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구강 마이크로바이옴 연구 동향
구강 마이크로바이옴 연구 동향 저자 황인성 (㈜닥스메디)
등록일 2021.02.09
자료번호 BRIC VIEW 2021-T06
조회 1398  인쇄하기 주소복사 트위터 공유 페이스북 공유 
요약문
인체 마이크로바이옴 프로젝트를 시작으로 급성장한 마이크로바이옴 분야는 바이오 산업의 새로운 분야를 개척하고 있으며, 특히, 새로운 형태의 신약으로 활용될 수 있다는 점에서 많은 관심을 받고 있다. 인체의 여러 부위 중 구강은 인체 내 기관의 입구로서 미생물이 우리 몸 안에 들어오는 직접적인 통로이자 다양한 미생물의 좋은 서식처이다. 구강의 마이크로바이옴은 구강의 질환뿐만 아니라 치매를 포함한 전신 건강과 연관되어 있다는 연구 결과 또한 지속적으로 축적되고 있다. 전 세계적으로는 구강 검체 은행을 구축하고, 다양한 구강 마이크로바이옴 데이터베이스를 구축하고 있으며, 큰 규모의 종단 임상 연구가 활발히 진행되고 있다. NGS와 ICT의 발전과 함께 구강 마이크로바이옴 연구는 종분류 연구를 넘어 기능과 상호작용 연구로 확대되고 있으며, 상관 관계 연구에서 인과 관계 연구로 전환되고 있다. 지속적인 투자와 대규모 연구를 통해 공생체인 마이크로바이옴과 숙주인 인체의 숨겨진 관계가 밝혀지기를 기대한다.
키워드: 구강, 미생물, 마이크로바이옴, 메타지노믹스, 치주염, 임플란트 주위염, 치매, 통생체, 공생체
분야: Bioinformatics, Genomics, Microbiology

목 차

1. 마이크로바이옴
  1.1. 마이크로바이옴 연구 동향
  1.2. 구강 마이크로바이옴 연구 동향
2. 구강 마이크로바이옴 연관 질병
  2.1. 알츠하이머병(Alzheimer’s disease, AD)
  2.2. 치주염(periodontitis)
  2.3. 임플란트 주위 감염(peri-implant infections)
3. 구강 마이크로바이옴 분석 기술
4. 검체 수집 방법의 표준화
5. 결론과 전망
6. 용어 설명
7. 참고문헌


1. 마이크로바이옴

마이크로바이옴(microbiome)은 분자생물학적 관점으로 볼 때, 한 유기체에 공생하고 있는 미생물 군집(microbiota: 박테리아, 곰팡이, 바이러스 등) 유전체(genome)의 집합이라 할 수 있다. 의미론적으로 유전체학(genomics)에 중점을 두고 있으며, 1958년 생리학•의학 노벨상 수상자인 Joshua Lederberg 교수가 2001년도에 처음 사용하기 시작한 것으로 알려져 있다 [1]. 하지만 이미 1988년에 John Whipps 교수 일행은 미생물군(microbes)과 생태계(biome)의 조합이라는 의미에서 마이크로바이옴을 “뚜렷한 생리화학적 특성을 지니는 합리적으로 잘 정의된 특정 환경에 거주하는 특정 미생물의 집합체”로 정의한 바 있다 [2]. 이에 따라 2020년 MicrobiomeSupport project에 모인 국제 전문가 그룹은 Whipps 교수의 오래된 정의를 살려내는 동시에 마이크로바이옴이 지니는 역동적인 의미를 보완하기로 했다. 새로운 정의에 의하면 마이크로바이옴은 “뚜렷한 생리화학적 특성을 합리적으로 잘 정의된 특정 환경에서 서식하는 특정 미생물 군집으로서 자신들의 활동 무대(theatre of activity)를 포함하며, 시간과 규모에 따라 변하기 쉬운 역동적이고 상호 작용하는 미시 환경을 형성하고 진핵 숙주를 포함하는 거시 환경에 통합되어 숙주의 기능과 건강에 중요”하다. 미생물의 활동 무대는 미생물의 구조물, 대사산물, 이동 유전자 요소(transposon, phages, viruses 등), 거주 환경에 내장된 잔유 DNA (relic DNA)를 포함한다 [3, 4]. 하나의 용어가 시대에 따라 다르게 정의된 경우로, 오래 전 생태학적 의미로 정의되었던 용어가 유전체 분석 기술의 발달과 함께 분자생물학적 의미를 새롭게 부여받은 셈이다.

1.1. 마이크로바이옴 연구 동향

미국 국립보건원(NIH)과 민간의 주도로 2007년부터 2016년까지 약 2,600억 원이 투자된 휴먼 마이크로바이옴 프로젝트(HMP)는 다양한 최신의 유전학적 분석 도구를 이용해 인체의 피부, 구강, 장, 폐, 질 등에 서식하고 있는 미생물군의 유전체 데이터베이스를 구축하고 이를 기반으로 인체의 건강과 연관된 핵심(core) 마이크로바이옴을 특정하는 총체적인 연구를 수행했다 [5]. HMP는 미국 NIH가 주도한 1기(2007년-2013년)와 민간이 주도한 2기(2014-2016)로 나뉘는데, 2기는 통합(integrative) HMP (iHMP)로서 세 가지 코호트 연구(조산, 염증성 장질환, 제2형 당뇨병)를 중심으로 다양한 오믹스(omics) 데이터를 축적하고 있다 (그림 1)[6]. 이 외에도 다양한 컨소시엄을 통해 크고 작은 마이크로바이옴 프로젝트가 전 세계적으로 진행되었다 (표 1, 그림 2 참조).

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그림 1. 10년에 걸쳐 진행된 HMP는 1기 HMP1과 2기 HMP2 (iHMP)로 구분되며 1기에서 얻어진 기초정보와 표준 유전자 데이터를 기반으로 2기에서 종단 임상 연구를 수행했다 [6].

 

 

HMP를 통해 현재까지 총 48곳의 인체 부위에서 31,596개의 검체를 채취해 분석했으며, 생성된 데이터는 48.54 테라바이트(TB)에 이른다. 단일 부위로는 장내 미생물 분석을 위한 분변이 5,904개로 가장 많고 구강 점막이 4,292개로 두 번째로 많다. 하지만 위장기관과 구강으로 크게 구분하면 구강 부위가 총 9,324개로 위장기관 부위의 9,189개보다 약간 많다. 이는 상대적으로 구강 검체 채취가 쉽고, 검체 간 차이가 크며, 구강 내의 세부 부위별로 미생물종이 매우 다양하게 분포하기 때문이다 (그림 3).

 

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그림 2. MicrobiomeSupport Project는 1,500개 연구기관과 8,000여개 마이크로바이옴 프로젝트 데이터베이스를 구축하고 연구자 그룹 사이의 정보 교환을 주재한다.

 

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그림 3. HMP 연구에 사용된 인체 부위별 검체 수 비교.

 

인체에 존재하는 박테리아의 수는 100조 개 이상으로 인간 세포 수보다 10배 정도 많다고 습관적으로 인용되어 왔다. 그러나, 2016년 Milo 교수 일행은 좀 더 정밀한 계산을 통해 인체 장내 박테리아 수를 38조 개로 추정했으며 인체의 세포 수 역시 새롭게 계산해 30조 개(이 중 84%는 적혈구)로 추정했다. 이에 따르면 인체의 박테리아 수는 기존에 비해 1/3 정도이며 인체 세포 수에 비해 1.3배 많다고 할 수 있다 [7, 8]. 게다가 화장실을 갈 때마다 장내 미생물의 1/3 정도가 빠져나간다고 할 때, 평균적인 박테리아 수는 인체 세포 수보다 적다고 할 수 있다.

인체 마이크로바이옴을 구성하는 대부분의 미생물은 공생균(symbiont)으로써 인간에게 필요한 비타민과 아미노산을 생산하고 소화와 양분의 흡수를 돕거나, 대사와 발달을 조절하거나, 병원균(pathogenic microorganisms)의 생장을 억제하는 유익균(beneficial microorganisms)으로 활동한다. 하지만, 서식 부위가 바뀌거나 군체의 수나 조합이 불균형(dysbiosis) 해지면 다양한 소화기질환, 비만, 당뇨병, 자폐증, 뇌질환 발병의 위험도를 높이는 병원성(pathobiont)을 나타내기도 한다. 이처럼 인체 마이크로바이옴은 인체의 건강과 면역체계 유지에 중요한 역할을 하는 필수 공생 미생물(commensal microorganisms)로 여겨지며 나아가 제2의 유전체로도 불리고 있다.

1.2. 구강 마이크로바이옴 연구 동향

구강에서 발견된 미생물은 현재까지 약 700종 이상으로 파악되고 있다. 구강 마이크로바이옴은 주로 부위별(타액, 입술, 혀, 점막, 치은열구(gingival sulcus), 치아 표면, 잇몸, 입천장, 치은연하치태(subgingival plaque), 치은연상치태(supragingival plaque) 또는 구강액 전체를 이용해 메타지놈 연구를 수행한다. 구강과 연결된 확장 부위로써 편도, 목구멍, 인두(pharynx), 유스타키오관(Eustachian tube), 중이(middle ear), 기도(trachea), 폐, 콧구멍, 부비강(sinuses)을 포함하기도 한다. The Forsyth Institute는 구강 마이크로바이옴 유전 정보 축적을 위해 NIH의 지원으로 Human Oral Microbiome Database (HOMD)를 구축했으며, 2015년도부터는 Harvard Catalyst의 추가 지원을 통해 구강의 확장된 부위를 포함한 expanded HOMD (eHOMD)를 운영하고 있다. 이 외에도 특별한 목적의 크고 작은 데이터베이스를 구축하고 있는 여러 기관들이 있다 (표 2, 그림 4 참조).

 

표 2. 구강 마이크로바이옴 데이터베이스.
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- eHOMD: http://www.homd.org/
- CORE: http://microbiome.osu.edu/
- MicrobiomeDB: https://microbiomedb.org/mbio/app/
- Oralgen: http://www.oralgen.org/
- FMD: http://www.fmd.jcvi.org/
- MDB: https://db.cngb.org/

 

eHOMD에 의하면 건강한 구강에 상주하고 있는 것으로 밝혀진 미생물 문(phyla)은 Firmicutes, Bacteroidetes, Proteobacteria, Fusobacteria, Actinobacteria 등이 있으며 속(genera)으로는 Streptococcus, Prevotella, Veillonella, Neisseria, Haemophilus 등이 있다. 현재까지 발견된 구강 박테리아의 57% 정도만 공식적인 명칭을 부여받았고, 13%는 배양이 되었으나 아직 명명되지 않았으며, 30%는 배양이 불가능한 것으로 밝혀졌다.

중국의 BGI Group은 대규모 메타지놈 데이터를 이용한 구강 마이크로바이옴 분석 결과를 발표했다 [9]. 이들은 3,346개의 메타지놈 분석 샘플과 808개의 출간된 샘플을 이용해 56,213개의 메타지놈 유래 유전체를 모은 결과 새로운 과(family)를 찾아냈고, 기존에 알려진 Porphyromonas 속과 Neisseria 속의 다양한 유전자 변형체들(strains)을 찾아냈으며, 류마티스성 관절염이나 대장암과 연관된 새로운 바이오마커를 발견할 수 있었다. 이들 결과는 Microbiome Database (MDB)에 공개되어 있다 (표 2).

 

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그림 4. (a) HOMD에 축적된 지금까지 분석된 구강 미생물문과 분류종의 규모 비교. (b) HOMD의 접속자 통계. 한국은 접속자 통계에서 제외되어 있다.

 

2. 구강 마이크로바이옴 연관 질병

구강에 성공적으로 안착해 서식하는 60억 개의 박테리아는 타액을 통해 타인에게 전파되며, 지역 공동체 구성원의 건강에 영향을 미친다. 대표적인 구강 질환으로는 치주염, 치은염, 치아 우식(충치), 구강암 등이 있는데, 모두 구강 마이크로바이옴과 연관이 있는 것으로 알려져 있다. 최근엔 구강과 연관이 없을 것으로 여겨지던 질병도 구강 마이크로바이옴과 연관된 것으로 밝혀지고 있는데, 구강은 호흡기와 위장을 비롯한 인체 여러 내장 기관의 입구로서 인체의 전반적인 건강에 중대한 영향을 끼치고 있음을 알 수 있다 (표 3).

 

표 3. 다양한 질병과 연관된 구강 마이크로바이옴 [10-13].
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2.1. 알츠하이머병(Alzheimer’s disease, AD)

AD는 치매(dementia) 환자의 75%를 차지한다. 치아의 유실이나 박테리아와 연관된 구강 위생이 치매와 연관되어 있다는 주장은 오래 전부터 있어왔다 (그림 5)[14]. 만성 치주염을 10년 이상 앓는 사람이 AD에 걸릴 확률이 약 1.7배 높다는 연구 결과 [15]와 구강 마이크로바이옴이 치주염과 깊은 연관이 있다는 연구 결과 [16]는 자연스럽게 치매와 구강 마이크로바이옴 사이의 관계를 연결짓게 한다. 일례로, 치주질환 유발균인 Porphyromonas. gingivalis는 마우스 실험에서 amyloid-β (Aβ) plaque와 neurofibrillary tangles 축적을 유도했으며 [17], 2019년 UCSF의 Stephen Dominy 교수 그룹은 AD 환자의 뇌에서 P. gingivalis에서 유래한 단백질 분해효소 gingipain이 검출되는 연구결과를 보였다 [18]. 나아가 이들은 P. gingivalis를 마우스의 구강에 감염시키면 뇌에도 감염이 되어 Aβ1-42가 생성되며, gingipain 활성 억제제를 경구 투여하면 Aβ1-42 생성을 막고 신경염증을 감소시키며 해마의 뉴런을 보호하는 결과를 보였다. 이상의 연구 결과에 기반해 코텍자임 사(Cortexyme, Inc.)는 gingipain 억제를 이용한 치매 치료제(atuzaginstat, COR388) 개발을 위해 약 1억 달러의 투자를 유치했다. 2020년 12월 중간 보고서에 의하면 643명을 대상으로 하는 2/3상 임상 시험(GAIN Trial (GingipAIN Inhibitor for Treatment of Alzheimer’s Disease Trial))은 2021년 12월까지 순조롭게 진행될 예정이다.

 

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그림 5. 알츠하이머병과 연관되어 있다고 알려진 여러 박테리아 중 P. gingivalis, H. pylori, C. peumonia에 대한 연구 결과가 많은 편이다 (Biorender.com web interface를 이용해 작성된 그림).

 

최근 미국 National Institute on Aging (NIA)의 일련의 과학자들은 CDC에 의해 대규모로 진행되었던 공개된 설문조사 데이터베이스인 National Health and Nutrition Examination Survey (NHANES III, 1988-1994)를 이용해 치주염과 구강 미생물 감염이 치매와 치매로 인한 사망과 어떤 연관이 있는지 연구했다 [19]. 이들은 다양한 연령대의 6,000명이 넘는 참가자들을 최장 26년간 추적 조사했으며, 치주염 진단과 함께 치주염 연관 구강 미생물에 대한 혈청의 항체를 검사했다. 항체 검사는 P. gingivalis가 치주 질환의 가장 큰 원인임을 확인해주었고, 고령층에서 치주 질환과 구강 감염이 있으면 조사 기간 동안 AD 발병률과 AD에 의한 사망률이 더 높은 결과를 보여주었다. Campylobacter rectusPrevotella melaninogenica를 포함하면 위험도가 더 높았다.

AD와 타액의 마이크로바이옴 사이의 관계를 AD 관련 유전자와 함께 연구한 경우도 있다. APOE ε4 유전자는 후기발병 AD를 유발하는 주요 유전적 위험요인으로 뇌혈관장벽(BBB)을 무너뜨리는 것으로 알려져 있다. 이 연구에서는 환자에게서 더 많이 발견되는 박테리아와 감소한 박테리아 속을 구분할 수 있었으며, APOE ε4(+) 환자의 경우 APOE ε4(-)에 비해, AbiotrophiaDesulfomicrobium가 상대적으로 많았고 ActinobacillusActinomyces는 더 적게 발견되는 현상을 관찰했다 (그림 6)[10].

 

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그림 6. AD 환자군(P)과 건강한 대조군(C) 사이(a)와 APOE ε4 유전자 유무(b)에 따른 선형판별분석(LDA) 결과. (c) APOE ε4 유전자 유무에 따른 ActinomycesActinobacillus 속의 상대량 비교.

 

2.2. 치주염(periodontitis)

치주염은 대표적인 구강 질환의 하나로 국내 다빈도 질병의 두 번째에 속하며 치과질환 중 유병률 1위를 차지하고 있다 (그림 7). 치주질환 환자는 매년 증가해 2013년 1,000만 명에서 2017년 1,500만 명으로 가파르게 증가하고 있다. 고령층 환자가 많은 비율을 차지하지만, 20-30대 환자의 치주질환 증가율도 무시하지 못할 수준이다. 일반적으로 65세 이상의 절반 정도가 중증 치주염의 영향을 받고 있는데, 현재까지 마땅한 치료제는 없는 실정이다. 이러한 임상적 수요를 충족시키기 위해 호주 Melbourne 치과대학의 Eric Reynolds 교수와 연구진은 2016년도에 치주염을 예방하는 방법으로 gingipain에 대한 항체를 개발해 적용한 연구 결과를 발표했다 [20]. 이들은 Lys-specific gingipain (Kgp-A1)과 gingipain의 활성부위 펩타이드(KAS)를 조합해 최적 항원(KAS2-A1)을 만들었으며 이들에 의해 생성된 IgG1이 P. gingivalis에 의해 유발되는 치주질환을 마우스 모델에서 효과적으로 저해하는 것을 확인했다 (그림 8). Eric Reynolds 교수는 이후 덴테릭 사(Denteric Pty Ltd.)를 설립해 P. gingivalis 백신 개발에 뛰어들었으며 대규모 임상을 위해 2019년도에 1,400만 달러 규모의 투자를 성공적으로 유치했다. 백신 개발이 성공하면 치주염 예방뿐만 아니라 치매의 예방에도 적용이 가능하므로 파급 효과는 꽤 클 것으로 예상된다.

오래 전부터 배양법에 의해 밝혀졌던 P. gingivalis, Tannerella forsythia, Treponema denticola는 red complex로 분류되어 만성 치주염과 관련이 있다고 알려져 왔다. 최근 NGS 기술의 발달로 배양 조건과 상관없이 박테리아를 모두 찾아낼 수 있게 되었으며, red complex 외에 Aggregatibacter actinomycetemcomitans, Fusobacterium nucleatum, Prevotella intermedia, Filifactor alocis, Parvimonas micra 등을 포함해 여러 가지 문, 강, 속, 고세균에 해당하는 미생물도 치주질환과 연관이 있는 것으로 밝혀졌다 (표 3 참조).

 

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그림 7. (a) 치아와 치아 주변의 구조, (b) 치주염의 발병 단계
(Biorender.com web interface를 이용해 작성된 그림).

 

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그림 8. (a, b) 치주염 모델에서 재조합 KAS2-A1 변이 항원에 의한 P. gingivalis (a), 다중 박테리아 (b) 유발 골손실 보호 효과. (c) KAS2-A1에 대한 다클론 항체를 이용한 P. gingivalis 유발 골손실 보호 효과 [20].

 

2.3. 임플란트 주위 감염(peri-implant infections)

임플란트가 대중화되면서 임플란트 주위의 감염 질환이 주요한 구강 질환의 하나로 자리잡게 되었다. 전체적으로 임플란트 환자의 30%, 시술된 임플란트의 20%가 임플란트 주위의 감염을 경험한다. 임플란트 주위의 연성 조직에 염증이 발생해 치주 탐침 후 출혈(bleeding on probing, BOP)이 있는 임플란트 점막염(implant mucositis)을 거쳐, 아래 골조까지 염증이 발생해 치주낭의 깊이(periodontal probing depth, PPD)가 더 깊어지는 임플란트 주위염(peri-implantitis)이 가장 흔하게 발생하며, 임플란트 주위염이 심해지면 골용해(osteolysis)까지 진행될 수 있다 (그림 8).

임플란트 주위염의 원인은 환자의 건강 상태나 유전적 요인도 있지만 임플란트 주위의 미생물 환경을 파악하면 질환의 원인을 이해하고 치료적 개입의 목표를 정하기가 더 수월하다. 박테리아에 의한 감염은 빠르면 임플란트 식립 후 30분부터 진행되기도 하는데 초기 몇 주에 걸쳐 형성된 박테리아에 의한 바이오필름에 의해 임플란트 주의의 미세 환경이 변하면 구강 내 미생물 균형이 깨지고 임플란트 주위염이 악화된다. 만성 치주염 병력이 있으면 임플란트 주위염이 발생할 확률이 높지만, 치주염과 임플란트 주위염에서 발견되는 박테리아는 구성 성분에 유효한 차이가 있다.
 

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그림 9. 치주염에 비해 다양성이 떨어지긴 하지만 임플란트 주위염이 진행되면서 미생물 다양성이 증가하는 현상이 관찰되고 있다 (Biorender.com web interface를 이용해 작성된 그림).

 

최근 이탈리아의 Ghensi 일행은 임플란트 주위에서 채취한 113개 검체를 이용해 메타지놈 분석을 수행하고 건강한 임플란트와 주위염이 있는 임플란트를 비교한 후 기계학습을 통해 정확도를 높인 결과 7종의 박테리아(P. gingivalis, P. endodontalis, T. forsythia, F. nucleatum, Fretibacterium fastidiosum, P. intermedia, T. denticola)가 임플란트 주위염과 높은 연관이 있음을 밝혔다 [21]. 하지만, 대부분 특정한 미생물종의 유무보다는 특정 미생물종의 증감이 더 흔하게 나타나는 현상이기 때문에 실제 미생물의 활성을 볼 필요가 있다. 이를 위해 RNA-seq 방법을 적용해 환부에 서식하는 박테리아의 전장유전 메타전사체(genome-wide metatranscriptome)를 분석한 경우도 있는데, cDNA로 전환된 전사체의 16S rRNA 분석을 통해 미생물을 분류하고 mRNA 분석을 통해 활성을 비교했다 [22]. 이 경우 16S rRNA 분석을 통해 치주염과 임플란트 주위염을 구분하는 유의미한 미생물종의 정량 분포차를 확인할 수 있었지만 둘 사이에 활성과 발병인자(virulence factors)는 대부분 유사한 결과를 얻었다. 물론, HOMD의 데이터를 이용해 건강한 대조군과 비교하면 임플란트 주위염의 발병인자는 확실히 구분되었다. 또 다른 연구에서는 치주염과 임플란트 주위염을 비교했을 때 16S rRNA와 메타지놈 분석으로는 활성과 발병인자의 차이를 구별할 수 없었으나, 공존관계 네트워크(co-occurrence network) 분석을 통해 Solobacterium mooreiPrevotella denticola가 임플란트 주위염에서 활성이 높은 종임을 알 수 있었다 [23].

3. 구강 마이크로바이옴 분석 기술

마이크로바이옴 연구는 배양이 불가능한 미생물까지 분석이 가능한 NGS 기술을 이용하며, 특정 환경에 존재하는 모든 미생물군의 유전체를 분석하는 메타지노믹스 방법론이 주를 이루고 있다. 메타지놈 분석에 주로 사용되는 방법은 앰플리콘 염기서열분석법(amplicon sequencing)과 샷건 염기서열분석법(shotgun sequencing)이 있다. 전자는 특정 환경에 존재하는 미생물의 종류와 개체수에 대한 정보를 가장 빠르고 저렴하게 얻을 수 있는 방법이라면, 후자는 이들의 기능까지 분석해 이들이 속한 환경이나 숙주와 어떤 상호작용을 하는지 밝혀낼 수 있는 방법이다 (표 4, 그림 10). RNA 서열분석은 전사체(transcriptome)에 대한 정보를 얻게 해주며, 메타지노믹스 분석에 적용해 미생물군의 메타전사체(metatranscriptome)를 분석할 수 있고, 미생물의 기능에 더해 현재의 상호작용 상태를 알 수 있게 해준다. 최근에는 메타전사체 분석에서 한 걸음 더 나아가 미생물군의 단백질을 분석하는 메타프로티오믹스(metaproteomics)와 대사산물을 분석하는 메타대사체(metabolomics) 연구도 활발히 진행되고 있다. 이상의 분석법들은 각자 장단점이 있으며, 실험의 목적과 가용한 방법에 따라 선택해서 적용하면 된다.

박테리아의 앰플리콘 염기서열분석은 16S rRNA에서 종이나 속의 차이를 주는 고변이부위(hypervariable region, V1-V9)중 V1-V2, V3-V4 또는 V4만 증폭 시켜 비교하는데, 최소 97% 정도 일치하는 염기서열군을 하나로 묶은 조작분류단위(OTU)를 기준으로 종이나 속의 다양성과 빈도수를 구분한다. 곰팡이나 효모와 같은 진균류(mycobiome)는 주로 ITS 부위를 이용해 분류한다. OTU 분석용 프로그램은 QIIME (‘차임’으로 발음), Mother, DADA2, Deblur, PICRUSt, Tax4Fun, phyloseq (R 패키지), microbiome (R 패키지) 등이 많이 쓰이고 있다.

앰플리콘 염기서열분석은 16S rRNA만으로는 적절한 분류학적 해상도(taxonomic resolution)를 확보하지 못하는 경우도 있기 때문에 rpoB와 같은 상재유전자(housekeeping gene)를 이용하는 방법도 제시되고 있다. 그러나 rpoB 자체도 명확한 한계가 있어 16S rRNA와 함께 분석하거나, 다양한 일상유전자를 분석하는 방법이 제시되기도 한다. 그럼에도 불구하고 현재까지는 16S rRNA를 이용하는 방법이 표준으로 자리 잡고 있는데, 데이터의 축적에 따른 정보 요구 수준이나 분석 기술의 발달과 비용의 변화에 따라 향후 충분히 다른 방식으로 바뀔 수 있다.

 

표 4. 메타지노믹스 분석 방법 비교.
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그림 10. 마이크로바이옴 연구에 주로 사용되는 분석법의 개요.

 

4. 검체 수집 방법의 표준화

위에서 살펴본 바와 같이 마이크로바이옴 연구는 특정 질환의 진행 정도, 검체 수집 방식, 염기서열 분석 방식 등 전체적인 임상 연구의 구체적인 방법에 따라 매우 다른 결과를 보이기도 한다. NGS와 ICT 기술이 비약적으로 발달하면서 앞으로 진행될 연구는 더 풍부한 데이터를 더 빠른 시간에 분석하게 될 것이다. 따라서, 10년 전부터 설정된 표준 절차를 지켜 일관적인 연구 결과를 확보하는 것도 중요하지만, 좀 더 정교하게 연구 방법과 절차를 표준화할 필요성이 점차 대두되고 있다.

기준이 되는 핵심 마이크로바이옴 연구를 위한 HMP1은 프로젝트 초기부터 모든 건강한 인체 부위의 검체 수집에 대한 표준을 정하기 위해 절차서(Manual of Procedures)를 만들고 2010년까지 꾸준히 개선과 발전을 통해 버전 12.0까지 수정해왔다 (그림 11). 구강 검체 수집 절차도 매우 자세히 규정했으며, 대상자 선정과 제외의 기준, 검체 채취 전 환자의 준비 단계, 허용되는 구강 위생용품, 검체 채취 부위 및 방법, DNA 추출과 정제에 사용하는 제품, 검체의 관리 방법 등에 대한 광범위한 내용을 포함하고 있다. 다만, 대규모로 진행된 HMP1을 통해 수집된 데이터는 서구화된 사회를 과대표하는 편향된 정보를 담고 있다는 한계가 있다.

 

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그림 11. HMP에 수록된 구강 검체의 종류와 채취부위
(Biorender.com web interface를 이용해 작성된 그림).

 

5. 결론과 전망

지금까지 대략적으로 살펴본 바와 같이 구강 마이크로바이옴은 구강 질환뿐만 아니라 치매를 비롯한 다양한 전신 질환과 연관되어 있으며, 이에 대한 연구를 통해 더 정확한 진단, 나아가 치료까지 접근할 수 있는 기회를 제공한다. 앞으로도 지속될 NGS 기술의 비약적인 발달과 함께 관련 연구의 규모는 급격히 커지게 될 것이다. 종분류를 넘어 아종(subspecies, strains)까지 구분할 때 질환에 대한 더 정확한 예측과 진단이 가능했던 사례들이 축적되면서, 비용과 시간적인 면에서 효율적인 표준으로 선호되어왔던 16S rRNA 분석은 점차 메타지노믹스 분석에게 자리를 내어주게 될 것이다. 메타지노믹스는 메타전사체 연구, 메타프로티오믹스, 메타대사체 연구와 통합적으로 어우러지면서 구강을 차지하고 있는 여러 미생물의 종류와 기능에 대한 이해가 더욱 깊어지게 될 것이다. 다만, 앞으로는 마이크로바이옴과 질병 사이에 단순한 연관관계를 밝히는 데에서 나아가 인과관계를 파악하는 방향으로 연구가 집중되어야 하며, 이를 위해 표준화된 절차서를 마련하고 장기간에 걸친 대규모의 종단 연구를 수행해야 한다. 기초연구에 대한 인내심 있는 과감한 투자와 국가적인 기획이 따라와 준다면, 마이크로바이옴과 인체를 하나의 통생체(holobiont)로 보는 시각에서 많은 건강과 관련된 문제들이 자연스럽게 풀리게 될 것으로 조심스럽게 예측해본다.

6. 용어 설명

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7. 참고문헌

==>첨부파일(PDF) 참조

 

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황인성(2021). 구강 마이크로바이옴 연구 동향. BRIC View 2021-T06. Available from https://www.ibric.org/myboard/read.php?Board=report&id=3710 (Feb 09, 2021)
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