네 가지 촌충의 게놈에서 기생 생활의 특징을 확인

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　그림 1 촌충의 한 종류인 개촌충(Dipylidium caninum)

  세계보건기구에 의해 17대 열대 질병 중 인간에게 심각한 질병이 포충증(Echinococcosis), 낭미충증(cysticercosis)과 같은 촌충의 애벌레가 중요 장기에 확산되어 발병한다는 보고가 있었다. 촌충의 애벌레로 인한 인간의 사망이 종종 발견될 뿐만 아니라, 수술이 불가능한 단계에서 종종 진단되는 경우가 있다. 이러한 촌충 감염은 높은 유행성 질환, 아프리카 수면증인 트리파노소마(trypanosomiasis)와 실명, 뎅기열 등의 증상과 유사하게 나타난다. 매년 100만 명의 사람들이 촌충으로 인해 감염되며, 미국에서는 연간 20억 달러의 질병 부담금이 발생한다.

  이러한 촌충은 거의 모든 척추동물 종에 기생하고 있다. 촌충은 창자가 없으며, 머리에 빛 감지 기관을 가지고 있고, 숙주의 위산과 담즙을 견딜 수 있다. 뿐만 아니라 숙주의 영양소를 흡수할 수 있는 독특한 표면(외피)를 가지고 있는 특징이 있다.

  기생충은 촌충과 흡충, 원충으로 나뉘는데, 게놈 서열이 모두 밝혀지지 않았다. 그 중 인류의 가장 오랜 기생충인 촌충(tapeworm)의 게놈지도가 Wellcome Trust Sanger 연구소에서 최초로 완성되었다. 촌충은 약물을 사용하여 치료하기가 어렵고, 인간에게 치명적인 질병을 유발할 수 있다. 이번 연구는 인간에 감염되는 촌충인 Echinococcus multilocularis(여우 촌충), E.granulosus(개 촌충), Taenia solium(돼지 촌충), Hymenolepis microstoma(인간 기생충)로 네 가지 종의 게놈 서열을 분석하였다. 게놈 사이즈는115~141Mb로 촌충들의 게놈은 기생충 진화에 대한 통찰력을 제공하고, 치료에 이용될 가능성을 전망하였다.

촌충의 게놈과 유전자(신진대사와 해독작용)

  E.multilocularis 게놈(N=9)을 조립하여 Caenorhabditis elegans(예쁜꼬마선충)와 Drosophila melanogaster(노랑초파리) 게놈과 비교하였다. 차세대 해독 기술을 이용하여 게놈을 정렬하였고, 전사체 분석에 의해 10,231~12,490개 유전자를 가지고 있었다. 촌충의 유전자 득실을 확인하기 위해 유사 관계의 8종에 대해 예측하였고, 그 결과 진화되면서 유전자가 손실되었으며, 고대 염색체에서 synteny 관계의 종 간에서는 보존되는 패턴을 확인할 수 있었다.

  S.mansoni(만손주혈흡충)의 게놈에서와 같이 촌충의 게놈에서도 “micro exon gene”이 존재하였다. 또한 촌충의 전장 게놈을 해독하여, 최대 4개의 micro exon gene을 포함하는 E.multilocularis에서 308개의 polycistron이 있다는 것을 확인하였다. Polycistron은 단일 전사체 단위에서 발현되는 microRNA 그룹으로, 오랜 시간 진화하면서 보존되는 전사체에서 주로 발견된다.

  모든 실험은 동물 보호에 관한 유럽의 규정에 따라, 촌충의 전사체 해독(RNA-Seq)을 수행하였다. 이를 통해 예쁜꼬마선충에서 2개의 서로 다른 RNA 분자 간에서 실시하는 이어 맞추기 반응인 trans-splicing을 발견하였다.

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　그림 2 계통분석

  촌충은 다른 동물들에 비해 전반적인 신진 대사 기능과 영양소 흡수 능력이 높다. 주요 에너지원은 탄수화물로, 유산소 호흡과 보완적인 혐기성 경로를 보유하였으며, 젖산 발효와 부동변화(dismutation) 경로 또한 보유하고 있다. 이를 통해 새로운 치료 발전을 위해 효과적인 표적이 될 것이라 예측하였다. 비록 지방산과 콜레스테롤 합성 능력이 부족하지만, 지방산에 결합하는 단백질(FABP)와 apolipoprotein 항원 B를 이용하여 숙주의 필수 지방을 흡수할 수 있다. 그러나 예쁜꼬마선충은 아미노산을 합성하는 능력이 감소하였는데, 특히 세린과 프롤린의 생합성 효소가 부족하여 몰리브도프테린(molybdopterin) 생합성 경로와 많은 효소 전이 인자를 활용할 능력이 떨어졌다. 이러한 능력은 일부 진행세포 기생충에서 관련 유전자의 손실에 의한 것이다.

  또한 촌충과 포유류인 숙주 사이에는 해독능력의 차이가 있는데, 이를 이용하면 약물을 설계할 수 있다. 촌충은 생체 이물질과 스테로이드를 산화시키는 능력이 숙주보다 낮으며, 티오레독신(thioredoxin) 글루타티온 환원효소와 산화환원 효소로 인한 항상성 기능이 병합되어 있다. 글루타티온 환원효소와 물에 대한 가용성으로 약물동태학(pharmacokinetics)적 복합성이 있기 때문에 마약 검증의 대상이 될 수 있다.

호메오박스(homeobox) 유전자 손실과 특화된 줄기 세포

　

  동물의 몸 패턴에 관계된 전사요소인 기생 흡충의 호메오박스는 촌충에서는 광범위하게 감소되어 있다. 무척추동물의 경우, 예쁜꼬마선충은 92개, 노랑초파리는 133개의 호메오박스 유전자를 보존하는 등 약 100개의 유전자를 보존하고 있는데, 24가지 촌충과 흡충에서는 존재하지 않는다. 특히 신경에 연관된 특정 유전자(MNX, PAX3/7, GBX, HBN, RAX)들이 손실되어 있었다.

  기생충 중 편충은 줄기세포의 재생능력이 특히 발달되어 있다. 다세포 생물은 증식과 성장을 위해 줄기 세포에 의존되어 있는데, 촌충과 흡충은 줄기세포에 관련된 유전자 Vasa가 부족하고, piwi 유전자는 누락되어 있다. 일반적으로 piwi와 Vasa는 동물들의 생식세포에 있는 줄기세포를 조절하는데 필수적인 유전자로, 특히 vasa 유전자가 억제되면 불임되거나 사망에 이른다.

촌충의 특이 단백질과 새로운 타겟 약물

  촌충에는 세포 접착과 외피의 형성에 관여하는 새로운 유전자 도메인(테트라스파닌, tetraspanin)이 있는데, 과일파리(fruitflies)와 제브라피시(zebrafish)보다 높아서 세포간 접착에 용이하다. 촌충의 게놈에서 가장 인상적인 유전자 가족은 열 충격 단백질인 Hsp70이다. Hsp110과 cytosolic Hsp70 clades를 분석한 결과, 독립적이고 병렬적으로 확장되었으며, 온도에 대처하기 위해 암세포에서 확장되는 Hsp110(proteotoxic 스트레스에 대항하는 단백질)을 포함하여 Hsp70의 다양한 clades가 존재했다. 특히 Hsp70 단백질은 촌충의 분비, 배설에서 발견되었지만, 숙주와의 상호작용 역할이 있는지 여부는 추가적인 연구가 진행되어야 할 부분이다.

  촌충의 낭포는 환자의 건강과 감염 위치에 따라 화학요법 또는 수술로 처리한다. 그러나 기생충의 농도에 따른 상당한 부작용이 있기 때문에, 새로운 화합물이 필요하다. 키나아제, 프로테아제, G-단백질 결합 수용체(GPCR)와 이온 채널, 새로운 잠재 약물 표적을 식별하기 위해 기존의 의약품을 조사하여 250~300가지의 새로운 단백질 효소를 확인하였다. 또 60개 이상의 G 단백질 결합 수용체와 31개의 리간드 개폐에 관련된 이온채널에서 세로토닌과 아세틸콜린의 신호경로를 확인하였다. 임상에 관련된 조충의 유충단계에서 발현 단백질에 영향을 끼치는 화합물을 알아보기 위해, 억제제와 타겟을 제거하는 물질을 필터링한 후 암의 화학적 요법에 적용하였다. 암 확산과 전이를 막으며, 주변 조직에 손상 입히지 않는 것은 어렵지만, 유사 분열의 억제와 세포 자살을 예방하는 구충 성분의 의약품(niclosamide, mebendazole, albendazole 등)은 이미 개발되어 있었다. 

맺음말

  촌충은 히포크라테스와 아리스토텔레스에 의해 역사에 기록된 첫 번째 기생충이다. 촌충 감염에 대한 안전하고 효율적인 치료는 발견되지 않았으나, 최근 세포 배양 기술과 진보된 높은 처리량의 약물 검사를 사용하여 테스트가 가능했다. 잠재적인 타겟 약물을 제공하기 위해서는 게놈 해독으로 유전자의 손실과 정확한 처방을 위한 촌충의 진화 형태를 밝혀야 한다. 이에 NGS를 이용하여 촌충의 DNA 분석을 하면, 수많은 암과 바이러스, 유충이 원인으로 발생하는 심각한 질병을 치료할 수 있는 약물을 개발할 수 있을 것이다. 이미 존재하고 있는 약물을 이용한다면 시간과 돈을 절약할 수도 있는데, 존재하고 있는 약물을 이용한 타겟을 정확히 하는 연구에도 이용될 수 있다.

참고문헌

The genomes of four tapeworm species reveal adaptations to parasitism

http://www.nature.com/nature/journal/v496/n7443/full/nature12031.html

The socioeconomic burden of parasitic zoonoses: global trends.

http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0304401711004869

http://www.who.int/neglected_diseases/diseases/en/

역저자

글 : Park.Hyeonji

편집 : Ahn.Kung

키워드 : 포충증(Echinococcosis), 낭미충증(cysticercosis), Echinococcus multilocularis(여우 촌충),E.granulosus(개 촌충), Taenia solium(돼지 촌충), Hymenolepis microstoma(인간 기생충), Caenorhabditis elegans(예쁜꼬마선충), Drosophila melanogaster(노랑초파리), Polycistron, 전사체 해독(RNA-Seq), micro exon gene, homeobox 등