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박테리아의 독소-항독소 체계간의 교차-조절
박테리아의 독소-항독소 체계간의 교차-조절 저자 최윤찬 (서울대학교 생명과학부)
등록일 2021.11.09
자료번호 BRIC VIEW 2021-R36
조회 439  인쇄하기 주소복사 트위터 공유 페이스북 공유 
요약문
독소-항독소 체계(toxin-antitoxin system, TA system)는 여러 종류의 박테리아에 널리 분포된 유전적 모듈(genetic module)로 독소의 독성은 RNA 또는 단백질 형태로 존재하는 항독소에 의해 조절된다. 이 체계는 다양한 환경적인 스트레스 상황(예: 항생제, 숙주 감염 등)에 대하여 박테리아가 생존할 수 있도록 기여하는 것으로 알려져 있다. 일반적으로 TA 체계를 가지고 있는 박테리아 내에는 여러 상동체(homologues)가 존재하지만 아직까지 이러한 상동체의 생리학적 의의에 대해서는 밝혀지지 않았다. 본 논문에서는 상동 및 비상동 TA 체계 간의 교차-조절에 대해 살펴보았다.
키워드: 독소-항독소 체계, 교차-조절, 스트레스 상황
분야: Microbiology, Molecular_Biology

본 자료는 Cross-Regulations between Bacterial Toxin–Antitoxin Systems: Evidence of an Interconnected Regulatory Network? Trends Microbiol., 28(10), 851-866. (2020)의 논문을 한글로 번역, 요약한 자료입니다.

목 차

1. 박테리아 유전체에 존재하는 수 많은 독소-항독소 체계
2. 1형 TA 체계 간의 교차-조절
  2.1. 그람음성균의 1형 TA 체계 간의 교차 조절
  2.2. 그람양성균의 1형 TA 체계 간의 교차 조절
3. 2형 TA 체계 간의 교차-조절
  3.1. 그람음성균의 2형 TA 체계 간의 교차 조절
    3.1.1. 상동 2형 TA 체계 간의 교차 조절
    3.1.2. 비상동 2형 TA 체계 간의 교차 조절
  3.2. 그람양성균의 2형 TA 체계 간의 교차 조절
    3.2.1. 상동 2형 TA 체계 간의 교차 조절
    3.2.2. 비상동 2형 TA 체계 간의 교차 조절
4. 서로 다른 유형의 TA 체계 간의 교차-조절
5. 결론


1. 박테리아 유전체에 존재하는 수 많은 독소-항독소 체계

TA 체계는 수많은 박테리아에 존재하는 유전적 모듈로 항독소가 작용하는 방식에 따라 6 유형으로 분류된다. 모든 독소는 단백질 형태인 반면 항독소는 비암호화 RNAs (noncoding RNAs) (1형, 3형) 또는 저분자 단백질(2형, 4형, 5형, 6형) 형태로 존재하며, 독소에 비해 불안정하기 때문에 단백질분해효소(protease)에 의해 쉽게 분해된다. TA 체계는 1980년대에 대장균(Escherichia coli)의 플라스미드(plasmid)에서 처음 발견되었으며, 이 체계는 세포 분열 과정 중 플라스미드의 손실을 방지함으로써 독소의 활성화를 저해하여 세포의 생존에 기여하는 것으로 알려져 있다. 이후 TA 체계는 플라스미드뿐만 아니라 결핵균(Mycobacterium tuberculosis), 황색포도상구균(Staphylococcus aureus), 장내세균(Enterobacteria) 등의 다양한 종류의 병원균의 염색체에도 존재하는 것이 밝혀졌다. TA 체계는 유전자들의 안정성 유지 이외에도 환경 적응에 긍정적인 영향을 주는 것으로 알려져 있지만 이에 대하여 반박하는 주장들도 있다. 따라서 아직까지 연구자들 사이에 TA 체계의 기능에 대하여 공통된 견해가 존재하지 않는다.

박테리아의 종에 따라서 TA 체계가 발현되는 위치는 상이하며, 여러 종류의 상동 및 비상동 TA 체계가 존재한다 (표 1). 이러한 TA 체계는 교차 조절을 통해 박테리아의 성장에 영향을 미친다. 본 리뷰에서의 앞부분에서는 TA 체계 중에서도 특히 1형과 2형 TA 체계 사이의 교차-조절을 중점적으로 다루었으며, 후반에서 다른 유형의 TA 체계 간의 교차-조절을 설명하였다.

2. 1형 TA 체계간의 교차-조절

박테리아 내에는 여러 1형 TA 상동체가 존재한다 (표 1). 예를 들면, 대장균 O157:H7의 유전체에는 26개의 1형 TA 체계가 있다. 1형 항독소는 소형 RNAs (small RNAs)로 독소 mRNA의 상보적인 염기서열에 결합하여 독소의 생산을 억제한다.


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그림 1. 6유형의 TA 체계

 


2.1. 그람음성균의 1형 TA 체계간의 교차 조절

ibs/Sib은 대장균 K12에 존재하는 1형 TA 체계로 Ibs 펩티드(peptide)의 과도한 발현은 세포 피막(cell envelope)의 손상을 야기하여 세포를 사멸시킨다. 이러한 Ibs의 독성은 Sib RNA 항독소가 ibs의 열린 해독틀(open reading frame, ORF)에 상보적으로 결합함으로써 무효화시킬 수 있다. 2개의 영역(domain)으로 구성된 Sib RNA는 대장균 내에 5개의 상동체가 존재한다 (그림 2, 표 1). sibA를 제거시킨 균주에서 ibsA 독소를 발현시켰을 때에 균주가 생존하는 현상이 관찰된 바 있다. 이러한 현상의 정확한 기작을 밝히기 위해서는 추가적인 실험을 필요하지만 SibA와 SibE를 구성하는 TRD2의 염기서열이 동일한 것을 고려하였을 때, SibE가 ibs의 ORF에 결합하여 독성을 완화시켰을 가능성이 있다 (그림 2).

zor/Orz는 대장균의 염색체에 존재하는 또 다른 1형 TA 체계로 Ibs와 마찬가지로 ZorO의 과발현은 세포에 치명적이며, ZorO의 독성은 OrzO RNA 항독소에 의해 중화된다. OrzO의 경우에는 상동체인 OrzP가 대장균 내에 존재하지만 ibs/Sib 체계와는 달리 OrzP 항독소는 ZorO mRNA와 결합하지 못하며, 따라서 이 물질의 독성에 영향을 미치지 못한다. OrzO와 OrzP에는 V1이라는 3개의 뉴클레오티드(nucleotide)로 구성된 가변 영역(variable region)이 있는데, OrzP의 V1에 돌연변이가 일어나는 경우 zorO의 발현이 억제되는 현상이 관찰된 바 있다. 따라서 OrzO와 OrzP의 특이성은 V1 영역에 의존적인 것으로 생각되고 있다. 헬리코박터 파일로리(Helicobacter pylori)에서 발견된 1형 TA 체계인 aapA/IsoA 또한 5개의 상동체가 존재하며, 이 중 IsoA1과 IsoA3는 유사한 2차적 구조를 가지고 있지만 IsoA1 항독소만이 aapA와 특이적으로 결합하여 이 물질의 독성을 무효화시킨다 (표 1).


표 1. 본 리뷰에 명시된 1형 및 2형 독소-항독소 시스템
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2.2. 그람양성균의 1형 TA 체계 간의 교차 조절

sprA/SprAAS는 황색포도상구균에서 발견되는 1형 TA 시스템으로 2개의 상동체가 존재한다 (표 1). sprA의 과발현은 황색포도상구균을 사멸시키며, SprA 독소의 발현은 SprAAS 항독소가 sprA의 리보솜 부착 부위(ribosome binding site, rBS)에 결합함으로써 억제된다. SprAAS의 상동체 간에 염기서열이 상당히 유사하나 SprAAS의 상동체는 sprA의 발현을 억제하지 못하며, 이는 앞서 언급한 그람음성균의 1형 TA 체계인 zor/Orz 및 aapA/IsoA와 마찬가지로 sprA/SprAAS TA 체계의 특이성이 매우 높음을 의미한다 (그림 2). 하지만 황색포도상구균에 존재하는 또 다른 1형 TA 체계인 sprG/SprF TA 체계의 경우에는 in vitro 실험 결과를 바탕으로 in vivo에서 4개의 상동체 사이에 교차-조절의 가능성이 제기되었으며, 추가적인 실험을 통해 상동체 항독소의 과발현이 상동체 독소의 RNA 수치를 감소시키는 현상이 관찰된 바 있다 (그림 2).

3. 2형 TA 체계간의 교차-조절

1형 TA 체계와 마찬가지로 2형 TA 체계 또한 박테리아의 유전체 상에 여러 종류가 존재한다 (표 1). 예를 들어, 지금까지의 연구 결과에 의하면 총 79개의 2형 TA 체계(예: CcdBA, HigBA, HipBA, MazEF, ParDE, RelBE, VapBC, Doc/PhD 등)가 결핵균 내에서 발견되었으며, 이 중 50개는 MazEF 계열에 속한다 (표 1). 대부분의 2형 독소는 엔도리보뉴클리에이스(endoribonucleases, RNases)로 mRNA 또는 tRNA를 절단시킴으로써 박테리아 내에서 번역(translation) 과정을 저해하는 반면 2형 항독소는 DNA-결합 영역(DNA-binding domain)을 통해 TA 유전자의 프로모터(promoter)에 결합함으로써 독소 유전자의 발현을 억제한다.

3.1. 그람음성균의 2형 TA 체계 간의 교차 조절

3.1.1. 상동 2형 TA 체계 간의 교차 조절

상동 2형 TA 체계 간의 교차-조절은 카울로박터 크레센투스(Caulobacter crescentus)에서 가장 먼저 연구가 시작되었다. 카울로박터 크레센투스는 ParDE와 RelBE TA 체계의 상동체를 각각 4개씩 가지고 있지만 이 균주 내에서 상동 2형 TA 체계 간의 교차-조절은 아직까지 관찰된 바 없다.

한편 대장균 O157:H7에서는 Kis 항독소의 상동체인 MazE 항독소가 Kid 독소의 활성을 무효화시키는 현상이 관찰됨에 따라 상동 2형 TA 체계 간의 교차 조절 현상이 보고된 바 있다. 하지만 대장균 내에서도 모든 상동 2형 TA 체계 사이에 교차 조절이 일어나는 것은 아니다. 예를 들면 MazEF TA 체계의 또 다른 상동체인 CcdAB TA 체계의 경우에는 MazEF TA 체계와 교차 조절을 하지 않는 것으로 알려져 있으며, par-paaA-parE 체계의 경우에도 상동체 간에 교차-조절이 확인된 바 없다. 한편 Kezierska 교수 연구팀은 플라스미드에서 생산된 Axe-Txe와 염색체에서 생산된 YefM-YoeB 간의 교차-조절을 연구한 결과 상호 간에 작용이 없음을 확인하였지만 Txe N83Y 돌연변이 독소와 YefM 항독소 사이의 결합을 관찰하였다. Butler 교수 연구팀에서도 유사한 실험을 통해 VapC1과 VacP2의 독성이 VapB1 T47W 돌연변이 항독소에 의해 중화되는 현상을 관찰한 바 있다. 이러한 결과들을 통해 점 돌연변이(point mutation)가 2형 항독소의 특이성에 영향을 미치는 것을 보여준다.


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그림 2. 상동 1형 TA 체계 간의 교차-조절

 


3.1.2. 비상동 2 형 TA 체계 간의 교차 조절

대장균에 존재하는 CcdAB와 kis/Kid는 각각 F 플라스미드와 R1 플라스미드(R1 plasmid)에서 생산되는 TA 체계로 CcdB 독소는 DNA 자이레이즈(DNA gyrase)를 표적으로 하는 반면 Kid 독소는 RNA와 결합한다. 이와 같이 두 독소의 표적 물질이 다르지만 서로 유사한 구조를 가지고 있으며, 따라서 두 독소 간에 교차-조절의 가능성이 제기된 바 있다. 이와 같은 가설을 확인하기 위해 Díaz-Orejas 교수 연구팀이 실험을 진행한 결과 CcdB의 독성이 CcdA 항독소와 Kis 항독소에 의해 중화되는 반면 Kid 독소의 활성은 Kis 항독소에 의해 특이적으로 무효화 되며, Kid 독소와 CcdA 항독소와의 결합은 오히려 Kid의 독성을 증가시키는 현상을 확인할 수 있었다 (그림 3A).

Loris 교수 연구팀은 대장균에 존재하는 Phd/Doc와 RelBE TA 체계 사이에서도 교차-조절을 확인한 바 있다. Doc 독소는 30S 리보솜 소단위체(30S ribosome subunit)에 결합된 신장인자 Tu (elongation factor Tu, EF-TUF)와 상호작용함으로써 번역의 신장을 억제하는 반면, PhD 항독소는 이러한 Doc 독소의 활성을 무효화시킨다. Loris 교수 연구팀은 Doc 독소의 생산이 RelE 독소의 활성을 증가시키는 현상을 관찰하였으며, 이에 대한 정확한 기작은 아직까지 밝혀지지 않았지만 Doc 독소의 생산이 론 단백질분해효소(Lon protease)에 영향을 주어 RelB 항독소의 분해를 촉진시키는 것으로 생각되고 있다. 이와 같은 기작은 시겔라 플렉스네리(Shigella flexneri)의 vapBC TA 체계와 yefM/yoeB TA 체계 사이에서 관찰된 바 있다 (그림 3B). Kasari 교수 연구팀 또한 Lon, ClpP, HslV 등의 단백질분해효소가 제거된 균주에서 MazF, MqsR, HicA 독소에 의해 relBEF 오페론의 활성화가 증가하는 현상을 관찰한 바 있다. 이러한 결과들은 단백질분해효소의 감소 또는 절단된 독소 mRNA 조각들의 축적으로 인해 2형 TA 체계가 활성화될 수 있는 가능성을 제시한다.

쉬와넬라 오나이덴시스(Shewanella oneidensis)에 존재하는 ParESO/CopASOpem-KSO/pemlSO 2형 TA 체계 사이에도 교차-조절이 일어난다. Wang 교수 연구팀은 실험을 통해서 DNA 결합 영역을 가진 CopASO 항독소가 ParESO 독소의 독성을 불활성화시킬 뿐만 아니라 pem-KSO/pemISO 유전자의 프로모터(promoter)에 결합하여 전사를 억제하는 현상을 확인하였으며, 변이된 pemKSO/pemISO 유전자의 프로모터의 경우에는 CopASO가 결합을 방지하여 pemKSO/pemISO 유전자가 전사되었다.

한편 비브리오 콜레라(Vibrio cholera) N16961의 경우에는 여러 종류의 2형 TA 체계(예: Hig, Rel, Apr, PhD-Doc 등)를 가지고 있지만 비상동체 2형 TA 체계 간의 교차-조절이 일어나는 현상이 아직까지 관찰된 바 없다.

3.2. 그람양성균의 2형 TA 체계 간의 교차 조절

3.2.1. 상동 2형 TA 체계 간의 교차 조절

황색포도상구균의 염색체 상에는 2개의 상동 yefM-yoeB 2형 체계(yefM-yeoB-sa1, yefM-yeoB-sa2)가 존재한다. 대장균의 YeoB와 마찬가지로 황색포도상구균의 YoeB 또한 리보솜과 결합하여, mRNA의 번역개시부위(translation initiation site)를 자른다. yefM-yeoB-sa1yefM-yeoB-sa2 사이에는 교차-조절이 일어나지 않는 것으로 알려져 있다.


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그림 3. 상동 및 비상동 2형 체계 간의 교차 조절

 


한편 결핵균 내에서 대식세포(macrophage) 감염 시에 생산되는 RelBE, RelFG, RelJK TA 체계 사이에서는 교차-조절의 가능성이 제기된 바 있다 (표 1). 단백질잡종법(two hybrid assay)을 통해서 RelB, RelF 항독소와 RelE, RelG, RelK 독소 간의 결합을 확인하였으며, 전기영동 이동성 변화 분석(electrophoretic mobility-shift assay, EMSAs)을 통해서 RelG, RelE 독소가 RelB 항독소와 relBE 프로모터 사이의 결합을 촉진시키는 현상을 관찰한 바 있다. 또한 RelB 항독소는 RelG 독소의 과발현으로 인한 성장 저해 현상을 회복시킨다. 이러한 현상은 RelE 독소와 RelF 항독소 또는 RelK 독소와 RelB 항독소 사이에서 관찰된 바 없다. 이러한 실험 결과들은 결핵균 내에서 특정 RelBE 상동체 간의 교차-조절이 일어나는 것을 보여준다 (그림 3C). 결핵균이 가지고 있는 또 다른 2형 TA 체계인 MazEF에서도 비상동 2형 TA 체계 간에 교차-조절이 확인된 바 있다. 결핵균의 MazF-mt1과 MazF-mt3는 VapB 항독소와 결합을 하며, 이러한 현상은 그람음성균인 대장균에서도 관찰된 바 있다. 또한 MazE-mt1, MazE-mt3, VapB24, VapB25 등의 항독소는 MazF-mt3의 독성을 억제한다.

3.2.2. 비상동 2형 TA 체계 간의 교차 조절

비상동 2형 TA 체계 간의 교차-조절에 대한 연구 결과는 결핵균을 통해서 확인된 바 있다. VapBC TA 체계는 결핵균의 주요 TA 체계로 VapC 독소의 이소성 발현(ectopic expression)은 그 종류에 따라서 다양한 상동 및 비상동 독소의 생산에 영향을 미친다. 예를 들어 VapC3, 11, 13, 20, 22, 27, 33 등의 독소의 과발현은 상동 독소인 vapC15 mRNA의 수치를 8-16배 증가시키며, 그 외에도 여러 종류의 VapC 독소가 비상동 독소인 higB1mazF6의 mRNA 수치를 증가시킨다 (그림 3D). 하지만 in vitro 실험을 통해서 VapC TA 복합체와 상동 및 비상동 독소를 암호화하는 유전자의 프로모터 간에 결합을 확인하지 못하였기에 이러한 체계 간의 교차-조절이 어떠한 방식으로 일어나는지에 대해서는 아직까지 밝혀지지 않았다. 한편 in vitro 실험을 통해 결핵균의 MazF-mt1과 MazF-mt3 독소와 VapB 항독소 사이에 상호작용이 관찰됨에 따라 이러한 독소들 간에도 교차-조절이 일어날 수 있는 가능성에 대해 제기된 바 있다. 이러한 현상은 대장균에서도 동일하게 관찰된 바 있다.

4. 서로 다른 유형의 TA 체계 간의 교차-조절

서로 다른 유형의 TA 체계 간의 교자-조절은 MqsR/MqsA 2형 TA 체계와 GhoT/GhoS 5형 TA 체계에서 처음 보고되었다. GhoT 독소는 활성화 상태에서 박테리아의 막에 위치하여 유령 세포(ghost cell) 표현형을 일으키며, 이러한 GhoT 독소의 영향은 GhoS 항독소가 ghoT mRNA에 결합하여 절단시킴으로써 무효화된다. 반면 MqsR 독소는 염색체의 5’-GCU 부위를 절단하여, 세포의 성장을 저해하며, MqsA 항독소는 정지기(stationary phase)에 발현되는 시그마인자인 RpoS의 활성을 억제시켜 다양한 스트레스에 대한 반응에 영향을 미친다. ghoS mRNA는 MqsR 독소가 인식하는 5’-GCU 부위를 가지고 있으며, MqsR 독소의 생성이 ghoT mRNA의 수치가 증가하는 현상을 확인한 바 있다. 항생제 등으로 인한 스트레스를 받는 상황에서 MqsR 독소는 ghoS 항독소를 분해하여 GhoT 독소의 생성을 유도함으로써 유령 세포 표현형을 일으키는 현상이 관찰된 바 있다 (그림 4A). 서로 다른 유형의 TA 체계 간의 교차-조절은 임상분리균주인 엔테로코커스 페칼리스 V583 (Enterococcus faecalis V583)의 txpA/RatA 1형 TA 체계와 MazEF 2형 TA 체계 간의 상호작용을 통해서도 연구된 바 있으며 이 연구에서 MazEF 복합체가 mazEF 오페론의 발현을 억제할 뿐만 아니라 Rat RNA 항독소의 전사를 활성화시키는 것이 밝혀졌다 (그림 4B).


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그림 4. 다양한 유형의 TA 체계 간의 교차-조절

 


5. 결론

본 리뷰에서는 TA 체계에 대한 최신 동향에 대해 살펴보았다. 상동 및 비상동 TA 체계 간의 교차-조절은 대장균, 결핵균, 황색포도상구균 등 특정 박테리아 종에서 일어나며, 이는 박테리아 내에서 다양한 TA 체계가 복잡한 기작을 통해 조절됨을 의미한다 (그림 5). 하지만 지금까지 보고된 대부분의 교차-조절의 경우가 항독소의 과발현 또는 돌연변이에 의해서 관찰된 현상이기에 이러한 실험 결과가 생리학적 의의를 가지는지에 대해서는 추가적인 실험이 필요하다. 그럼에도 불구하고 감염 과정 중 스스로의 생존을 위해 박테리아 내에서 TA 체계 간의 교차-조절이 끊임없이 일어나는 현상에 대해서는 의심할 여지가 없다. TA 체계의 역할에 대한 보다 더 심화적인 지식은 이 체계들 간의 교차-조절을 이해하고 각 TA 모듈의 기능을 규명하는 데 있어서 필수적이다. 앞서 언급한 바와 같이 2형 항독소는 다양한 환경적 요소에 반응하여 DNA 염기서열에 결합함으로써 유전자의 발현을 조절하는 포괄적인 조절자(global regulator)인 반면 2형 독소는 엔도리보뉴클리에이스로 항독소 mRNA의 번역을 저해시킴으로써 2형 항독소의 수치를 감소시킨다 (그림 5). 이 독소들의 생산 경로는 박테리아의 성장 조절에 영향을 미치는 잠재적인 피드백 루프(feedback loop) 역할을 한다. 항독소와 다양한 유형의 독소 사이에 교차-조절이 일어날 수 있으며, 이러한 교차-조절은 독소의 독성을 활성화 또는 비활성화 시킬 수 있다. 따라서 박테리아 내에 존재하는 여러 TA 체계를 서로 연결되어 있는 체계로 보는 것이 바람직할 것이다. 세계적으로 박테리아의 TA 체계에 대한 연구가 지속적으로 진행되고 있기에 시간이 지남에 따라 이에 대한 이해는 더욱 높아질 것이다.


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그림 5. TA 체계 간의 주요 교차-조절

 

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최윤찬(2021). 박테리아의 독소-항독소 체계간의 교차-조절. BRIC View 2021-R36. Available from https://www.ibric.org/myboard/read.php?Board=report&id=3924 (Nov 09, 2021)
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