지질다당류

그람음성세균은 내막(inner membrane)과 외막(outer membrane)으로 둘러싸여 있는데, 지질다당류는 그람음성세균의 내막에는 없고 외막에만 존재한다. 지방산과 다당류가 결합된 양친매성 분자로써 내열성이 매우 높은 구조이고, 세균마다 각각 다양한 종류의 지방산과 다당류로 구성되어 있는 지질다당류를 발현하고 있다. 항생제를 비롯하여 세균에 해가 되는 조건에서 지질다당류의 구조를 변형시켜, 세포막을 좀 더 견고하게 하여 세균을 보호하는 기능을 하기도 한다. 지질다당류는 그람양성세균에는 존재하지 않고 그람음성세균에만 존재하는데, 염증을 유발하여 독성을 나타내는 대표적인 원인물질이기도 하다. 지질다당류는 대식세포를 포함한 숙주세포에서 toll-like receptor 4(톨-유사수용체 4) 활성화를 통해 염증반응을 유도하며, 병원성 세균의 경우 감염에 의한 패혈증(sepsis) 또는 패혈증성 쇼크(septic shock)와 같이 생명에 치명적인 위험을 주는 질환을 일으키기도 한다. 일부 세균은 성장단계에서 세포외막(outer membrane vesicle)을 통해 지질다당류를 세포외부로 배출하기도 하지만, 일반적으로 세포 외막에 박혀있고 능동수송을 통해 분비(secretion) 되지는 않기 때문에, 세포외부로 분비되는 독소(exotoxin)구 대비되는 내독소(endotoxin)로 부르기도 한다.

그림 1. LPS의 기본 구조 (출처: 한국미생물학회)

목차

독일의 세균학자 Richard Friedrich Johannes Pfeiffer는 내열성 독소가 세균의 내부에 있는 독소라는 것을 표현하기 위해 최초로 내독소(endotoxin)라는 단어를 사용하였다. 현재 내독소라는 단어는 lipopolysaccharide와 같은 의미로 사용되고 있다.

지질다당류의 구성은 크게 O-polysaccharide, core polysaccharide, lipid A의 세 부분으로 나뉜다. 지질다당류의 구체적인 구성은 outer leaflet에 박혀있는 지질 부위인 lipid A와 세포 바깥쪽에 노출되는 다당류 부위로 이루어져 있으며, 다당류 부위는 O-polysaccharide 와 core polysaccharide로 다시 구분된다. O-polysaccharide는 당 분자가 사슬로 이어진 구조로 세균의 종류마다 구성성분이 다르다. 그람음성세균의 가장 바깥쪽에 노출되어 있는 지질다당류는 숙주의 항체가 인식하는 중요한 타겟 중 하나이다. Core polysaccharide는 O-specific polysaccharide에 의해 O-polysaccharide와 연결된 부분으로 kedodeoxyoctonate (KDO), heptose, glucose, galactose, N-acetylglucosamine (NAG) 등으로 구성되어 있다. Core polysaccharide를 구성하는 glucosamine disaccharide에는 여러 개의 지방산들이 연결되어 있는데, 이 지질구조를 lipid A라고 한다. Lipid A는 세균의 외막에 부착되어 있는 부분으로 동물에서 독성을 나타내기 때문에 내독소라고도 알려져 있다. 세균의 종류별로 lipid A를 구성하는 지방산의 개수와 길이가 다르며, 이러한 구조적 특성은 지질다당류에 의한 숙주의 염증반응 유도능력과도 밀접하게 관련되어 있다. 지질다당류는 숙주세포의 패턴인식수용체인 toll-like receptor 4에 특이적으로 결합하여 면역반응을 활성화한다.

그림 2. 세균 종류에 따른 lipid A의 구조 차이 (출처: 한국미생물학회)

지질다당류는 그람음성세균의 외막을 구성하는 주요 인자로 독성물질이 세포 내부로 유입되는 것을 차단하고 세포막의 구조 유지에 역할을 하는 것으로 알려져 있다. 또한 병원성 세균과 진핵생물간의 상호작용에 아주 중요한 역할을 하기 때문에 숙주의 방어기전을 연구하기 위한 중요한 물질이다. 지질다당류에 의한 면역 활성은 숙주의 Lipopolysaccharide (LPS) 결합단백질, CD14 단백질과 결합한 후 toll-like receptor 4를 활성화시켜 염증 매개인자의 발현을 유도한다. 지질다당류는 패혈증 쇼크의 원인 물질로 잘 알려져 있다.

한승현/서울대학교

차선신/이화여자대학교

1. Serrato RV. 2014. Lipopolysaccharides in diazotrophic bacteria, Front Cell Infect Microbiol, 4: 119.

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