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뇌수막염균을 향하여 쏴라! - Neisseria meningitidis |
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박성희(free8597@hanmail.net), 서보상(sbs-98@hanmail.net) |
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태어난 지 1개월 된 나의 조카는 한달 후에 뇌수막염 예방주사를 맞아야한다. 그리고 두 달 후에 즉 생후 4개월이 되었을 때 2차 예방주사를 맞고, 다시 두 달 후(생후 6개월)에 3차 예방주사를 맞고, 생후 18개월이 되었을 때 마지막 뇌수막염 예방주사를 맞아야한다. 이렇게 여러 차례에 걸쳐 예방접종을 해야 발병을 막을 수 있는 뇌수막염은 바로 Neisseria meningitidis 즉, 나이세리아속의 수막염균에 의해 감염되는 것이다. 바로 그 병원균의 특징과 최근의 관련 게놈 연구 결과에 대하여 알아보고자 한다.
Neisseria meningitidis이란...
이 박테리아들은 유전적 변이가 심하여 그 변이에 따라 A, B, C, D, W-135, X, Y, Z 8개 균의 혈청형으로 나뉘어지고, 그 중에서 병원성을 가진 혈청그룹은 A, B, C, D, W-135 등이다. 이렇듯이 수막염균은 각각의 혈청그룹에 대해 다른 백신을 필요로 하기 때문에 예방이 어렵다. 현재 혈청그룹 A와 C에 속한 종에 대한 효과적인 백신은 개발되어 있는 상태이지만 B혈청그룹의 종에 대한 백신은 아직까지 개발되어 있지 않은 상태이다. 따라서 B혈청그룹의 MC58 균주와 A혈청그룹의 Z2491 균주의 전체 게놈(genome)의 염기서열을 밝히는 것은 각 균주의 염기서열을 비교해서 병리학적 특징을 밝히고 공통부분과 상이한 부분을 규명하여 B혈청그룹의 종에 대해서도 효과적으로 작용하는 백신을 개발할 수 있는 가능성을 제공하는 것이다. 영국 쌩거 센타의 테텔린(Tettelin H.) 박사의 지휘아래 많은 연구원들이 B혈청그룹의 MC58 균주의 전체 게놈 염기서열을 밝혀냈으며, A혈청그룹의 Z2491 균주는 독일 막스 플랑크 연구소의 파크힐(J. Parkhill) 박사를 필두로 한 연구진에 의해 밝혀졌다. 지금부터 특징적인 병원성을 나타내는 B혈청그룹의 MC58 균주의 염기서열과 A 혈청그룹 Z2491 균주의 염기서열을 알아보고, 그들을 비교하면서 수막염의 병리학적 특징의 원인이 되는 유전자에 공통부분과 상이한 부분을 알아보겠다
B혈청그룹 MC58 균주의 염기서열 해명 랜덤 숏건(Random shot-gun) 방식을 이용하여 MC58 균주의 게놈 염기서열이 밝혀졌다. 전체적으로 MC58 균주는 G+C의 배열이 평균적으로 51.5%를 차지하는 2,272,351개의 염기쌍을 가진다. 이 게놈은 2158개의 ORF(open reading frame)를 가진다. 하나의 ORF는 평균 874개의 염기쌍으로 이루어져있다. 그리고 2158개의 ORF 중에서 1158개의 ORF(53.7%)가 균주 내에서 생물학적 기능을 하는 단백질을 만드는데 관여한다고 밝혀졌다. MC58 균주에서 678개의 단백질을 만들어 내는 234개의 단백질 집단(protein family)을 밝혀냈는데 그 중에서 MC58 균주가 특이적인 병원성을 가질 수 있게 하는 것이 바로 B혈청그룹에만 유일하게 있는 협막 다당체 생합성(capsular polysaccharide synthesis)에 관련한 ORF와 수막염균 표면을 구성하는 섬모 단백질 구조에 대해 암호화(coding)하고있는 염기서열이다.
그림 2에서보면 12시 방향에 복제기점이 존재하는데 이곳에 염색체의 첫 번째 염기쌍이 존재한다. 이 게놈은 4개의 rRNA operon (16S-23S-5S)과 20개의 아미노산 모두에 특이성을 가지는 59개의 tRNA를 포함한다. 그림 2에서 9번째와 10번째 원(circle)이 각각 tRNA와 rRNA를 나타내는 영역을 표시한 것이다. 그림 2에서 첫 번째 원은 +가닥(+strand)에서 아미노산 합성이나 에너지 대사, 전사, 핵산과 퓨린(purine)이나 피리미딘(pyrimidine) 등의 합성, 조절기능 등이 암호화된 영역(coding region)을 나타내는 것이고, 두 번째 원은 -가닥(-strand)에서의 암호화된 영역을 표시한 것이다. 세 번째와 네 번째 원은 각각 +가닥과 -가닥에서 병원성에 관여하는 암호화된 영역을 표시한 것이다. 다섯 번째 원은 서로 다른 Neisseria 종 사이에서 DNA를 획득하여 형질전환을 일으키는 DNA획득 서열(uptake signal sequence ;USSs, 5'- GCCGTCTGAA-3′)을 표시한 것으로 총 1910개의 USSs가 있다. 여섯 번째 원은 MC58 균주의 게놈에 존재하는 N. gonorrheae의 역반복구조(inverted repeat)를 암호화한 영역을 표시한 것이다. 일곱 번째 원은 뉴클레오티드(nucleotide) 구성 곡선을 나타낸 것이고, 여덟 번째 원은 G+C 곡선을 나타낸 것이다. 또한 MC58 균주의 게놈은 29개의 삽입된 염기서열(insertion sequence ; IS)을 가지고 있는데, 이 IS는 다중 틀 변화(multiple frame shifts), 대량 결실(large deletion)이나 불완전한 종결 코돈, 역반복구조의 부족 등을 포함한 유동성 있는 유전자(transposase gene)인 것이다.
A혈청 그룹 Z2491 균주의 염기서열 해명 Z2491 균주는 2,184,406개의 염기배열을 가지고, G+C 함량은 51.8%이다. 또한 2,121개의 CDS (coding sequence)를 가진다. 이 CDS 평균길이는 877 bp이고, 그중 82.9%의 기능이 밝혀졌다. 이것은 리케차(Rickettsia) 보다는 높고, 박테리아보다는 낮은 수치이다. 또한 이 유전자는 4개의 rRNA opron과 58개의 tRNA, 1개의 tmRNA 그리고 RNase를 구성하는 RNA를 가진다. 염색체의 첫 번째 염기쌍은 그림 3의 유전자 원형 지도(published map)에서 12시 방향에 존재한다. MC58 균주와 달리 복제기점은 247,600 bp 부근에 존재한다. 그림 3에서 염기의 단위는 메가베이스(megabases)이다.
제일 밖의 진한 녹색은 +가닥에서 암호화된 영역을 표시한 것이고, 연한 녹색은 -가닥에서 암호화된 영역을 표시한 것이다. 그리고 붉은 색은 Neisseria종의 USSs를 나타낸 것이고, 어두운 오렌지색과 밝은 오렌지색은 각각 dRS3 염기서열과 RS 영역(element)을 나타낸 것이다. 검은색은 코레리아(Correia), ATR, REP2-5 등의 분산된 반복구조를 나타낸 것이고, 옥색은 IS 영역과 파지를, 남색은 앞뒤로 연결되어있는 반복구조를 나타내는 것이다. 마지막으로 제일 안쪽의 히스토그램(histogram)은(G-C)/(G+C)의 비율을 나타낸 것이다. 이것을 보면 60개의 CDS는 낮은 G+C함량을 가지는 것을 알 수 있다. 또한 이 부분은 근래에 획득된 DNA를 나타내는 것이고, 이러한 획득된 부분은 USS에 의한 것으로 Z2491 균주는 1,892개의 USSs를 가진다.
MC58 균주와 Z2491 균주의 유전자 비교 N. meningitidis의 가장 큰 특징은 반복 염기서열이 빈번하게 나타나고 유전적 변이가 심하다는 점이다. 다른 종들과 비교해보면 MC58 균주와 Z2491균주, 이 두 종의 염기서열을 다른 종들과 비교해보면 이 두 종의 박테리아가 염기서열이 극히 높은 것을 알 수 있다. 대부분의 대사과정에 관련되어 있는 단백질에 대한 정보를 가진 염기서열들은 잘 보존되어있는데 이 두 종은 그러한 유전자에서도 변이를 지니고 있었다. 이러한 반복염기서열은 단독으로 나타나기도 하고 삽입서열이나 유전자 중복 등에 의해 연속적으로 존재하기도 했다. 그리고 이러한 반복 염기서열은 유전자의 유동성과 항원의 변이에 기여하고 있는 것으로 생각된다. 진핵세포의 경우 이런 반복염기서열이 흔하게 발견되지만 원핵세포에서는 드물게 발견될 뿐이다. MC58 균주와 Z2491 균주는 유전자를 코드하고 있는 부위에서 91%의 유사성을 보여주고 나머지 부분은 서로연관성을 보여주지 않았다. 그림 4는 그림 3의 Z2491 균주의 원형 지도에서도 보았듯이 반복염기서열들의 종류로 USSs와 RS, dRS3, 코레리아(Correria), ATR, REP2∼5, IS1016, IS1106, IS1655, Prophage 등이 있다.
MC58 균주와 Z2491 균주의 IHTs(islands of horizontally transferred DNA)의 차이점을 살펴보면 두 병간의 발병결정요인들이 어떻게 다른가를 알 수 있다. MC58 균주에서는 발견되지 않는 IHT가 Z2491 균주에 1개 존재한다. 그림 5를 보면 MC58 균주에는 3개의 IHT가 존재하는데 IHT-A는 IHT-A1과 IHT-A2 두 개의 하부구조로 이루어져있고, 협막 생합성 단백질(capsule biosysthesis protein)에 대한 유전자가 암호화되어있다. IHT-B는 24개의 단백질을 생산하는 ORF(NMB498∼NMB521)를 포함하는데 아직 어떤 기능을 하는 단백질인지는 밝혀지지 않았다. 또 IHT-C는 30개의 ORF를 가진다. 이 중에서 NMB1751와 NMB1769, NMB1770 (검은색 화살표)은 유동성 있는 유전자(transposases)를 암호화하고 있는 영역이고, NMB1762∼1763, NMB1768 (붉은 색 화살표)은 독소에 관련된 유전자를 암호화하고 있다.
앞에서도 언급했듯이 반복 염기 서열은 항원변이에 기여한다. 항원에 관계되는 유전자, 즉 섬모단백질을 생산하는 유전자에 변이가 일어남으로써 섬모가 다양해질 수 있는데 이것은 수막염균이 다른 종류의 숙주와 장소에 침범할 수 능력을 부여한다. MC58 균주와 Z2491 균주에서 섬모단백질을 암호화하고있는 유전자(pilin-coding sequence)는 같은 부위에 존재한다. 이 유전자는 8개의 단위(cassettes)로 구성되어 있는데 이 단위들의 발현 재조합이 섬모단백질의 다양성을 낳게 되는 것이다. 그림 6에서 pilE와 pilS의 위치를 보면 8개의 단위 사이사이에 dRS3, RS 영역, 코레리아 등의 반복구조가 있음을 알 수 있다.
B혈청 그룹의 백신은 개발될 것이다 앞에서 언급한 나의 조카가 앞으로 맞을 예방주사는 혈청 그룹 A와 C에 대한 백신일 것이다. A혈청 그룹의 종에 의한 수막염은 그 백신의 개발로 인해 예방이 가능한 실정이고, 아직까지 B혈청그룹에 의한 수막염의 백신은 개발되지 않았다는 것은 앞에서도 이야기하였듯이 A혈청 그룹과 B혈청 그룹의 각 균주의 밝혀진 염기서열의 차이점과 공통점을 비교하고 분석하면서 N. meningitidis의 각 혈청그룹에 의한 수막염에 대해 새로운 인식을 가지게 될 것이고, B혈청 그룹의 MC58 균주의 염기서열을 기초해서 B혈청 그룹의 수막구균의 병원성과 항원성을 연구하여 B혈청 그룹의 백신이 개발되어질 것이다.
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