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국내 백일해 분리균주에서 확인된 백일해 독소 프로모터(ptxP) 영역의 변이 현황
  • 작성일2012-09-11
  • 최종수정일2012-09-24
  • 담당부서감염병감시과
  • 연락처043-719-7179



국내 백일해 분리균주에서 확인된 백일해 독소 프로모터(ptxP) 영역의 변이 현황
Status of variations in pertussis toxin promoter region from the isolates of Bordetella pertussis




질병관리본부 국립보건연구원 감염병센터 결핵호흡기세균과   
김소현, 정상운   



Ⅰ. 들어가는 말 


   백일해(Pertussis)는 Bordetella pertussis의 감염에 의해 발생되는 호흡기 질환이며, 사람에서 사람으로만 전파되고, 감염자로부터 기침과 재채기를 통해 발생되는 호흡기비말을 매개로하여 감염된다. 주요증상은 콧물, 재채기, 미열, 기침 등의 가벼운 감기증상을 시작으로 하여 흡기(inspiration)시 기침인 whooping 1)과 심한 발작성 기침이 연속적으로 발생하는 병증 최고조의 시기를 지나 장기간 기침이 동반되는 회복기를 거치게 된다. 주요합병증으로는 세균성폐렴, 흉골 골절, 호흡곤란, 발작, 뇌증 등으로 심할 경우 사망할 수도 있다[1].
백일해에 대한 고위험군은 생후 1년 미만의 신생아나 동시기에 시행되는 백신접종으로 감염이 억제되는 것으로 알려져 왔다. 그러나 최근의 백일해 발생동향을 살펴보면 백신접종률이 90% 이상인 유럽, 호주, 미국, 일본 등의 선진 국가에서도 지속적인 유행양상이 보고되고 있고[2], 특히 국지적인 발병증가 양상은 신생아 보다는 백신접종이 완료된 청소년 및 성인 연령층에서 증가하는 것으로 보고되고 있어 이에 대한 대책으로 일부국가에서는 성인 백일해 백신을 도입하여 접종을 권장하고 있다[3]. 
   국내의 경우 1999년도에 국립보건원에 백일해의 실험실진단이 확립된 이후 2008년도까지 연평균 18건을 유지하고 있었으나 2009년에서 66건, 2010년도에는 27건, 그리고 다시 2011년도에는 97건으로 증가추세에 있으며[4], 2012년도에는 상반기에는 일부지역 학교를 중심으로 소규모 돌발유행 사례가 보고되기도 하였다[5]. 이러한 백일해 발병증가에 대한 주요원인으로는 ① 현재 사용되는 정제 백일해 백신(acellular vaccine)이 다양한 백일해 균주유형 전체를 방어하지 못한다는 것, ② 유행균주에 변이가 발생하여 기존 백신의 방어영역을 벗어나는 감염력이 높은 변이균주가 유행한다는 것, ③ 백신접종에 의해 획득된 면역력이 연령증가에 따라 감소하여(waning effect) 청소년 및 성인층에서 감수성 개체가 증가한다는 것 등이 알려져 있다. 특히 이러한 추정원인 중 항원결정기 부분에서 유전자 변이가 발생한 변이균주의 출현과 백신에 의해 획득된 방어면역이 연령증가에 따라 감소하는 것이 중요한 원인인 것으로 현재 인정되고 있으며 이에 대한 연구가 지속되고 있다[6].
   이러한 항원결정기 유전자 외에도 최근에는 백일해 독소(pertussis toxin)의 발현을 조절하는 백일해 독소 유전자 프로모터(pertussis toxin gene promoter, ptxP) 영역에 대한 변이도 주요원인으로 지적되고 있는데, 특히 백일해 독소(pertussis toxin)의 생산을 증가시키는 것으로 알려진 ptxP3 type이 백일해의 발병증가와 관련이 있다고 보고되고 있다[7]. ptxP 영역은 백일해 독소 유전자(pertussis toxin gene)의 -173 ∼ +27에서 발견되는 변이유형이며 현재까지 11개 type(ptxP1 ∼ ptxP11)이 존재하는 것으로 알려져 있다[6]. ptxP1이 기본형(백신형)이라고 하면 여러 가지 변이형 중 특히 ptxP3는 백일해 균주의 독소 생산을 조절하는 BvgA 단백질과 결합하는 부위인 -65의 G가 A로 바뀐 형태(type)로 백일해 독소(pertussis toxin)의 생산량이 약 1.8배 ∼ 1.5배 정도 증가하는 것으로 보고되고 있다. 백일해 독소(pertussis toxin)는 AB5-type의 외독소로서 백일해 병인기작에 중요한 역할을 하는 것으로 알려져 있으며 특히 감염초기 백일해 원인균인 B. pertussis의 호흡기도 내 군집화를 통한 정착에 관여하는 것으로 알려져 있다[8]. 이에 질병관리본부 결핵호흡기세균과에서는 1999년 이후 2012년도 상반기까지 국내에서 분리된 균주를 대상으로 ptxP type에 대한 조사를 실시하였으며 그 결과를 기술하고자 한다.



Ⅱ. 몸말


   결핵호흡기세균과에서는 1999년부터 2012년 상반기까지의 국내 분리주 105주를 대상으로 ptxP 영역에 대한 변이현황을 조사하였다. 이를 위하여 프로모터(promoter) 부분의 약 550 bp 영역을 중합효소연쇄반응법(PCR)로 증폭하였고 gel elution을 통하여 target band만을 정제한 후 그 염기서열을 확인하였다(Figure 1). 

   확인된 각 균주별 염기서열은 기존에 보고된 ptxP1 ∼ ptxP11 type의 염기서열과 비교하여 각각의 유형을 판정하였다. 이를 위하여 GenBank로 부터 ptxP1 ∼ ptxP11 type의 sequence file(Accession No. FN252322 ∼ FN252332)을 내려 받아 국내 분리주별 염기서열들과 통합한 후 다중정렬(multiple alignment) 방식에 따라 정렬하였고 각 분리주별 typing은 UPGMA tree를 구성하여 기존에 보고된 type과 일치하는지의 여부를 1차로 확인한 후 각각의 염기서열을 세부적으로 확인하였다. 

   그 결과 국내 분리주에서는 type 1, 3, 4 의 3가지 유형이 확인되었으며(Figure 2), type 1 이 77%로 가장 많았고 type 3가 26% 순으로 나타났다. Type 4의 경우는 2건으로 약 2%의 비율을 나타냈다. 따라서 1999년 이후 분리주에 있어서 국내 분리주에서 가장 많은 빈도로 확인된 유형은 ptxP1 type인 것을 알 수 있었다. 그러나 각 유형별 출현 시기를 고려해 보면(Table 1) 2000년과 2001년도에 각각 1건씩 나타난 ptxP4 type을 제외하고는 1999년부터 2008년도까지 분리주는 모두 ptxP1 type이었으며 독성이 강한 균주로 확인된 ptxP3 type은 2009년부터 출현하였다. 또한 연도별 분리비율에 있어서도 2009년도에 ptxP3 type이 53.8%로부터 2011년도에는 86.7%로 증가하였고, 올해 2012년도 분리주에서는 100%로 모든 분리주가 ptxP3 type인 것으로 확인되었다.

   더구나 2009년도는 1999년 이후 국내에서의 백일해 발생이 일시적으로 증가했던 시기였고 (Figure 3), 2009년 이후 국내 백일해 발생양상이 증가 추세로 전환된 것으로 판단되기 때문에 발병증가 원인으로서 ptxP3 type의 출현이 고려되어야 하며 발병증가와의 상관관계에 대한 연구가 필요할 것으로 사료된다.




Ⅲ. 맺음말


   질병관리본부 결핵호흡기세균과에서는 1999년 이후 국내 백일해 환자로부터 분리된 B. pertussis 분리균주를 대상으로 주요 항원결정기 유전자에 대한 유전형변이 여부를 지속적으로 감시하고 있으며, 일시적 발병증가가 있었던 2009년도 분리주의 경우 현행 성분백신의 주요성분인 pertactin(Prn) 유전자와 Fimbriae 2(Fim3) 유전자에서 유전자 변이가 있는 것을 확인하여 보고하였다[9].
   또한 본 원고에서는 기존에 확인된 항원결정기 유전자에서의 변이 외에 백일해 독소(pertussis toxin)의 생산량을 증가하여 백일해의 감염 및 전파를 촉진하는 것으로 판단되는 ptxP3 변이주의 출현을 확인하였고, ptxP3의 출현이 국내 백일해 발병증가 양상과 관련이 있을 것으로 나타났다(Figure 3). 국외보고에 따르면 ptxP3 type 균주의 세계적 발생동향은 1935∼1990년까지 약 3%의 비율로 존재하다가 1991∼2004년에는 약 52%로 증가된 것으로 보고되고 있다. 다만 지역적인 차이가 있어 같은 기간 동안 북미와 남미에서는 80%, 유럽지역은 53%, 아시아 지역은 13%의 비율로 이미 존재하고 있었던 것으로 보고되었다[6].
   이에 비해 국내에서는 2008년까지의 분리주에서는 확인되지 않은 것으로 보아 극히 낮은 비율로 존재하다가 2009년도부터 출현하기 시작하여 2011년 이후 부터는 대부분의 분리주가 ptxP3 type을 가지는 것으로 추정된다. 그러나 ptxP3 type이 단순히 백일해 독소(pertussis toxin)의 생산증가로 병원성을 나타내는지 아니면 항원결정기 유전자 변이와 같은 다른 요인을 동반할 때 병원성이 증가되어 발병증가에 영향을 미치는 지에 대해서는 아직까지는 확실하게 단언할 수 없다. 다만 네덜란드의 경우 ptxP1 type과 비교하여 ptxP3 type의 유행 시 인구 10만 명당 입원수가 1.4배, 그리고 인구 10만 명당 사망사례가 10.2배 증가하였고, 입원자 중 사망사례가 7.23 배 증가한 것으로 조사되어[7] ptxP3 type의 병원성에 대한 연구가 시급할 것으로 사료된다. 이와 함께 백일해 발병에 대한 효과적인 대처를 위해서는 신속 정확한 진단법을 통해 국내에서 유행되는 백일해 균주의 분리율을 높이기 위한 노력과 분리된 균주의 신속한 유전적 변이와 연관된 특성파악이 수반되어야 하며, 장기적이고 지속적인 백일해 균주의 감시활동이 필요하다.



                                                                                                                                                                                                 

1) 심한 기침발작 후 좁아진 성대를 통해 강하게 숨을 들이쉴 때 특정적인 높은 톤의 웁(whoop)소리가 나는 기침


Ⅳ. 참고문헌


1. Mattoo S, Cherry JD. Molecular pathogenesis, epidemiology, and clinical manifestations of respiratory infections due to Bordetella pertussis and other Bordetella subspecies. Clin Microb Rev 2005;18(2):326-382.
2. de Melker HE et al. Reemergence of pertussis in the highly vaccinated population of the Netherlands: observations on surveillance data. Emer Inf Dis 2000;6(4):348-357.
3. CDC. Updated recommendations for the use of tetanus toxoid, reduced diphtheria toxoid and acellular pertussis(Tdap) vaccine from the Advisory Committee on Immunization Practices, 2010. MMWR 2010;60(01):13-15.
4. KCDC. Increasing incidence of pertussis in Korea, 2009. PHWR 2009;2(42):709
5. KCDC. Report of Yeongan Pertussis epidemiological investigation in Korea. PHWR 2012;5(27):510
6. Packard ER et al. Sequence variation and conservation in virulence-related genes of Bordetella pertussis isolates from the UK. J Med Microb 2004;53(5):355-365.
7. Mooi FR et al. Bordetella pertussis strains with increased toxin production associated with pertussis resurgence. Emer Inf Dis 2009;15(8):1206-1213.
8. Smith AM et al. The virulence factors of Bordetella pertussis: as matter of control. FEMS Microbiol Rev 2001;25(3):309-333.
9. Jung SO et al. Multilocus sequence analysis of housekeeping genes and antigenic determinant genes in Bordetella pertussis strains isolated in Korea. Public Health Res Perspect 2011;2(2):115-126.

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