국내 백일해 분리균주의 유전형 변이 현황

Genotype variation of domestically isolated Bordetella pertussis

 국립보건연구원 감염병센터 결핵·호흡기세균팀   

Ⅰ. 들어가는 말
     백일해는 원인균인 Bordetella pertussis에 의해 인후부가 감염되어 발병되는 급성 질환으로 영아를 비롯 유·소아에서 주로 발병되는 호흡기 전염병이다. 감염 후에는 평균적으로 7-10일간의 잠복기를   거쳐 카타르기, 경해기, 회복기의 3단계 임상 증상을 나타내며 회복된다. 카타르기는 발병 후 1-2주간 지속되며 콧물, 결막염, 눈물, 경미한 기침, 미열 등의 가벼운 감기증세를 나타내고, 경해기는 발병 후  2주 말부터 시작되어 약 2-4주간 지속되는데, 특징적인 발작성 기침이 1분 이상 지속되며 기침 끝에 구토와 점액성 가래를 동반하게 된다. 또한 기침에 의한 호흡곤란으로 청색증을 유발하기도 한다. 회복기는 경해기 이후 기침의 정도와 빈도가 1-2주에 걸쳐 점차적으로 감소하면서 회복되는 시기이다. 백일해에 의한 사망은 주로 호흡기계 합병증에 의한 것으로 알려져 있으며, 특히 폐렴은 백일해에 의한   사망 중 약 54%를 차지하는 주요 원인이다. 이외에 무기폐, 저산소증, 백일해 독소에 의한 급성 뇌증, 중이염, 구토에 의한 영양부족 및 탈수, 발작성 기침에 의한 기흉, 탈장, 비출혈, 경막하출혈 등이 주요 합병증이다[1].
  이러한 백일해는 백신접종에 의해 예방 및 관리가 가능한 전염병이며, 백신 도입 이후 전세계적으로 백일해 발생률은 크게 감소되었으나, 1995년 이후에는 연도별로 약 10-15만 건의 범위로 유지되면서 2-3년 주기의 일시적인 발병 증가 양상이 확인되고 있다[2]. 이러한 증가 양상은 백신접종률(DTP3)이 95% 이상을 유지하는 미국, 캐나다, 호주, 일본, 영국 등 선진국에서도 확인할 수 있으며, 특히 호주, 코스타리카, 미국, 일본, 아르헨티나, 콩고, 노르웨이, 하이티, 북한 등 21개 국가는 2006년까지 뚜렷한 백일해 발병률 증가 추세를 나타내고 있다. 국내의 경우, 1981년 이후 지속적인 백신접종이 수행되어 발생건수가 연간 10여건으로 크게 낮아졌으나, 1995년 이후 발생 증가가 관찰된 해는 1997년 13건, 2000년 28건, 2002년 21건, 2006년 17건으로 2-3년 주기의 소규모 발병 증가가 관찰되고 있다[3]. 그러나 백일해의 임상특성상 실험실 진단없이 임상적 진단만으로는 발생 신고가 어려워 정확한 환자   규모는 파악하기 어려운 실정이다.
  이처럼 백일해 발병증가 양상은 백신접종률이 낮은 국가들은 물론 높은 국가들에서도 공통적으로   발생하고 있으나, 그 발병률 증가 원인에 대해서는 명확하게 알려져 있지 않다. 추정되는 주요 원인들로서는 첫째, 현재 사용되는 정제백일해 백신의 방어능이 제한된다는 것, 둘째, 균종의 변이가 발생하여 기존 백신의 방어영역을 벗어난다는 것[4, 5, 6], 셋째, 백일해의 감염대상이 유아에서 청소년 및 성인으로 확대되고 이들의 사회활동으로 인해 전파력이 증가한다는 것이다[7]. 이러한 원인들 중에서 정제백일해 백신의 방어영역에 대한 부분은 전균체 사백신을 사용하는 국가에서도 유사한 발병증가가 확인되어 백신종류에 따른 현상은 아닌 것으로 추정되고 있다. 현재까지는 유전형에 대한 변이균종의 출현 부분에 대한 연구가 중점적으로 수행되어 왔는데, 초기에는 Pulsed-Field Gel Electrophoresis (PFGE) 유형의 분석 자료를 기반으로 하여 수행되어 왔으나 최근에는 DNA 염기서열 분석을 기반으로 특정   항원결정기 유전자의 유전자 변이를 분석하는 연구가 수행되고 있다. 또한 유아를 제외한 연령층의 백일해 발병 증가와 관련된 부분은 청소년 및 성인 백일해의 경미한 임상증상과 진단과정상의 어려움   때문에 최근 들어 연구가 수행되기 시작하고 있다.
  따라서 본 연구에서는 국내에서 분리된 백일해 임상균주를 확보하여 주요 항원결정기 유전자에 대한 유전형 분포를 확인하였고, 이를 Multi-Locus Sequence Typing(MLST) 방법으로 분석하여 자료화함으로써 균주 변이 추세 파악과 변이 균주의 출현을 조기에 확인할 수 있는 근거자료를 축적하고자 하였다.   

Ⅱ. 몸 말

  분석은 1999년 이후 국내에서 분리되어진 전체 임상분리균주(58주)와 백신접종 이전의 대조군으로서 1968년과 1972년에 분리된 5개 균주와 백신주 등 3개의 국외 참조균주를 대상으로 하였다. 유전형  분석은 균체 표면에 위치하여 면역반응과 관련된 항원결정기로 알려져 있는 중요 표면항원 유전자를  대상으로 하였다. 백일해의 항원결정기와 관련된 유전자로서는 Pertussis toxin(ptxS1), Pertactin(prn), Filamentous hemagglutinin(fha), Fimbriae2(fim2), Fimbriae3(fim3), Outer-membrane protein Q(ompQ), Bordetella autotransporter protein C(bapC), Adenylate cyclase toxin(cyaA), Virulence-activated gene(vag8), Tracheal colonizing factor(tcfA)등이 알려져 있으며[10], 각각에 대한 유전형은 1-11가지로 유전자에 따라 다양한 것으로 보고되어 있다. 
  연구 결과, 항원결정기 유전자로 조사된 10개 유전자 중에서 PtxS1과 Fim3를 제외한 다른 유전자들은 housekeeping 유전자와 마찬가지로 분화도가 낮은 것으로 확인되었다(Table 1). 단일 유전형을   나타낸 Fim2를 제외한 8개 중 7개 유전자들은 대부분 2개의 유전자형을 나타냈지만 한가지 유전형이 96% 이상을 차지하고 있는 것으로 보아 실질적 분화도는 낮은 것으로 판단된다. 그러나 Fim3 유전자는 type 1이 21.3%, type 2가 78.7%로 유전형의 변이 빈도가 유의하게 증가되어 있음을 확인할 수  있고, PtxS1 유전자의 경우는 4개 유전형이 분포하는 것으로 확인되어 다양하게 분화된 것임을 알 수 있다.

 
  국내에 유행하는 백일해 임상 분리균주 집단의 유전형 프로파일은 5개 유형으로 구분되는 것이 확인되었고 이중 type 1 profile이 79.6%로 가장 높은 빈도를 나타내었다(Table 2). Table 2에서 볼 수  있듯이 항원결정기 유전자 부분에서는 OmpQ, BapC, CyaA, Vag8, TcfA 유전자들 보다는 PtxS1, Prn, FHA, Fim2, Fim3 등의 백신 구성성분 단백질의 변이가 유전형 profile의 결정에 주로 영향을 미치는 것으로 확인되었다. 특히 PtxS1, FHA, Fim3 유전자의 경우, 국내 분리균주는 백신주인 Tohama I strain과는 다른 유전형을 나타내는 것으로 확인되었다.

또한 PtxS1과 Fim3 유전자의 유전형은 1968/1972년도에 분리된 과거 참조균주와 비교했을 때, 분리시기에 따른 변이를 확인할 수 있다(Table 3). Table 3을 보면 PtxS1과 Fim3는 과거 참조균주에서는 백신주와 같은 유전형을 나타내는데 비해 1999년 이후 분리된 균주들에서는 백신과 다른 유전형을 나타내고 있다. 이와같은 결과는 agglutinogen에 대한 혈청형 분석결과 1999년 이후 분리된 균주들에서 백신주의 Agg 1,2 와는 다른 혈청형의 균주 비율이 72%를 차지하고 있음을 보고했던 본 팀의 분리균주의 혈청형 변이 현황 조사 결과와도 유사한 것이다[12].

Ⅲ. 맺음말

   본 연구는 백일해 원인병원체인 B. pertussis의 유전자형 변이 추세파악을 위해 DNA 염기서열 기반 유전형 분석방법인 MLST법을 적용하여 분석하였다. 그 결과 국내에 유행하는 백일해 임상균주들은 상관성이 높은 단일 집단으로 추정되었으며, 분석된 유전자들 중 정제백일해 백신의 중요 구성성분인 pertussis toxin의 subunit 1에 대한 유전자 PtxS1에서 4가지의 유전형이 확인되어 가장 많은 다형화 양상을 확인할 수 있었다.
  일반적으로 변이균종의 출현은 임상 유행균주가 돌연변이 혹은 유전자재조합 과정을 거쳐 다른 유전형과 표현형을 가지게 되거나, 기존에 여러 유전형과 표현형이 존재하는 균종 집단에서 백신균주와 다른 형의 균종이 자연선택 되는 두 가지 유형에 의한 것으로 알려지고 있는데 어떠한 방식이 우세하게 진행되는지는 정확하게 알려져 있지 않다. 그러나 B. pertussis는 Multi-Locus Enzyme Electrophoresis (MLEE) 분석을 통해 전세계적으로 오직 4개의 유형만이 확인되고, housekeeping gene에 있어서도 거의 변이가 발견되지 않는 등 매우 낮은 다형화 특성이 보고되어 있어 변이가 거의 없는 동종 집단인 것으로 알려져 왔다[8].
  그러나 최근 MLST 분석을 통해 항원결정기 유전자에 대한 변이가 보고되고 있고 이는 병원균의   백신에 대한 능동적인 적응의 결과로 추정되고 있는데, 실제 많은 해외 보고사례에 따르면 현재 유행균주들은 백신으로 사용되는 균주와는 다른 항원결정기 유전자를 가지는 것으로 알려지고 있다[4, 5, 6]. 이러한 변이유형은 현재 면역도 90% 이상인 선진국에서 백일해 발병 증가의 중요 원인으로 추정되고 있다. 이번 연구결과로 미루어 볼 때, 국내에서도 향후 백일해 발병 증가 가능성이 있을 것으로 추정되므로 백일해 의심환자로부터의 병원체 분리동정과 변이 특성분석을 지속적으로 수행하여야 할 것으로 본다.

※ 백일해가 의심되는 환자가 있을 경우, 해당 시·도 보건환경연구원에 시험의뢰(PCR 및 배양검사)   하면 검체채취 방법 및 수송방법에 대한 안내와 신속한 검사결과를 확보할 수 있다. 백일해 환자로 판명되었을 경우에는 환자 가족 등 접촉자 조사를 실시하여야 한다.

Ⅳ. 참고문헌
  1. Centers for Disease Control and Prevention. Guidelines for the Control of Pertussis Outbreaks. Centers for Disease Control and Prevention:
      Atlanta, GA, 2000.
  2. WHO. WHO vaccine-preventable diseases:monitoring system; 2007 global summary. WHI/IVB/2007,
  3. 질병관리본부. 실험실진단을 중심으로 살펴 본 최근 국내 백일해 발생 동향. 전염병발생정보(CDMR), 2007.
  4. Tsang, R.S., Lau, A.K., Sill, M.L., Halperin, S.A., Van, Caeseele, P., Jamieson, F. and Martin, I.E. 2004. Polymorphisms of the fimbria fim3 gene of
      Bordetella pertussis strains isolated in Canada. J. Clin. Microbiol. 42:5364-5367.
  5. Packard, E.R., Parton, R., Coote, J.G. and Fry, N.K. 2004. Sequence variation and conservation in virulence-related genes of Bordetella pertussis 
      isolates from the UK. J. Med. Microb. 53:355-365.
  6. Mastrantonio, P., Spigaglia, P., van Oirschot, H., van der Heide, H.G., Heuvelman, K., Stefanelli, P. and Mooi, F.R. 1999.  Antigenic variants in
      Bordetella pertussis strains isolated from vaccinated and unvaccinated children. Microbiol. 145:2069-2075.
  7. Campos-Outcalt, D. 2005. Pertussis: A disease re-emerges. J. Fam. Pract. 54(8):699-703.
  8. Musser, J.M., Hewlett, E.L., Peppler, M.S. and Selander, R.K. 1986. Genetic diversity and relationships in populations of Bordetella spp. J. Bacteriol.
      166:230-237.
  9. van Loo, I.H.M., Heuvelman, K.J., King, A.J. and Mooi, F.R. 2002. Multilocus sequence typing of Bordetella pertussis based on surface protein gene.
      J. Clin. Microb. 40:1994-2001.
  10. Smith, A.M., Guzman, C.A. and Walker, M.J. 2001. The virulence factors of Bordetella pertussis: as matter of control. FEMS Microb. Rev. 25:309-333.
  11. Diavatopoulos, D.A., Cummings, C.A., Schouls, L.M., Bring, M.M., Relman, D.A. and Mooi, F.R. 2005. Bordetella pertussis, the  causative agent of
        whooping cough, evolved from a distinct, human-associated lineage of B. bronchiseptica. PLoS Pathog. 1(4):373-383.
  12. 질병관리본부 감염병센터 결핵호흡기세균팀. 국내 분리 백일해균의 혈청형 변이 분석. 주간건강과질병(PHWR), 1(37), 2008.