K 항원

대장균을 대표로 하는 그람음성균에서 혈청형(serotype)을 결정하는 세포 표면 항원(antigen)중 다당류(polysaccharides)를 포함하는 경우는 크게 두 가지 형태가 존재하는데, 하나는 세포외막(outer-membrane)의 바깥쪽 면에 존재하는 다당류 포함 지질(lipopolysaccharides, LPS)로부터 유래된 O 항원(O antigen)이고 나머지 한 가지는 협막(capsule)을 구성하는 다당류(polysaccharides)로부터 유래된 K 항원(K antigen)이다. 여기서 K는 kapsel에서 유래되었는데 이는 독일어로 협막을 의미한다. 협막을 구성하는 다당류들은 세균의 세포질에서 합성된 후 이미 형성된 협막과 연결시키기 위해 세포밖으로 분비(secretion)된다. 대장균의 협막 항원은 산성 다당류(acidic polysaccharide)이며 크게 4그룹으로 나뉜다(표 1)^[1,2]. 주요한 산성을 이루는 구성 성분은 uronic acid (주로 Klebsiella-와 유사), 2-keto-3-deoxy-D-mannooctulonic acid, N-acetylneuraminic acid, phosphate (주로 Neisseria-와 Haemophilus-와 유사) 등이다. 협막을 지닌 대장균과 다른 종들(Neisseria, Haemophilus, Klebsiella)과의 유사한 정도는 각각의 협막의 구조적 유사성을 기준으로 판단한다. 이러한 유사성은 단순한 협막의 혈청학적 또는 구조적 유사성을 나타낼 뿐 아니라 각각 미생물의 병원성(pathogenicity)에서도 유사성을 보여준다(E. coli K1와 Neisseria meningitides b). 숙주의 다당류와 협막 다당류가 유사하므로 숙주가 세균의 협막(E. coli K1와 K5)에 대해 면역 반응을 일으키지 못함으로써 세균의 병원성(pathogenicity)이 증가한다. 따라서 협막은 세균의 숙주에게 들키지 않고 잠복하는 생존 전략으로 사용된다. 협막의 다당류, 즉 K 항원은 면역반응의 보체(complement) 반응과 포식세포(phagocytes)의 작용을 방해한다. 이러한 방해 작용은 특이적 항체(antibody)가 형성되기 이전의 면역 반응 초기에 주요하게 작용한다. 

목차

대장균의 협막 다당류(capsular polysaccharides, K antigens)는 산성 다당류(acidic polysaccharides)이다. K 항원은 화학적, 생리적 특징 등에 따라 4개의 그룹으로 나눌 수가 있다(표 1). 대장균에서 그룹 1과 그룹 4는 공통적인 협막 합성 시스템을 가지고 있으며 그룹 2, 그룹 3에서 사용되는 합성시스템과는 큰 차이가 있다.

협막 다당류의 합성은 복잡한 과정이다. 먼저 내막(inner membrane)에 결합한 효소가 활성화된 전구체(precursor)인 nucleotide monophospho-sugar와 nucleotide diphospho-sugars를 이용하여 세포 내부(세포질; cytoplasm)에서 분자량 100,000 이상의 다당류로 합성한다. 특이적인 수송 경로(translocation pathway)가 관여하여 합성된 다당류를 주변세포질(periplasm)과 세포 외막(outer membrane)을 지나 세포 바깥쪽 표면으로 이동시킨다. 

그룹 1과 그룹 4 협막은 장내 감염(intestinal infection)을 일으키는 대장균 분리주들(enteropathogenic, enterotoxigenic, enterohemorrhagic E. coli)에서 발견된다. 그룹 1 협막은 산성 다당류이며 주로 uronic acid를 포함하며 그룹 내에서 서로 구조적으로 유사하다. 유사한 협막이 Klebsiella pneumoniae에서 발견된다. 그룹 4 협막는 구조적으로 다양한 형태를 지니고 반복되는 단위 구조(repeating unit)에 acetamino-sugar를 가지고 있어 그룹 1과 구분된다(그림 1). 그룹 1과 그룹 4 협막은 세포 표면에서 두가지 형태로 발현된다. 하나는 lipopolysaccharide (LPS)의 lipid A 중심부(core)에 결합하고 이런 경우를 협막과 결합하지 않은 LPS, 즉 혈청학적으로 O 항원이라고 불리는 LPS와 구분하기 위하여 K_LPS라 지칭한다. 그룹 4 협막을 만드는 균주에서는 K_LPS가 긴 사슬의 K 항원을 지니고 그룹 1 K_LPS에서는 하나 혹은 두세개 정도의 K 항원 단위를 지니는 짧은 다당류(oligosaccharide)를 지닌다. 다른 하나의 협막은 전자 현미경에서 뚜렷이 보이는 구조로서 고분자량의 협막 다당류 K 항원으로 구성되어 있고 다당류 사슬과 세포 표면의 결합은 고차원적인 복잡한 구조를 이룬다. 협막 K 항원과 세포 표면의 결합은 아직 정확히 밝혀지지는 않았지만 LPS는 여기에는 관련이 없고 수송과 합성 시스템도 독립적으로 사용하는 것으로 보인다. 

그룹 2와 그룹 3 협막은 대장균중 장외감염(extraintestinal infection)을 일으키는 분리주에서 관찰된다. 반복되는 단위체의 구조적 특징이 광범위하게 다양하다(그림 1). 그중 일부(K2a, K100)는 중심 구조에 phosphate를 가지고 있으며 이러한 구조는 그람양성균의 테이코산(teichoic acid)과 유사하다. 또한 일부(K1, K4, K5)는 협막 다당류의 구조가 척추동물의 당포합체(glycoconjugates)와 유사하다. 이러한 장외감염 분리주에서 나타나는 K 항원은 척추동물과의 유사하여 항체 반응을 유도하지 않아서 백신개발에 어려움이 있다. 구조적 특징과 합성과정으로 볼 때, 대장균의 그룹 2, 그룹 3 협막은 Neisseria meningiditis, Haemophilus influenzae의 협막 항원과 유사하다. 이들은 공통적으로 균주에서 분리한 다당류 단위체의 환원성 말단에 diacylglycerophosphate를 포함한다. 

그림 1. 대장균의 그룹별 대표적 협막 단일체 구조. K1 항원의 별표는 O-acetylation이 가변적임을 나타낸다. (제작: 이은진/고려대)

대장균 중에서 침습성(invasive) 감염을 일으키는 균들은 K1또는 K5 협막 다당류를 가지고 있다. 이러한 두 종류의 다당류는 항원으로써 면역 반응을 전혀 유도하지 않거나 아주 미미한 반응만 일으킨다. 그 결과, 이러한 세균들은 감염 후기에도 항체 반응에 의해 제거되지 않고 협막에 의해 보호되므로 대장균 K1과 K5 균주는 병원성이 높다. 다당류의 구조를 보면 이해가 되는데 K1 항원의 반복되는 구조를 보면 8-@@NAMATH_INLINE@@\alpha@@NAMATH_INLINE@@-neuraminic acid-2로 구성되어 있다(그림 1). 이러한 구조는 신경세포 조직에 중요한 neonatal neural cell adhesion molecule(n-CAM)의 다당류 부분과 동일하다¹⁾. 구조적으로 동일하므로 면역 시스템은 K1 구조를 몸의 일부로 인식함으로써 항원으로 인식하지 못하고 면역 반응을 일으키지 않는다. 따라서 K1에 대한 항체는 형성되지 않거나 아주 미미한 양으로 형성된다.

비슷한 상황이 K5 항원에서도 일어난다. K5 협막 다당류 항원은 4-linked @@NAMATH_INLINE@@\beta@@NAMATH_INLINE@@-glucuronic acid와 4-linked @@NAMATH_INLINE@@\alpha@@NAMATH_INLINE@@-N-acetylglucosamine의 반복체로 구성된다. 인체에서 heparin의 생합성 경로를 살펴보면 생합성에서 형성되는 첫 번째 중간생성물질(intermediate)의 구조가 대장균의 K5 항원의 구조와 일치한다. 따라서 인체는 세균의 K5 협막 다당류에 대해 면역반응을 일으키지 않는 관용현상(tolerance)을 보인다. 이렇게 K1 항원과 K5 항원이 인체와 유사한 구조를 만들어 면역 반응을 회피함으로써 이러한 병원성 세균의 위장 전략이 병원성을 획득하는 하나의 전략이 되며, 이러한 세균의 전략은 숙주인 인체의 입장에서는 대응하기가 어렵다.

대장균의 협막 항원은 유전적 생화학적 분류에 따라 4가지 그룹으로 나뉜다. 그룹 1과 그룹 4 협막은 생합성과정이 매우 유사하며 Wzy 의존적으로 생합성된다. 그룹 2와 그룹 3 협막 항원은 둘다 ABC transporter에 의존하여 합성된다. 협막의 합성 및 수송은 세포 외피(cell envelope)를 관통하는 여러 단백질 복합체에 의해 일어나므로 합성과 밖으로의 수송이 함께 조절된다. 이 단백질 복합체는 협막 다당류의 구조와 무관하게 이들을 수송하는 단백질과 혈청형 특이적인 협막 다당류 생합성 시스템을 포함한다. 

Undecaprenol와 연결된 반복체가 Wzx단백질과 Wzy 단백질의 도움을 받는 합성 반응에 사용된다. 새로 합성된 지질(lipid)에 연결된 반복체는 Wzx 단백질의 도움을 받아 세포 내막(inner membrane)을 통과한다. 이미 합성된 사슬의 환원된 말단이 지질 운반체로부터 새로 수송된 지질 연결 반복체에 연결됨으로써 사슬이 길어진다. 이러한 합성 반응은 Wzy 단백질에 의해 일어난다. 

Glycosyltransferase 활성에 의해 세포질에서 다당류의 사슬이 합성된다. 사슬의 연장은 비환원성 말단에 단위체를 추가함으로써 일어난다. 그 후 합성된 다당류 사슬이 KpsM, KpsT 두 단백질로 구성된 ABC transporter에 의해 세포내막(inner-membrane)을 건너간다. 

협막 다당류가 세포외막(outer-membrane)을 건너가기 위해서는 OMA (outer-membrane auxiliary) 계열 단백질이 필요하다. 그룹 1과 그룹 4의 협막의 경우는 이 단백질이 8량체(octameric) 구조를 가지고 있는 Wza이다. 그룹 2와 그룹 3 협막에서는 KpsD 단백질이 이러한 가능을 수행한다.

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이은진/고려대학교 

이정신/강원대학교

1. Jann, K. and Jann, B. 1987. Polysaccharide Antigens of Escherichia coli. Rev. Infect. Dis. 9(Suppl 5), S517–526.
2. Whitfield, C. 2006. Biosynthesis and Assembly of Capsular Polysaccharides in Escherichia coli. Annu. Rev. Biochem. 75, 39-68.