[감염병학] 사람 마이크로바이옴

마이크로바이옴은 특정 환경에 서식하는 미생물의 총합을 의미한다. 사람은 약 40조 개의 세균과 함께 살아가므로 본질적으로 혼자가 아닌 존재이다.

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마이크로바이옴 소개

- good, benign, deadly microbes가 있다. 1635년 현미경 발견 이후 미생물의 세계를 관찰 가능해졌다.

- 미생물들은 질소 고정, 빛 내기, 셀룰로오스 소화 등 동식물 내에서 다양한 기능대리를 한다.

- 마이크로바이옴이란 미생물무리(microbiota) 내 게놈의 집합체 또는 미생물무리를 뜻한다.

- 핵심 마이크로바이옴(공통적으로 가짐, 많음)과 2차 마이크로바이옴(개인의 고유한 다양성에 기여, 적음)으로 나뉜다.

- probiotic(유익생균제), prebiotic(유익균먹이) 구분하여 알아둔다.

- 생어 방식 vs NGS(DNA를 자르고 adaptor 붙이고 읽고 분석)

 

사람 마이크로바이옴

- 위에 나왔듯 핵심과 2차로 나뉜다. 핵심 마이크로바이옴은 입>코>장>피부>질 순서로 많으며 이는 HMP의 시료 채취 부위이기도 하다.

  암기 : 입으로 음식을 먹으니 가장 많다. 그 뒤는 꼬장 부리는 비실이 ~> 코, 장, 피부, 질로 외운다.

 

피부

- 공통적으로 지질 성분을 좋아하고 땀의 염분을 견딜 수 있다.

  * 황색포도알균은 mannitol salt agar(7.5% NaCl)에서 selective하게 살아남는다.

- corny와 propion 여드름 유발 가능

- 표피포도알균이 가장 많음

- 황포(황색포도알균)은 횡포를 일으킨다. 즉 질병을 일으킨다. coagulase(+)

- 접히는 곳에는 곰팡이, 효모도 있다.(fungi, yeast in skin folds)

- 외이도, 생식기 등 피지선에는 항산성 mycobacterium이 산다.

- 고세균도 4.2% 정도

  전체적인 암기 : propion/bacteriaceae는 피지를 먹고 산다. 둘 다 'ㅍ'이다. / 습하면 staphyl이 산다. / 둘 다 'ㅅ'이다. 건조하면 proteo가 산다. 건조한 프로틴 가루를 연상한다.

 

구강과 상기도

- 신생아에게 분포하는 마이크로바이옴 : 질을 통해 나온 신생아는 질(lactobacilus, prevotella) / 제왕절개로 나온 신생아는 피부(staphyl, coryne, propioni)

- 상기도에는 포도알균, 사슬알균, corynebacterium, haemophilus가 있다.

  암기 : 상기도 감염은 순천향(SCH)에서 잘 본다 ~> Staphyl/strepto, Coryne, Haemo

- 상기도는 viridans streptococci가 출생 4-12시간 내 우점종이 되어 평생 유지된다.

- 구강은 생애 초기 staphylococci, neisseria 등 쌍알균 정착하고, candida 종의 효모도 존재

- 인두에는 nonhemolytic 또는 alpha-hemolytic streptococci 존재

- 건강한 폐는 low microbial density를 가지지만 high diversity가 있다.

- 구강의 streptococcus mutans는 당을 대사하여 산을 만들어 충치를 유발한다. 이로 인해 late colonizer인 lactobacillus, veillonella가 정착한다. 

 

장관면역

- 양성 정착자는 병원체 정착을 박고 mucin, IgA, 향균 펩타이드 등을 생산하여 면역 성숙화를 유도하는 중요한 기능을 한다.

- 위에는 항산성 세균들이 산다.(lactobacilli, H. pylori)

  * lactobacillus는 산성을 잘 견디므로 구강의 late colonizer라고 언급했다.

- 대장에는 가장 많고 다양한 미생물이 산다. verruco, akkerman 등 좋은 것도 있는데 공통적으로 mucin 일부 분해하여 영양분으로 사용한다.

  * akkermansia muciniphila는 이름처럼 mucin을 좋아하여 분해한다. GLP-1을 만들어 식욕을 억제시키는데 이것을 위고비로 사용한다. 지나치게 증식하면 점액 분해되어 장벽층 파괴된다.

- prevotella 과증식 ~> chemokine에 의한 염증 증가

- 괴사성 장염(NEC) : 조기엔 Firmi우세, 후기엔 Entero우세

 

정상균무리에 의해 병원성세균 증식이 억제되는 기전

- 숙주세포 표면에 경쟁적으로 작용

- 영양분을 대신 사용

- 대사산물에 의해 억제

- 항균물질(bacteriocin)

  암기 : 정상수와 이영표가 대항전을 펼쳤다. ~> 정상 영표 대항 ~> 정상균무리가 억제하는 기전(대분류), 영양분, 표면에서 경쟁적, 대사산물, 항균물질

 

질문과 답변

1. 사람 마이크로바이옴 프로젝트(Human Microbiome Project)의 목적과 주요 분석 부위, 그리고 사용된 핵심 기술에 대해 설명하시오.

사람 마이크로바이옴 프로젝트는 2007년에 시작되었으며, 건강한 성인에 서식하는 미생물 집단의 유전적 구성을 분석하는 것을 목적으로 했습니다. 코, 입, 피부, 내장(장관), 질의 5개 부위에서 시료를 채취하여 미생물을 동정했으며, 이를 위해 미생물 종마다 보전적으로 유지되는 16S 리보솜 RNA 유전자의 표적 영역을 염기서열 분석하는 기술을 사용했습니다.

  * 2003년 게놈 프로젝트로 인간 유전자지도를 완성했다. 지금은 마이크로바이옴 프로젝트를 진행하여 미생물들의 유전정보까지 알아내는 중이다. 

2. 출생 방식(자연분만 vs. 제왕절개)이 신생아의 초기 마이크로바이옴 구성에 미치는 차이점을 설명하시오.

질을 통해 태어난 신생아는 모체의 질 마이크로바이옴과 유사한 균(예: Lactobacillus, Prevotella)을 보유하게 됩니다. 반면, 제왕절개를 통해 태어난 신생아는 모체의 피부 마이크로바이옴과 유사한 균(예: Staphylococcus, Corynebacterium)을 보유하게 되어 초기 미생물총 구성에서 뚜렷한 차이를 보입니다.

3. 정상 피부 미생물총이 병원성 세균인 황색포도알균(Staphylococcus aureus)의 정착을 억제하는 기전을 두 가지 이상 설명하시오.

피부의 정상균인 Staphylococcus epidermidis는 Staphylococcus aureus와 영양분 및 서식지를 두고 경쟁하여 정착을 방해합니다. 또한, Staphylococcus lugdenensis나 hominis 같은 다른 정상균들은 항생제 성분을 직접 만들어내어 aureus의 증식을 억제하기도 합니다.

  암기 : 황포(황색포도알균)는 횡포를 부리기 때문에 정상세균총이 진압한다. (1)피부에 가장 많은 표피포도알균이 경쟁관계로 억제하거나, (2)비병원성균이 항생제 성분을 만들거나, (3)미생물총이 면역반응 자극해서 항미생물 펩타이드를 분비하기도 한다.

4. 군집붕괴(dysbiosis)란 무엇이며, 이와 관련된 질병의 예를 세 가지 이상 드시오.

군집붕괴(dysbiosis)는 정상 미생물 무리의 균형이 깨져 부적절한 세균의 성장을 허용하여 질병으로 이어지는 상태를 의미합니다. 이와 관련된 질병으로는 항생제 연관 대장염, 궤양성 대장염(Ulcerative colitis), 셀리악병(Celiac disease), 피부 아토피, 질염 등이 있습니다.

  * 염증성 장질환 중 크론병은 대식세포가 관여하며 소화관 전체에 영향을 준다. 궤양성 대장염은 중성구가 관여하며 대장의 하행부에 피해를 준다.

  * 항생제를 남용하면 항생제 내성 Clostridioides difficile(그람양성 막대균, 무산소균, 아포형성균)이 과다 증식한다.

  암기 : 군 항궤셀피찔 ~> 군중은 항상 궤상한 셀피를 찔(찍)는다. ~> 군집붕괴(대분류), 항생제 연관 대장염(difficile), 궤양성 대장염, 셀리악병, 피부아토피, 찔염 / 염장 크대전 ~> 염장이 끝나면 크보 야구경기를 보러 대전에 가자 ~> 염장(염증성 장질환, 대분류 암기) 크대전(크론병-대식세포-전체 대장)이므로 상반되는 개념은 궤양성 대장염-중성구-하행부 대장

5. 장관 내에 존재하는 '양성 정착자(benign colonizer)'의 유익한 역할 세 가지를 설명하시오.

장관의 '양성 정착자'는 병원성 미생물이 정착하지 못하도록 보호하고, 숙주가 합성하지 못하는 비타민 B12와 K 같은 영양소를 공급합니다. 또한, 유익한 대사체를 만들어 상피세포의 건강을 향상시키고, 면역계를 조율하여 면역관용과 염증 반응 사이의 균형을 수립하는 역할을 합니다.

6. 정상균 무리가 기회감염을 일으키는 두 가지 주요 기전을 설명하고, 각각의 예를 드시오.

첫째, 신체의 면역력이 저하되면 정상균이 질병을 일으킬 수 있습니다. 영양부족, 암, 면역억제제 사용 등이 원인이 될 수 있습니다. 둘째, 정상적으로 상주하던 부위를 벗어나 다른 무균 조직으로 도입될 때 감염을 일으킵니다. 예를 들어, 구강에 존재하는 녹색 사슬알균이 혈액으로 들어가 감염성 심내막염을 일으키거나, 대장에 존재하는 Bacteroides fragilis가 복막염을 유발할 수 있습니다.

  * 장독소 생산성 bacteroides fragilis는 대장암을 유발할 수 있다.

  * 기회감염은 숙주 면역력 저하, 다른 부위로 이동했을 때 발생한다고 배웠다.

7. 메타유전체학에서 사용되는 두 가지 주요 시퀀싱 접근법(Amplicon vs. Whole genome)의 차이점을 설명하시오.

Amplicon 시퀀싱(예: 16S rRNA 유전자 시퀀싱)은 특정 유전자(세균의 경우 16S rRNA)만을 증폭하여 분석하는 방법으로, 미생물의 다양성 및 분포 연구에 적합하며 비용이 저렴합니다. 반면, Whole genome 시퀀싱(예: 샷건 시퀀싱)은 샘플 내 모든 미생물의 전체 유전체를 분석하여 환경 내 기능 연구에 적합하지만, 비용이 비싸고 데이터 분석이 복잡합니다.

8. 작은 사슬 지방산(SCFA)이 장 내에서 생성되는 과정과 그 주요 기능에 대해 설명하시오.

작은 사슬 지방산(SCFA)은 장내 세균(주로 Bacteroid/etes, Firmicutes)이 인체가 소화하지 못하는 셀룰로오스와 같은 복합 탄수화물(셀룰로오스)을 분해하여 생성하는 대사산물입니다. 아세테이트(Acetate), 프로피온산(propionic acid), 부티레이트(butyrate) 등이 있으며, 병원성 세균의 성장을 제한하고 숙주의 영양원으로 사용되는 등 중요한 기능을 수행합니다.

  암기 : 작은사슬지방산은 작은 나비(BF)와 같다 ~> Bacteroidetes(박테로이데테스), firmicutes(펄미큐츠)

9. 개인의 마이크로바이옴 구성에 영향을 미치는 요인을 5가지 이상 열거하시오.

개인의 마이크로바이옴 구성에 영향을 미치는 요인으로는 개인위생, 기후(온도, 습도), 식이요법, 상수원, 의약품(특히 항생제) 사용, 환경독소 노출, 나이, 성별, 유전적 요인 등이 있습니다.

10. 장내 세균인 Akkermansia muciniphila의 주요 특징과 기능, 그리고 관련 질병에 대해 설명하시오.

Akkermansia muciniphila는 정상적인 장내 마이크로바이옴의 일부로 2004년에 발견되었습니다. 이 세균은 장 점액(mucin)을 분해하여 탄소원과 질소원으로 사용하며, 장관 면역반응의 항상성을 조절하고 과도한 염증을 억제하는 역할을 합니다. 비만, 당뇨, 암 등 다양한 질병과 연관이 있으며, 지나치게 증식할 경우 점액층을 파괴하여 장벽 기능을 손상시킬 수도 있습니다.

 

주요 용어 정리

마이크로바이옴 (Microbiome)
특정 환경에 존재하는 미생물(세균, 바이러스, 곰팡이 등)의 총합. 인체의 경우 약 40조 개의 세균과 30조 개의 인체 세포로 구성된 복합 생명체로 간주된다.

메타유전체학 (Metagenomics)
특정 환경 샘플(토양, 물, 인체 시료 등)에 존재하는 모든 미생물을 배양하지 않고, 유전체(DNA)를 직접 추출하여 분석하는 연구 분야. (cf. amplicon은 특정 유전자를 증폭하여 분석한다.)

  * 즉 배양 과정을 거치지 않고 바로 DNA를 추출한다.

기회 감염 (Opportunistic infection)
정상균 무리가 평소에는 질병을 일으키지 않다가, 숙주의 면역력이 저하되거나 정상 서식지를 벗어났을 때 질병을 유발하는 현상.

통생명체 (Holobiont)
숙주와 그 안에 공생하는 모든 미생물 군집을 하나의 생물학적 단위로 보는 개념. '초유기체'라고도 한다.

사람 마이크로바이옴 프로젝트 (Human Microbiome Project)
2007년에 시작된 국제 연구 프로젝트로, 건강한 성인의 신체 5개 부위(코, 입, 피부, 내장, 질)에 서식하는 미생물 군집의 유전적 구성을 분석했다.

16S 리보솜 RNA 유전자 (16S ribosomal RNA gene)

세균 및 고세균이 공통으로 가지고 있으며, 종마다 염기서열에 고유한 차이가 있어 미생물 동정 및 분류에 표식자(marker)로 사용되는 유전자. Large 50S + Small 30S = ribosome 70S인데 이 중 small subunit이 16S rRNA이다. host DNA가 같이 증폭될 가능성이 적다. 분석하기에 저렴하다.

샷건 시퀀싱 (Shotgun sequencing)

긴 DNA 가닥을 무작위로 잘게 조각낸 뒤, 각 조각의 염기서열을 분석하고, 중첩되는 부분을 컴퓨터로 조합하여 원래의 전체 염기서열을 재구성하는 방법. host DNA를 제거해야 한다. 비싸다.

  * 즉 rRNA는 host DNA가 같이 증폭되지 않고 저렴하다. 샷건 시퀀싱은 그 반대다.

생어 시퀀싱 (Sanger sequencing)
1977년 개발된 고전적인 DNA 염기서열 분석법. 형광 표지된 염기를 이용하여 DNA 합성을 특정 지점에서 중단시키고, 생성된 다양한 길이의 DNA 조각들을 분석하여 서열을 해독한다.

NGS (Next-Generation Sequencing)
차세대 염기서열 분석법. DNA를 잘게 쪼개어 수많은 조각을 동시에 병렬로 분석함으로써 방대한 양의 염기서열 데이터를 빠르고 저렴하게 생산하는 기술.

  * 차세대 기술답게 배양이 필요없다.

핵심 마이크로바이옴 (Core microbiome)
특정 신체 부위에서 95% 이상의 개체에게 공통적으로 존재하는 미생물 종들. 전체 집단의 대다수를 대표하며 필수적인 대사 및 면역 기능을 제공한다.

2차 마이크로바이옴 (Secondary microbiome)
소수의 개체만이 공유하는, 적은 숫자의 다양한 미생물 종들로 구성된다. 개인 간의 미생물 다양성에 기여한다.

군집붕괴 (Dysbiosis)
항생제 사용, 식습관 변화 등으로 인해 정상 미생물 무리의 구성과 균형이 깨진 상태. 다양한 질병의 원인이 될 수 있다.

유익생균제 (Probiotics)
섭취했을 때 장에 정착하여 건강에 유익한 효과를 주는 살아있는 세균이나 효모의 혼합물. (예: Bifidobacterium, Lactobacillus)

  암기 : 프로바이오틱스라고 홍보하는 요구르트(유산균 그 자체)를 떠올린다.

유익균먹이 (Prebiotics)
장내 유익한 박테리아의 생장을 선택적으로 돕는 난소화성 식품 성분. 유익균의 영양원이 되어 장 내 환경 개선에 도움을 준다. (예: 이눌린, 올리고당)

  암기 : 유익생균제와 비교하여 알아둔다. 미생물에게 주는 먹이다.

작은 사슬 지방산 (SCFA, Small Chain Fatty Acid)
장내 세균이 복합 탄수화물을 발효하여 생성하는 주요 대사산물. 아세테이트, 프로피온산, 부티레이트 등이 있으며, 병원균 성장 억제 및 숙주 에너지원으로 기능한다.

Akkermansia muciniphila
장 점액(mucin)을 분해하여 살아가는 대표적인 장내 공생균. 장벽 기능 유지와 면역 항상성 조절에 중요한 역할을 하는 것으로 알려져 있다.

Clostridioides difficile
일부 건강한 사람의 장에도 존재하지만, 항생제 사용으로 장내 환경이 파괴되면 과증식하여 독소를 분비하고 심각한 설사와 대장염을 유발하는 병원균.

메타유전체 (Metagenome)
특정 환경에 혼합되어 있는 다양한 미생물 군집으로부터 직접 얻은 유전 정보의 총합.