독력인자

특정 세균들은 다른 세균에 비해 독력(virulence)이 높다. 이는 각각의 세균들이 내는 독특한 독력인자(virulence factors)들 때문이며, 이 독력인자들의 종류에 따라 일으키는 질병의 범위와 증상의 심각성이 결정된다. 병원균의 독력인자는 유전자에 의해 암호화되는데 이런 경우 코흐의 가설(Koch’s postulate)을 이용하여 병원성을 입증할 수 있다. 독력인자를 암호화하는 유전자가 불활성화될 경우 병원균의 독력(virulence)이 감소한다. 독력인자는 병원성의 주요 과정인 (1) 부착, (2) 증식, (3) 침습, (4) 독소생성에 관여하는 인자를 포괄한다(그림 1). 독력인자의 종류와 그에 따른 병인 기작은 아래와 같다.

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목차

미생물의 감염은 숙주세포나 조직에 부착하고 정착하는 것으로부터 시작된다. 외부로 노출된 우리 몸의 조직은 점액층으로 덮여 보호받고 있다. 그러나 미생물은 감염 부위 조직에 부착하기 위한 물질이나 구조물을 발현하는 경우가 많다. 예를 들어 콜레라균(Vibrio cholerae)은 독특한 구조의 선모(pili)를 생산하는데, 이는 숙주의 장 상피세포(Gut epithelial cell)에 대한 정착을 위해 중요하다.

특히 이 선모 단백질의 발현은 콜레라 독소 발현과 함께 조절되기 때문에, TCP(toxin-coregulated pilin)로 불린다. 다른 예로는 병원성 대장균(Pathogenic Escherichia coli) 중 한 종인 장병원성 대장균(enteropathogenic E. coli; EPEC)으로, 일반적인 대장균에 비해 선모의 일종인 type I fimbriae를 많이 만든다(그림 2). Type I fimbriae는 머리카락 모양의 구조물로 역시 숙주세포 표면에 부착하는 데 매우 중요한 역할을 담당한다. 생쥐를 이용한 감염 실험에서 이와 같은 부착 구조물이 생산되지 않는 균주를 적용할 경우 감염은 관찰되지 않았다. 이러한 실험 결과를 통해 type I fimbriae나 TCP는 병원성 미생물의 감염 단계에서 매우 중요한 역할을 담당하는 독력인자라고 할 수 있다.

그림 2. 장병원성대장균의 전자현미경 사진 (출처: 김지선/KRIBB)

일부 병원성 미생물은 자신의 세포를 둘러싸서 보호하기 위한 목적으로 캡슐(capsule)을 만들어 분비한다. 캡슐은 주로 다당류(polysaccharide)로 이루어져 있으며, 부착성이 있는 만큼 부착 및 정착 단계에 중요한 역할을 하기도 한다. 그 밖에도 캡슐은 다양한 기능을 하는데, 캡슐의 형성을 통해 세균은 면역세포의 식세포 작용이나 박테리오파지(bacteriophage) 감염으로부터 자신을 보호할 수도 있어, 캡슐을 형성하는 세균은 그렇지 않은 세균에 비해 지속적인 생존이 가능하다.

병원성 미생물은 여러 분해효소(degradation enzyme)를 생산·분비하는 것으로 알려져 있다. 이러한 분해효소는 숙주세포의 구성 물질을 분해하여 주로 병원성 미생물의 침습과정을 용이하게 한다. 대표적인 분해 효소는 녹농균(Pseudomonas aeruginosa)이 생산·분비하는 엘라스테이스(elastase)이다(그림 3).

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엘라스테이스는 다양한 인체 단백질을 분해할 수 있다. 대부분의 효소가 기질 특이성을 보이는 반면에 엘라스테이스는 인체 조직을 구성하는 엘라스틴(elastin)과 콜라겐(collagen)을 분해할 수 있으며, 항체의 기본 구조인 면역글로불린도 분해할 수 있다. 또한 혈액에 존재하며 면역 기능에서 중요한 역할을 담당하는 보체(complement) 구성 단백질도 분해할 수 있다.

병원성 미생물은 사람 세포에 독성을 나타내는 물질을 생산한다. 이 물질을 독소라고 하며, 독소는 다양한 질병의 증상을 일으키고 감염체에게는 이로운 효과를 가져온다. 따라서 다양한 독소가 첫 번째 독력인자로서 동정되었으며 많은 연구가 이루어져 왔다. 세포외액(extracellular fluid)으로 분비되는 독소들은 다른 독력인자에 비해 상대적으로 분리·정제가 쉽다. 현대 생화학 및 분석기술의 발달로 인하여 독소의 작용 메커니즘과 작용 효과가 밝혀졌으며, 독소의 다양한 특성과 작동 방식 또한 자세히 알려져 있다. 독소는 매우 특징적인 작동 방식과 확실한 작용 대상을 가지고 있기 때문에 다양한 세포 내 신호전달 경로나 물질대사 처리과정 등을 연구하기 위한 도구로서 활용되기도 한다. 또한 많은 수의 독소는 물리적 비활성화 또는 단백질 변성 처리 등을 통하여 백신(vaccine)으로 사용되기도 하며, 독소 자체를 특정 질병을 치료하는 데 사용하기도 한다. 대표적인 독소는 주로 병원성 세균으로부터 알려졌다. 세균 독소는 그 구조와 활성뿐만 아니라 독소가 피해를 주는 숙주의 세포 종류까지 매우 큰 다양성을 가지고 있다. 세균 독소의 명명법은 이런 다양성을 대변한다. 녹농균의 exotoxin A와 같이 어떤 독소는 단순한 알파벳으로 명명되기도 하며, 클로스트리디움 퍼프린젠스(Clostridium perfringens)에 의해 생성되는 α-, β-, δ-, ε-toxin과 같이 발견된 순서나 분리 및 동정된 순서대로 그리스자나 로마자 표기로 명명되기도 한다. 또한 신경세포에 작용하는 신경독(neurotoxin), 간 세포에 작용하는 hepatotoxin, 심장세포에 작용하는 cardiotoxin, 장내 세포 및 장내 점막에 작용하는 장독소(enterotoxin) 등과 같이 독소가 작용하는 표적세포의 종류에 따라 명명되기도 한다. 콜레라균이 생성하는 cholera toxin(CT), 시겔라(Shigella) 종이 생성하는 shiga toxin(ST), 디프테리아균(Corynebacterium diphtheriae)가 생성하는 diphtheria toxin(DT), 파상풍균(Clostridium tetani)가 생성하는 tetanus toxin(TeNT), 클로스트리디움 보툴리누스균(Clostridium botulinum)이 생성하는보툴리눔 독소(botulinum toxin; BoNT) 등과 같이 독소를 생성하는 세균의 종에 따라 명명되기도 한다. 그 외에도 독소의 효소활성능이나 생화학적 특성에 기초하여 명명하기도 한다.

독소는 그 작동 원리에 따라 크게 내독소(endotoxin)와 외독소(exotoxin)로 분류되며, 외독소는 제1종, 제2종, 제3종으로 다시 분류된다. 외독소는 병원성 미생물이 생산·분비하는 단백질 독소이다. 제1종으로 분류되는 독소는 표적 세포의 표면에 부착하지만 표적 세포의 내부로 이동되지 않고 표적세포의 외부에서 활성을 가진다. 제2종 독소는 표적세포의 세포막에 작용하여 표적세포의 세포막을 파괴하거나 약화시키며, 제3종 독소는 두 종류의 기능적인 단백질 단위로 구성된 A-B 독소(A-B toxin)이다.

내독소는 그람음성균(gram-negative bacteria)의 세포막 구성물질로 이루어져 있으며, 세균이 사멸할 때 배출된다. 내독소는 면역세포와 반응하여 숙주에게 독성을 일으킨다. 그람음성세균의 세포막에 존재하는 지질다당류(lipopolysaccharide; LPS)는 다당류 사슬과, lipid A로 알려진 지질기로 구성된 대표적인 내독소이며(그림 4), LPS 결합 단백질(LPS-binding protein)에 결합하여 톨유사수용체(toll-like receptor; TLR)를 통해 숙주의 면역반응(immune response)을 유도하고 과도한 염증을 유발하여 숙주세포와 조직에 손상을 준다. 전신성 세균 감염 치료 시, 항생제 사용에 의해 세균이 사멸하고 그에 따른 세포막 구성물질이 대량으로 방출되어 병을 악화시키기도 한다.

그림 4. 그람음성균의 내독소(lipopolysaccharide; LPS) (제작: 서울대학교 생명과학부)

일부 병원균은 생장 단계에 따라 세포벽 구성물질을 외부로 배출하기도 한다. 백일해균(Bordetella pertussis)은 세포벽 성분인 펩티도글리칸(peptidoglycan)에서 유래하는 저분자의 당펩티드를 배출한다. 이 저분자 당펩티드는 Bordetella tracheal cytotoxin(TCT)으로, 기관지 섬모세포의 섬모운동을 억제하고 염증성 사이토카인(cytokine) 생성을 유발한다. 섬모운동이 억제됨에 따라, 기관지 내의 점액과 세균 및 염증 반응의 부산물이 축적되어, 이를 배출하기 위한 격렬한 기침이 유발된다.

막용해 독소 (membrane-disrupting toxin, 제2종 독소): 막용해 독소는 숙주세포의 세포막 내구성에 영향을 주고 숙주세포의 사멸을 유발하는 독소이다. 막용해 독소는 두 가지 역할을 한다. 이 독소의 주 역할은 숙주세포를 사멸시키는 것이며, 침투성 세균은 이 독소를 이용해 숙주의 식세포의 식작용을 회피하고 표적세포의 세포질 내로 침입한다. 막용해 독소는 단백질 독소이며, 두 종류가 있다. 한 종류는 숙주의 표적세포의 세포막에 구멍(pore)을 형성하는 독소이다(예: hemolysin, cytolysin). 표적세포의 구멍을 통하여 세포 내부 물질이 빠져 나와 사멸하게 된다. 표적세포의 세포막(cytoplasmic membrane)에 구멍을 형성하는 구멍형성독소(pore-forming toxin)는 구조적 특성에 따라 다시 분류된다. α-구멍형성독소는 수용성의 α-helix 구조를 형성하는 경향이 강하며, 표적세포의 세포막에서 α-helix를 이용하여 구멍을 형성한다. β-구멍형성독소는 β-sheet 구조로 이루어진 수용성 단백질 독소이며, 표적세포의 세포막에 β-barrel을 형성하여 구멍을 만든다. 구멍형성독소가 표적세포의 세포막에 삽입되는 메커니즘은 종종 산성도에 의해 유도된다. 낮은 산성도는 구멍형성독소의 대규모 구조 변화를 일으키고, 변화된 구조의 독소는 세포막에 삽입되기 위한 최적의 상태가 된다. 또 다른 종류의 막용해 독소인 phospholipase는 세포막 인지질(phospholipid)층의 안정성을 깨뜨린다.

A-B 독소는 보통 두 가지 기능적 단백질 도메인이나 단위체로 구성되어 있다. 활성부(A, active)는 효소활성을 가지고 있으며, 결합부(B, binding)는 표적세포의 세포막 표면의 분자와 결합하여 활성부를 표적세포의 세포질 내로 운반시켜 주는 역할을 한다(그림 5).

그림 5. A-B 독소의 작용 기작 (그림: 김서영/서울대)

가장 단순한 형태의 A-B 독소는 단일 폴리펩타이드 내에 하나의 결합부와 하나의 활성부가 형성되어 있는 구조이다. 그러나 대부분의 A-B 독소는 독성을 나타내는 과정 동안 자가 단백질 절단(auto-proteolysis)에 의해 결합부와 활성부가 분리되며, 이 과정이 활성부가 활성을 띄는 필수적인 요소이다. 표적세포의 세포질 내부로 유입된 활성부는 효소활성을 가지며 독성을 띠게 된다. A-B 독소의 종류에 따라 활성부의 독성이 표적세포의 단백질에 의해 활성화되는 경우도 있다. A-B 독소들의 표적세포의 종류는 결합부에 의해서 결정된다. 그러나 대부분의 활성부는 같은 효소반응(enzyme reaction)을 촉매한다. 대부분 A-B 독소의 활성부는 ADP-ribosyltransferase 활성을 갖고 있다. 표적세포의 내부에서 이들은 NAD의 ADP-ribosyl 기를 다른 단백질로 옮겨 준다. 활성부에 의해 ADP-ribosylation된 숙주 단백질은 비활성화되거나 비정상적인 기능을 하게 된다. 어떤 숙주 단백질이 ADP-ribosylation 되느냐에 따라서 표적세포가 나타내는 증상이 달라진다. C. diphtheriae의 diphtheria toxin(DT)의 활성부는 진핵 숙주세포의 단백질 합성에 필수적인 역할을 하는 단백질 사슬 신장인자(EF-2, elongation factor-2)에 ADP-ribosylation을 일으킨다. 활성부에 의해 EF-2에 부착된 ADP-ribosyl 기로 인해 EF-2의 기능은 비활성화되고, 표적세포는 단백질 합성이 불가능해져 사멸에 이르게 된다(그림 6).

그림 6. 디프테리아 독소의 작용기작 (그림: 이한주/서울대)

이와 반대로 콜레라균이 분비하는 콜레라 독소(cholera toxin; CT)의 결합부는 장내 상피세포 표면에 발현된 ganglioside GM1 수용체에 결합하여 활성부를 장내 상피세포 내부로 유입시킨다(그림 7).

그림 7. 콜레라 독소의 작용기작 (그림: 서창완/서울대)

활성부는 표적세포 내의 cAMP의 양을 조절하는 GTP-결합 단백질에 ADP-ribosyl 기를 부착시킨다. 이에 따른 cAMP의 양적 변화로 인하여 표적세포의 이온농도 조절기능이 상실되고 대량의 수분이 세포에서 외부로 빠져나가게 되어 심각한 설사를 일으킨다. 모든 A-B 독소의 활성부가 ADP-ribosylation 반응을 유도하는 것은 아니다. 예를 들어, Shiga toxin(ST)의 활성부는 표적세포의 리보좀 RNA(rRNA)를 염기를 제거하여 불활성화하고 단백질 합성을 억제하고 세포를 사멸에 이르게 한다.

일부 독소는 A-B 독소와 같은 전달 체계 대신 병원균의 특수한 분비 단백질 복합체에 의해 직접 표적세포의 내부로 전달된다. 이런 독소를 세포외효소(exoenzyme)라고 하며, 이 독소는 전위 과정(translocation)을 위한 결합부 없이 활성부로만 구성되어 있다.

생물막이란 일반적으로 어떠한 표면에 부착되어 형성된 미생물의 커뮤니티를 일컬으며 보통 자신이 생산하고 분비한 세포외 물질(ECM, extracellular matrix)에 덮여 있다. ECM은 주로 exopolysaccharide(EPS), extracellular DNA, RNA, 단백질, 지질 등으로 이루어져 있으며 이러한 물질은 열악한 주위 환경으로부터 미생물을 보호하는 역할을 한다. 역사적으로 로버트 코흐(Robert Koch)가 병원균의 개념을 세우며 ‘코흐의 4가지 원칙’을 정립하여 세균학이 발전하는 계기가 되었다. 그러나, 그의 원칙은 세균학자들이 순수배양(pure culture)된 세균만을 연구하는 결과를 초래하였다. 그러나 자연계의 세균은 코흐의 연구 방법처럼 단독으로 존재하는 경우는 매우 드물며, 실험실 배양 조건과는 달리 대부분이 생물막(biofilm)과 같은 다세포 조직체의 형태로 존재하고 있다는 것이 최근에 재조명되면서 생물막에 대한 관심이 증가하고 있다. 생물막은 환경에서뿐만 아니라 의료 분야에서도 큰 이슈가 되고 있다. 생물막 형태의 감염은 항생제에 대한 내성뿐 아니라 숙주의 면역체계에도 높은 저항성을 보인다. 또한 병원균에 의한 생물막의 형성은 만성 감염의 주요 원인이며 미생물에 의한 총 감염의 약 80%가 생물막 연관 감염(BAI, biofilm-associated infection)으로 알려져 있다. BAI는 크게 두 가지로 나누어 생각할 수 있는데 그 중 하나는 내재적 의료장치의 생물막 감염이다. 또한 BAI는 단일 균주가 아닌 여러 종류의 균이 함께 감염하기도 한다. 이러한 다종생물막(polymicrobial biofilm)은 세균이 공존함으로써 생존하기 힘든 숙주의 환경을 서로에게 이로운 쪽으로 변화시켜 감염을 용이하게 하는 효과를 가진다. 다종생물막감염의 예로는 치주염을 일으키는 치태(dental plaque), 녹농균과 칸디다 알비칸스(Candida albicans)에 의한 혼합 호흡기 만성 감염 등이 있다.

수평적 유전자 이동(Horizontal Gene Transfer; HGT)을 통한 독력인자의 획득과 전파

독소나 다른 병원성 인자의 진화는 플라스미드(plasmid), 전위인자(transposon), 박테리오파지, 기타 이동성 유전인자(mobile genetic element)를 통해 오랜 시간 축적되는 것이 아니라, 한 순간에 획득된다.

Genome에서 HGT에 의해 하나 이상의 병원성 유전자를 지니고 있는 이런 DNA 조각을 Pathogenicity islands(PAI)라고 명명한다. 세균의 독소도 PAI에 위치해 있는데 독소 유전자를 지니고 있는 파지나 용원성 프로파지(lysogenic prophage)가 독소 유전자의 기원이라고 생각된다. 예를 들어 콜레라균의 파지에 존재하는 콜레라 독소 유전자(ctx)는 설사를 유발하는 여러 대장균주에 존재하는 열민감성 장독소(heat-labile enterotoxin) 유전자(elt와 etx)와 유사하다. 이러한 장독소(enterotoxin) 유전자는 염색체에 존재하기도 하고 플라스미드에 존재하기도 한다. 다른 예로 시가독소(shiga toxin) 관련 유전자들도 Shigella와 대장균에 광범위하게 존재하며, 서로 유사한 botulinum 또는 tetanus neurotoxin 유전자(bot 또는 tet)도 서로 다른 Clostridium 종과 균주에서 발견된다. Clostridium botulinum과 C. tetani의 neurotoxin 유전자가 존재하는 PAI가 많은 균주에서 염색체와 플라스미드 또는 용원성 프로파지 등 다양한 위치에 존재하는 것으로 보아 HGT가 얼마나 병원성 미생물의 종 다양화에 기여했는지를 보여준다.

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이은진/고려대학교

송미령/한국외국어대학교

한국미생물학회. 2017. Microbiology(미생물학): 기초에서 응용까지. 범문에듀케이션, 서울