한국인의 Human microbiome metagenomics 핵심연구 발굴
Core research and development of human microbiome metagenomics in Korean population

질병관리본부 국립보건연구원 메타제노믹스연구 기획위원 1)           
  

Ⅰ. 들어가는 말
   사람에 상재하는 세균은 인체를 구성하는 세포보다 열배 가량 많은 대략 1014개이며, 사람의 세포와 상호 작용을 하고 있다. 그동안 많은 연구자들은 인공적으로 배양이 가능한 미생물, 바이러스 등의 생물체에 대한 연구를 주로 수행하여 왔다. 하지만 최근에 시료 안에 존재하는 생물체의 DNA를 모두 합친 것을 의미하는 metagenome이라는 용어가 대두되면서 최근 몇 년 동안 배양이 잘 되지 않는 미생물을 연구하는 메타제노믹스(metagenomics) 분야가 주목받고 있다. 최근에는 사람의 장, 호흡기, 피부, 생식기 등의 인체 상피세포에 주로 존재하는 세균, 바이러스, 곰팡이 등의 모든 미생물군의 집합체인 human microbiome이 인체에 많은 영향을 주고 있고 질병과도 밀접한 연관이 있는 것으로 보고되고 있어서 외국에서는 metagenomics라는 기법을 이용한 연구가 활발히 진행 중에 있다[1-3]. 하지만 한국에서는 metagenomics라는 기법을 이용한 환경에 대한 연구가 일부 진행되어 왔으나, 인체에 대한 연구는 아직까지 미미한 실정이다. 이러한 국내 상황 하에 질병관리본부에서는 2011년 봄, metagenomics 기법을 이용하여 의학적인 측면에서 이용가치가 있는 기초 자료를 제공할 수 있는 연구 과제를 발굴하고자 metagenomics 연구 기획위원회를 구성하였다.
  이에 본 글에서는 향후 한국인을 대상으로 한 human microbiome metagenomics의 핵심연구 발굴을 위한 방향을 제시하고자 한다.

Ⅱ. 몸 말
  1. 연구의 필요성
  오랫동안 지속된 질병에 대한 연구는 각각의 질병에 대한 이해와 치료법 등에 있어서 비약적인 발전을 이루어 왔지만 최근의 새로운 접근 방법을 이용한 연구 결과들은 수 많은 감염 질환들이 단순히 한두 가지의 병인에 의해서 일어나는 것보다는 복잡한 병원체의 종류와 이들 병원체가 영향을 미치는 인체의 반응에 있어서 개별적 특성들이 서로 조합을 이루어 확연히 다른 결과를 보일 수도 있음을 제시하고 있다. 예를 들어 염증성 장 질환(Inflammatory Bowel Disease; IBD)은 최근 몇 년 동안의 연구에서 주로 백인에서 발생하는 유전적 특성뿐만 아니라 장내 microbiota의 구성과 이들의 변화에 의한 국지적인 감염이 보다 중요한 원인이 된다는 것이 밝혀졌다. 호흡기 질환에 있어서도 같은 바이러스나 세균이 감염되었음에도 개인에 따라 병증의 정도가 확연히 다른 이유에 대해서 여러 가지 측면으로 분석을 해보려는 시도가 있다. 질병에 대한 다양한 병인과 복잡한 영향요인의 작용을 한 번에 보다 많이 분석하고자 하는 연구 및 진단 기법이 필요해지는데, 이에 대한 대답이 될 수 있는 새로운 시도 중의 하나가 metagenome 분석을 기반으로 한 다양성의 이해이다. 차세대 염기서열 해독(next generation sequencing, NGS) 기법을 축으로 생물정보학적 분석법을 이용한 metagenome 분석을 통하여 향후 기회감염 등의 복합감염 현상이나 개인별 질병 발전 양상의 차이 등을 설명하고 치료법을 찾을 수 있는 가능성이 제시될 것으로 기대한다.

  2. 연구의 국내외 현황
  국내에서는 한국생명공학연구원과 서울대, 경희대, 중앙대 등 몇 개 대학에서 최근에 연구를 시작하고 있는 실정이지만 국외에서는 활발하게 연구가 진행되어 다수의 연구 논문을 발표하였다. 미국의 경우 2009년부터 매년 400억원의 예산을 투입하여 Human Microbiome Project(HMP)라는 프로젝트를 5년 기간으로 추진하고 있으며[3], 인체의 5개 구역(소화관, 구강, 콧속, 피부, 질)에서 채취한 세균, 곰팡이, 바이러스 게놈 900여개 중에서 178개 genome을 분석하여 2010년에 발표하였다[4]. 그 밖의 여러 나라 및 대륙에서의 연구 프로젝트 현황을 Table 1에 나타내었다.

  3. 연구 방법
  Metagenomics 연구는 현재까지 밝혀지지 않은 병원체를 규명하거나 비만 등 단순히 대사질환으로 여겨졌던 질환과 특정 병원체와의 관계를 규명하는 등 다양한 분야에 적용할 수 있으며 대표적으로 16S rDNA 서열 분석 또는 유전체 서열 해독(whole genome sequencing; WGS) 방법을 사용한다. 시료에 존재하는 총미생물의 genomic DNA를 추출한 후 PCR을 이용하여 16S rDNA 유전자를 증폭시킨다. 16S rDNA 유전자는 병원균 종마다 각기 고유한 염기서열을 가지기에 이들의 염기 서열 분석을 통하여 시료 속에 존재하는 미생물 군집의 구성을 규명할 수 있다. 또한 상당수의 배양이 어려운 미지의 세균도 분석이 가능하다는 점이 metagenomics 연구의 장점이다. 하지만 16S rDNA sequencing이 미생물 군집분석의 gold standard이지만 광범위한 microbiome 연구에 있어 민감도가 충분하지 않을 수 있다. 이러한 한계를 극복하기 위하여 Whole-genome shotgut sequencing법이 복잡한 미생물 집단의 다양성 분석에 효과적인 전략으로 이용될 수 있다. 현재 기존의 Sanger의 dideoxy chain termination (dideoxynucleotide triphosphate를 이용한 사슬종결법)을 기반으로 한 기법 외에 차세대 염기서열 해독(Next Generation Sequencing; NGS) 기술의 도입으로 짧은 시간 내에 대용량 분석이 가능하게 되어  metagenomic 연구가 활성화되는 계기가 되고 있다. Roche 454, Illumina Genome Analyzer 등이 metagenome 연구목적에 맞게 널리 사용되고 있으며, 앞으로 단분자 염기서열 해독(single molecule sequencing)을 기반으로 한 3세대 sequencing기법도 곧 상용화될 예정이다. 또한 차세대 염기서열분석법의 발전과 더불어 대용량 데이터를 신속, 정확하게 처리할 수 있는 bioinformatics 분석기법의 개발이 요구되고 있다. 방법의 전체적인 모식도는 Figure 1과 같다[5].
                             
  4. 인체 각 부위별 연구 내용
  인체의 각 부위별로 장, 호흡기, 피부, 비뇨기와 관련하여 연구되었던 내용들을 다음과 같다.
■ 장 관련 연구
  인체의 microbiome의 연구는 쥐를 이용한 실험에서 장내 microbiome과 비만의 연관성을 발표하면서 주목받기 시작하여[1] 코호트 연구를 통해 사람에게 있어서도 장내 microbiome이 비만에 영향을 준다고 보고하였다[6].
  최근에는 유럽의 연구기관이 사람들의 gut microbiota가 3가지 형태로 나누어진다고 밝혔다[7]. 유럽, 미국, 일본인들의 대변 검체에서 Sanger-sequencing 방법과 pyrosequencing 방법을 이용하여 장내 미생물군을 분석한 결과 나라와 대륙을 초월해서 3가지의 미생물 유형(enterotype, ET)으로 분류되는 것을 알 수 있었고 이는 Bacteroids가 주종인 Enterotype 1, Prevotella가 주종인 Enterotype 2, Ruminococcus가 주종인 Enterotype 3로 나눌 수 있었다(Figure 2). 이 결과로부터 앞으로 혈액형과 같이 개인에게 장내 세균총의 타입이 주어져서 맞춤형 의학의 장이 열릴 것으로 기대가 되고 있다.
  장내 질환과 관련한 연구에서는 유럽인을 대상으로 한 연구에서 건강한 사람과 IBD 환자에서의 장내 미생물총의 분포와 다양성에 있어 차이가 있으며 이러한 장내 미생물총의 변화를 통해 미래의 질병 예후와 조기 진단의 마커로 이용할 수 있음을 보여주고 있다[4]. 또한 스웨덴 쌍생아 코호트 연구에서도 IBD 질환 양상별로 미생물 균종 및 다양성 차이가 구별되었는데, 특히 질병양상에 따라 특정 세균집단의 증가와 감소가 확인되었다. 대장성 크론병 환자의 경우 건강한 사람보다 더 많은 Firmicutes phylum 계통군을 장내 미생물로 보유한 반면, 소장성 크론병 환자는 Proteobacteria phylum 계통군을 더 많이 보유하였다[8].

  최근 보고들에 의하면 세균과 바이러스 감염이 비만의 발병과 깊은 관계가 있는 것으로 알려져 있다. 미국 워싱턴 대학의 제프리 고든 교수가 2006년 Nature지에 보고한 결과에 의하면 장내에 서식하는 세균인 Firmicutes과 Bacteroidetes phylum 계통군의 구성비가 비만의 발병과 밀접한 연관이 있는 것으로 나타났다[1]. 비만인 사람의 장은 정상인보다 Firmicutes 계통군의 존재가 약 3배 더 높게 나타나는데, 이는 Firmicutes이 소화분해가 잘 안 되는 음식물을 당이나 지방산으로 분해 전환시켜 소화기관에서 이루어지는 대사를 바꾸어 지방산 등을 장내에 축적시켜 비만을 유도할 것이라 추정하였다[9]. 그에 대한 모식도는 Figure 3과 같다. 이를 통하여 식생활의 변화를 통해 저지방과 저탄수화물 섭취를 권장하여 장내 세균의 구성비를 바꾸어 비만을 억제할 수 있을 것으로 기대한다.
                              
■ 호흡기 관련 연구
  최근 들어 사람의 호흡기계 분비물에 존재하는 미생물 군집 분석에 대한 연구들이 보고되고 있다. 생후 18개월의 건강한 어린이 96명의 비인두 흡입물(nasopharyngeal aspirate)에 존재하는 미생물 군집을 분석하였을 때 13개의 phyla와 약 250개의 species-level phyla type이 있었고 이 중에서 우세한 phyla는 Proteobacteria(64%), Firmicutes(21%), Bacteriodetes(11%), Acinobacteria(3%), Fusobacteria(1.4%)임이 보고되었다[10]. 또한, 어린이 중이염 환자의 상기도 호흡기계에 존재한 미생물 군집 분석에서 Haemophilus, Actinomyces, Rothia, Neisseria, Veillonella 등의 관련 가능성을 제시하였고[11], 낭포 섬유증(cystic fibrosis) 환자의 객담에서는 13개의 균종이 배양되었으나, 유전자 분석으로 53개 종을 검출하였다[12]. 이외에도 담배, 흡연자들의 상기도 호흡기계 분비물에 존재하는 미생물 군집을 분석한 연구보고도 있다[13, 14]. 그러나 이들 미생물 군집의 역할, 기능 등에 대한 연구나 평가는 미비한 실정이며, 국내에서도 이에 대한 연구는 거의 이루어지지 않고 있다.

■ 피부 및 비뇨기 관련 연구
  피부 질환을 이해하고 새로운 치료법을 개발하는 것을 목적으로 한 연구에서는 여드름과 아토피성 피부염(습진) 등 환자의 피부 조직에 존재하는 microbiota의 다양성을 발견하였다[15]. 비뇨기 관련 연구는 주로 여성의 vaginal microbiota(질내 미생물총)에 집중되어 있다. 한 연구의 예에서 북미의 무증상 여성 396명( 4개 인종 : 백인, 흑인, 히스패닉, 아시아)의 다양한 vaginal microbiota를 발견하였다. Lactic acid를 생산하는 Lactobacillus spp.(Lactobacillus iners, L. crispatus, L. gasseri, L jensenii) 주로 확인되었고 다음은 lactic acid를 생산하지 않는 혐기성 세균이었다[16]. 세균성 질염을 일으키는 혐기성 세균은 정상적으로 여성의 질 내에 존재하는 전체 세균의 약 1% 미만을 차지하고 있지만, 세균성 질염에 걸린 경우에는 100 - 1,000배 정도 증가하며 정상 유산균은 없어지게 된다.

Ⅲ. 맺는 말

  국내에서는 Human Microbiome Project 국제 컨소시엄에서 제대로 역할을 하고 있지 못하고 있는 실정으로 빠른 시일 내에 관련 연구 지원 계획이 수립되고, 연구가 시작되어야 할 것으로 판단된다. 이에 metagenomics 연구개발은 국가적 차원에서 다루어야 할 분야라고 생각한다.
  Metagenomics 방법을 통해 인체에 존재하는 미생물들의 다양성과 복잡성이 알려지게 되었다. 향후 이러한 연구를 기반으로 하여 이들 미생물 상호간의 관계, 사람과 미생물의 관계에 있어서 다양한 미생물들의 질병과의 연관성을 집중적으로 연구하여야 할 것이다. 인체 부위별 미생물 군집 분석을 통하여 microbiota의 변화와 연관된 질환예측모델 및 다양한 바이오마커를 개발함으로써 감염 질환에 대한 새로운 치료 전략을 구상할 수 있을 것이다. 이와 같이 개발된 metagenomics 연구는 향후 microbiome의 분자유전학적 마커를 이용한 질병의 진단 및 조절을 통한 건강증진을 도모하는데 큰 기여를 할 수 있으리라 본다.
  또한 최근 문제점으로 부각되고 있는 원인미상이나 미확인 감염질환에 대한 광범위하고 신속한 초기 진단법을 개발함에 있어서 관련 metagenome 분석을 통한 장내 또는 호흡기 병원체의 신속 다중진단 방법을 구상해 보는 것도 새로운 연구방향의 하나가 될 수 있을 것이다.
최종적으로, metagenome 분석과 데이터의 응용을 통한 연구를 수행함으로써 향후 개개인의 생리학적, 면역학적 차이와 각각의 microbiota 군집의 구성 차를 고려한 맞춤형 의학의 토대를 마련하는 것도 기대할 수 있을 것이다.

1) 메타제노믹스 연구 기획위원 : 조성학, 조성범(장내세균과), 여상구, 이준우(간염폴리오바이러스과), 홍기종(인플루엔자바이러스과),
                                            김화수(약제내성과), 이혜경(결핵호흡기세균과)

Ⅳ. 참고문헌

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2. Turnbaugh, P.J., R.E. Ley, M. Hamady, C.M. Fraser-Liggett, R. Knight, and J.I. Gordon. 2007. The human microbiome project. Nature. 449:804-810.
3. The NIH NMP Working Group. The NIH human microbiome project. Genome Res. 2009:19:2317-2323.
4. Qin J, Li R, Rases J, et al. A human gut microbial gene catalogue established by metagenomic sequencing. Nature. 2010:464:59-65.
5. Petrosino J.F., Highlander S., Luna R.A., Cibbs R.A., and Versalovic J., 2009. Metagenomic Pyrosequencing and Microbial Identification. Clinical Chemistry 55:856-866
6. Turnbaugh, P.J., M. Hamady, T. Yatsuneko, B.L. Cantarel, A. Duncan, R.E. Ley, M.L. Sogin, W.J. Jones, B.A. Roe, J.P. Affourtit, M. Egholm, B. Henrissat, A.C. Health, R. Knight, and J.I. Gordon. 2009. A core gut microbiome in obese and lean twins. 457:480-4.
7. Arumuqam M et al. Enterotypes of the human gut microbiome. Nature. 2011:473:174-80.
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9. Turnbaugh. P.J., R.E. Ley, M.A. Mahowald, V. Magrini., E.R. Mardis, J.I. Gordon. 2006. An obesity-associated gut microbiome with inceased capacity for energy harvest. Nature. 444: 1027-1031.
10. Bogaert, D., B. Keijser, S. Huse, J. Rossen, R. Veenhoven, E. van Gils, J. Bruin, R. Montijn, M. Bonten, and E. Sanders. 2011. Variability and diversity of nasopharyngeal microbiota in children: a metagenomic analysis. PLoS ONE. 6:1-8.
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14. Charlson, E.S., J. Chen. R. Custers-Allen, K    . Bittinger, H. Li, R. Sinha, J. Hwang, FD. Bushman, and RG. Collman. 2010. PLoS ONE. 5:1-7.
15. Grice EA, Kong HH, Ren G, Young AC, NISC Comparative Sequencing Program, Bouffard GG, Blakeslew RW, Wolfsberg TG, Turner ML, Segre JA. A diversity profile of the human skin microbiota. Genome Res. 2008:18:1043-50.
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