 제작한 비브리오 패혈증균들.
(B) 비브리오 패혈증균 감염후 마우스 생존율. 독성인자들이 모두 보존된 독소를 함유하는 패혈증균(Parental) 과 숙주 ARF와 결합 기능이 있어 ABH 독성인자를 방출시킬 수 있는 균(ABHS/A-MCFWT)에 감염된 쥐들은 감염 12시간 만에 생존율이 급격히 떨어진다. 반면에 ARF와 결합은 할 수 있으나 MCF의 단백질 분해 활성을 제거하여 ABH 독성인자를 방출시킬 수 없는 균(ABHS/A-MCFC/S)을 감염시킨 쥐와 ARF와의 결합능력이 없는 균(ABHS/A-MCF4MT)을 감염시킨 쥐의 생존율은 독성인자들을 완전히 제거한 균(EF-MARTX)에 감염된 쥐의 생존율과 유사하게 급격히 증가함.
그림 5. 독성인자 MCF와 인체 단백질 ARF간의 상호작용 매개 MARTX 독소들의 활성화 및 병원성 기전. CPD와 MCF를 함유하는 독소들은 일차적으로 CPD에 의해 중간체 독성인자들을 생산하고 이차적으로 MCF가 숙주 ARF 단백질들과 결합하여 독성인자들을 활성형으로 방출시켜 타겟 단백질들의 기능을 마비시킴으로써 시스템적으로 병원성을 일으킴.
본 기사는 네티즌에 의해 작성되었거나 기관에서 작성된 보도자료로, BRIC의 입장이 아님을 밝힙니다. 또한 내용 중 개인에게 중요하다고 생각되는 부분은 사실확인을 꼭 하시기 바랍니다.
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