Notice04 S. enterica serovar Typhi

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식중독 살모넬라균의 질병 변이, 대륙을 건너다

　

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　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 Figure 1 살모넬라균


  살모넬라균은 주로 식중독을 일으키는 세균의 한 종류이다. 보통 집에서 키우는 애완 파충류들의 대부분이 이 살모넬라균을 가지고 있다. 거북은 85%, 도마뱀은 77%, 뱀은 98% 정도로 살모넬라균을 가진 파충류들은 많은데 파충류들을 키우는 사육자들은 보통 감염되는 경우는 거의 없다. 그 이유는 신체적으로 건강하고 면역시스템을 가지고 있기 때문인데, 약한 면역시스템을 가지고 있더라도 몇 번의 접촉으로 걸리지는 않으나, 계속되는 접촉으로 체내에 축적되어 식중독에 걸리곤 한다. 대부분의 살모넬라균은 파충류들의 배설물이나 허물에서 발견되며 접촉을 피하는 것이 감염을 줄이는 한 방법이다.


  또 한가지는 익히지 않은 육류나 계란을 먹었을 때 감염될 수 있는데, 음식물 섭취 후 8~24사간이 지난 뒤 급성 장염을 일으켜 발열, 복통, 설사 등의 증상을 나타내는 세균으로 발병한 환자는 3일 이내에 증세가 가벼워진 뒤 회복돼 치사율은 낮은 것으로 알려져있다. 살모넬라에 속하는 균들은 수많은 종류가 있는데 종류에 따라 생기는 질병이 다르다. 대표적인 질병이 장티푸스이다. 균만 인체에 들어갔을 경우는 수천 마리라도 특별한 해를 일으키지 않으나, 식품과 함께 살모넬라균을 먹는다면 수백 마리라도 식중독을 일으킨다. 위가 산성이기 때문인데 고기와 같은 단백질이 위에 들어가면 산성 성분이 약해져 살모넬라균이 살아남을 수 있다. 살모넬라균을 방지하기 위해서는 섭씨 60도에서는 10분이상, 70도에서는 1~2분 정도 가열해야 한다.


  최근 이러한 살모넬라균이 최근 사하라 사막 이남 아프리카 많은 국가에서 장에 혈청이 생기는 질병의 원인균으로 보고되었다. 살모넬라균을 분리하여 분석하기 위해 숙주의 전장 유전체 시퀀싱에 기반한 계통분류를 하여, 장티푸스 외의 질환 치료를 위해 클로로암페니콜1)의 사용에 영향을 주는지 여부를 확인하였다. 본 연구로 항생제 치료와 관련된 새로운 틈새시장인 유전체 시장에 활성화를 일으킬 것이다.



S. enterica serovar Typhi의 인간 대 인간 감염

  인수공통(인간과 동물)의 전염성 질병의 일반적인 원인 균으로 살모넬라균을 들 수 있는데, 혈청성 위장염과 장티푸스2)는 대부분 다른 원인 균에 의해 발병한다. 장티푸스의 경우 저수지 등의 고인 물을 통해 가축에 의해, 또는 인간과 인간 사이에서도 감염균의 전송이 가능하다. 그러나 혈청성 위장염을 일으키는 S. enterica serovar Typhi은 인간과 인간 사이는 전염되지 않는다.


  Typhi균에 감염된 어린이나 성인은 영양실조, 심한 빈혈, 말라리아, HIV3) 등을 앓고 있는 면역력이 약한 환자들로, 특이 발열 현상과 설사를 동반하는 특징을 보였다. 이에 케냐와 말라위에서 ST313으로 지정된 새로운 다좌위 서열4)을 분석하는 MLST(multilocus sequence type) 분석5)을 이용하여 SNP 기반의 계통분석을 하였다. Typhi균은 지역을 넘어 대륙을 건널 만큼 전파성이 높은 쥐티푸스균 질환의 지배적인 원인 균으로, 본 연구에서는 전염병 및 HIV의 전파성 증가와 장티푸스 외의 질환들에서 항생제 저항성에 관한 잠재적인 기능을 조사하였다.


  Wellcome Trust 생어 연구소에서 1988~2010년에 사하라 사막 이남의 아프리카 많은 국가들의 어린이들의 뇌척수에서 정맥 혈액을 채취하여 카우프만화이트(Kauffmann-White)6)의 항원 표에 따라 항원을 분리했다. H-항원을 응집에 사용하여 표준 혈청형 분석 방법에 의해 식별하였고 일루미나 게놈 분석기(Genome Analyzer II)를 이용하여 시퀀싱 하였다. 그 다음 SSAHA2(Sequence Search and Alignment by Hashing Algorithm)7)을 이용하여 SL1344(살모넬라 참조 게놈)에 매핑하였다(97.7%, 56.5배). 참조 게놈을 통해 매핑한 살모넬라균은 RAxML v7.0.4를 이용하여 SNP를 비교하였고, 각각의 loci도 확인하여, 대립유전자의 다좌위 서열의 유형을 분석하였다. 베이시안(Bayesian) 통계8)를 통해 분화 속도를 추정하였고, 새로 밝혀진 서열을 어셈블리9)하여 플라스미드 게놈10)과 비교하였다.


  1938~2010년에 걸쳐 숙주의 전장 유전체 시퀀싱에서 수집된 179개 살모넬라 쥐티푸스균의 유전체에서 잠재적으로 유익한 SNP를 발견할 수 있었다. 샘플은 사하라 사막 이남의 말라위, 케냐, 모잠비크, 우간다, 콩고 민주 공화국, 나이지리아, 말리 등의 국가들에서 수집하였다. 또한 407bp의 참조 유전체에서 4%를 차지하는 반복된 서열과 transposon과 파지서열과 관련된 SNP를 제외하고 이용하였다(참조 유전체로는 이미 해독된 바 있는 살모넬라 쥐티푸스균 SL1344의 유전체를 이용).


  외과적, 대사적 계통 분류를 통해 나타낸 것이다. 분류 I과 II는 각각 33, 21개 SNP에 의해 분리하였다. ST313은 단일 변이로 인해 분리된 종이고, ST394는 연관성이 없어서 분리된 종이며, ST19는 병을 유발하는 변이 종이다. MLST 분석에 의해 ST313으로 분류 I과 II로 분리되었다.

  사하라 사막 이남의 아프리카 국가 7개에서 43년에 걸쳐 분화된 샘플을 측정하였고, 32.3년에 걸쳐 분화된 샘플을 측정하였다. 분류 I은 우간다에서 0.9이상의 두 번째 전파를 일으킨 조상 가닥의 위치를 확인하였고, 분류 II는 0.7이상의 조상 가닥의 지리적 위치를 발견하였다. 가능성이 높을 위치에 따라 색으로 나타내었다. 본 계통 분류는 BEAST11)로 MCC(maximum clade credibility) 나무12)를 제작한 것이다.


  129개 사하라 사막 이남의 살모넬라 쥐티푸스균의 분리에 BEAST 분석을 수행하여, 국가별 인구변화와 베이지안 스카이 라인 모델을 생성하였다. 모델을 이용하여 말라위는 최초 갈라에서 분리된 국가임을 예상하고, 혈통 조상이 지리적 기원의 근거로 삼았다. 또한 초기 허브 역할을 하는 동남부 아프리카의 최소 네 군데의 독립적인 전파로 인해 확신하였다. 특정 지역의 전파 경로를 박테리아 혈통을 추적하여 식별하였다. 분류 I의 계통 분화는 갈라에서 말라위로 옮겨가며 시작되었고, 분류 II의 감염 경로를 추측하였다. 이를 통해 알게 된 사실은 가장 오래된 분리가 1985년 우간다에서 다른 국가로 전염된 것이었다.


약물 저항성의 진화와 잠재적 cat 유전자

　

  A130(분류I), D23580(분류II)는 SLT에 위치한 다중 약물 저항성 결정요인을 암호화하는 두 가지 복합 Tn21 요소이다. 위 그림은 계통의 분화 초기의 A24924에서 I과 II로 분화되는 매핑을 보여준다. 대부분 분화되어도 보존되지만, A16083에서 istB에서 transposon13)이 일어나 유전자의 일부를 잃고 다소 불안정하다. 또한 클로로암페니콜에 저항성을 가지는 cat 유전자가 없어 약물 저항성을 가지지 못한다. 분류 I과 II의 pSLP에 위치한 Tn21 암호화 특징들로 인해 다중 약물 저항성의 유무를 확인할 수 있었다. 심각한 세균 감염과 장티푸스 외 질병들에 감염되는 것은 이런 다중 약물에 대한 저항성이 있기 때문이다.


  살모넬라균의 전염 경로에 HIV 관련 일시적 감염이 일어나기도 한다. 시간에 따라 확산되는 공통점이 있는 두 질병에 대해 시간적 일치가 이루어졌다. 기간 내에 영향을 받은 HIV 환자의 분석 샘플을 이용하여, 콩고 분지에서 전파된 살모넬라 쥐티푸스균의 분류 II의 잠재적인 기원을 확인할 수 있었다.



맺음말

　

  중요한 질병이 진화 기원과 분화의 확산 시공간을 알아보는 것이 가능해졌다. 병원성 세균의 대륙간 전송을 고해상도 분석하여 추적하고, 감염성 질병과 관련된 ST313의 보존적인 혈통을 분석하여, 혈청성 위장염 등을 유발하는 원인 균의 확산 초기 위치를 감지할 수 있었다. Tn21을 암호화하는 다중 약물 저항성 유전자의 부재로 인해 대륙간의 전파를 일으켰고, HIV는 장티푸스 외의 질병 감염에 민감도를 증가시키는 결과를 가져왔다.


  뿐만 아니라 숙주의 면역 상태가 살모넬라균의 감염 결과를 결정짓는 중요한 요인이 되는 만큼 빈혈과 영양 실조 등과 질병의 연관성을 찾는 연구가 진행될 것이다. 또한 HIV와 장티푸스 외의 질병에 감염된 아프리카 성인은 쥐티푸스균 질환에서 비정상적인 인간과 인간 사이의 전송이 이루어졌던 만큼, 동물간의 전송 패턴에도 관심을 가지게 되었다.


  D23580과 A130에 인간에게 감염되는 혈청성 살모넬라균 Typhi와 Paratyphi는 유전자의 손실 및 pseudogene14)을 형성하여, 인간 대 인간의 직접적 전송이 이루어지는 만큼, 독성 및 전송의 잠재력에 대한 자세한 비교 연구가 진행될 것이다. 또한 대륙을 건너는 전파에 의해 전 세계적으로 유행하는 대장성 세균 집단의 잠재적인 경로를 추적하는 연구 또한 진행될 예정이다.




  1. 클로로암페니콜 : 방선균 Streptomyces venezuelae, S. omiyaensis 등에 의해 얻은 항생물질. 화학 합성으로도 제조하고 있다. 그람양성균, 음성균 리케차, 크리미디아에 정균적으로 작용한다. 1947년에 에를리히가 발견한 항생물질로 장티푸스에 특효가 있다. 재생불량성 빈혈 등에는 부작용이 있어 임상적으로 사용을 제한하고 있다. 세균의 리보솜의 50S 소단위(L16 단백질)에 작용하고 펩티드전이작용을 저해한다.
  2. 장티푸스 : 장티푸스는 Salmonella typhi에 감염되어 발생하며 발열과 복통 등의 신체 전반에 걸친 증상이 나타나는 질환이다. 살모넬라 타이피균은 장을 통해 몸 속으로 침투한다. 복통, 구토, 설사 또는 변비 등 위장관계 증상이 나타나지만 위장관염의 한 종류라기 보다는 발열 등의 다양한 증상을 동반하는 전신 질환이다. 발열은 환자의 75% 이상에서 나타나지만 복통은 30~40%에서만 나타난다. 장티푸스 발생 빈도가 높은 지역에 다녀온 이후에 발열 증상이 있을 경우, 비슷한 증상을 나타내는 다른 질환과 구별하여 감별 진단해야 한다.
  3. HIV : 인간 면역결핍 바이러스(HIV, human immunodeficiency virus)란 후천성 면역결핍 증후군(AIDS)을 일으키는 원인 바이러스를 말하며, 보통 이 바이러스에 감염된 상태를 HIV 또는 HIV 감염이라고 한다. HIV에 감염되면 우리 몸에 있는 면역세포인 CD4 양성 T-림프구가 이 바이러스에 의해 감염되어 파괴되므로 면역력이 떨어지게 되고, 그 결과 각종 감염성 질환과 종양이 발생하여 사망에 이르게 된다. 인체의 면역력이 상당히 저하되어 이러한 감염증과 종양이 나타나기 시작하는 상태를 에이즈 또는 후천성 면역 결핍증이라고 한다.
  4. 다좌위 서열 : 다중 유전자 위치 서열
  5. MLST(multilocus sequence type) 분석 : Bacteria의 분류에 사용되는 분류방법중 하나. DNA 시퀀싱 다음의 PCR 증폭의 기술을 포함하여 균주들 간의 다른 뉴클레오타이드를 확인 후 비교하는 것이다. 염기서열의 차이는 차별의 정도에 따라서 달라지며 염기서열의 차이를 비교함으로써 동일 종 내의 균주들의 특성을 규명할 수 있다.
  6. 카우프만화이트(Kauffmann-White) : Kauffmann-White에 의해서 제작된 살모넬라균의 항원분석표로 살모넬라는 O, Vi, H의 3종의 항원으로 이루어지고, O항원은 아라비아숫자로, H항원의 제 I상(相)은 알파벳, 제 II상은 아라비아숫자로 표시해, 이들의 짜맞춤에 의해서 현재 1, 000종 이상의 균형(serotype)으로 분류되고 있다. 이들 혈청은 특수한 것을 제외하고 처음으로 발견된 지명의 라틴어로 고유의 명칭이 붙여졌다.
  7. SSAHA2(Sequence Search and Alignment by Hashing Algorithm) : DNA 데이터베이스에서 거의 정확하게 일치하는 것을 빠르게 찾아주는 SSAHA를 기반으로 NGS 염기서열의 정렬를 수행하는 도구이다. SSAHA2는 길이가 긴 read에 대하여 정렬를 수행하는데 좋은 도구
  8. 베이지안 스카이 라인 모델(Bayesian skyline model) : 집단 유전학에서 조사된 유전정보를 바탕으로 과거의 집단을 추정하여 분석하는 통계분석의 한 방법으로 현재 조사된 DNA 염기서열을 기반으로 통계학적인 과정을 거쳐 과거의 집단을 추정하여 시간의 흐름에 따른 집단의 크기, 변이 등이 어떻게 변화하였는지를 분석하는 방법 어셈블리 : 유전자 조립 단계 플라스미드 게놈 : 세균의 세포 내에 염색체와는 별개로 존재하면서 독자적으로 증식할 수 있는 DNA
  9. BEAST : Bayesian evolutionary analysis by sampling trees.. 샘플 계통으로 베이지안 진화 분석.
  10. MCC(maximum clade credibility) 나무 : 베이지안 계통분류를 유추하는 나무.
  11. Transposon : 염색체에서 다른 부위로 이전이 가능한 DNA 부위. 구조적으로 양 끝에 팔린드롬 배열을 갖고 안쪽에는 전이에 필요한 transposase 유전자를 보유함.
  12. Pseudogene : 이미 알고 있는 정상 유전자와 염기배열 상에서 고도의 유사성이 있어서 정상 유전자와의 상동성이 분명히 인정됨에도 유전자로서의 기능을 상실하고 있는 DNA영역.



참고문헌

Intracontinental spread of human invasive Salmonella Typhimurium pathovariants in sub-Saharan Africa

http://www.nature.com/ng/journal/v44/n11/full/ng.2423.html

Whole-genome analysis of diverse Chlamydia trachomatis strains identifies phylogenetic relationships masked by current clinical typing

http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/22406642

Rapid pneumococcal evolution in response to clinical interventions.

http://www.sciencemag.org/content/331/6016/430.abstrac



저자

글 : hjpark

편집 : Thkim

키워드 : 살모넬라(salmonella), Typhi, MLST(multilocus sequence type), Genome Analyzer II, Whole genome sequencing, 카우프만화이트(Kauffmann-White), SSAHA2(Sequence Search and Alignment by Hashing Algorithm), MCC(maximum clade credibility), 클로로암페니콜(chloramphenicol), 장티푸스, 혈청성 위장염 등

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