진균성 뇌수막염 유발 유전자 대규모 발견

2015.04.06 23:40:26

Systematic Functional Profiling of Transcription Factor Networks in Cryptococcus neoformans

뇌수막염 발병원인 규명뿐만 아니라 항진균제, 뇌수막염 치료제 개발 가능 

국내 연구진이 면역저하 환자(에이즈, 장기이식 환자 등)와 노인들에게 주로 발병하는 진균(곰팡이균)성 뇌수막염의 전사조절인자*를 만드는 유전자를 발견하고, 그 기능을 규명해 항진균제, 뇌수막염 치료제 개발의 가능성을 열었다.

* 전사조절인자 : 생물에서 유전자의 발현을 조절하는 단백질의 한 종류로 세포속의 모든 생물현상을 조절함

미래창조과학부가 추진하는 기초연구사업(선도연구센터, 중견연구자지원)의 지원으로 연세대 반용선 교수가 주도한 이번 연구는 세계적인 생명과학분야 권위지 Nature의 자매지인 Nature Communications 4월 3일자에 게재되었다.

* 논문명 : Systematic Functional Profiling of Transcription Factor Networks in Cryptococcus neoformans 

호흡기를 통해 감염되어 중추신경계에 침범하면 생명까지 위협하는 진균성 뇌수막염은 매년 백만명 이상 감염되고, 이 중 60%(60만 명)가 사망하는 무서운 질병이다.

그러나 발병 원인과 과정에 대한 규명 자체가 어렵고, 진균류와 포유류 모두 세포구조가 진화적으로 매우 유사하여, 진균류만의 타깃발굴이 어려워 지금까지 효과적인 예방법이나 부작용(신장 및 간 독성)이 없는 항진균제가 개발되지 못했다.

연구팀은 뇌수막염을 일으키는 진균 속에서 질병을 일으킬 뿐만 아니라 항진균제 저항에도 관여하는 새로운 전사조절인자들을 발견했다. 

진균 속에는 포유류와 유사한 보통의 전사조절인자뿐만 아니라 진균만의 독특한 전사조절인자들이 매우 많이(100여개 이상) 존재하고, 이 독특한 전사조절인자들이 세포 속 스트레스 조절, 질병유발 및 항진균제 저항에도 관여한다는 사실을 확인하였다.

현재 연구팀은 항진균제 개발에 대한 원천기술 확보를 위해 국내특허 2건을 출원*하여, 10조원 이상의 항진균제 시장에 국내 산업계가 진출할 수 있는 교두보를 마련할 계획이다.

* 특허명 : 크립토코커스 네오포만스의 항균제 표적 유전자 및 이용의 용도 (10-2015-0044621), 크립토코커스 네오포만스의 독성을 조절하는 신규 유전자 및 이의 용도 (10-2015-0044617)


반용선 교수는 “이번 연구는 질병유발 및 항진균제 저항에 관여하는 새로운 곰팡이균 전사조절인자를 대규모로 발굴한 사례”로서,“전사조절인자 타깃 약물뿐만 아니라 고부가가치성 차세대 항진균제 개발에도 중요한 기반이 될 것으로 기대된다”고 연구의의를 밝혔다.


연 구 결 과  개 요

 1. 연구배경
 
현재 상업적으로 사용되고 있는 항진균제인 아졸(Azole) 경우 약물에 대한 저항성 균주의 출현도가 증가하고 있으며 폴리엔(Polyene) 계열의 약물의 경우 독성이 심하여, 부작용이 적으면서 광범위한 활성을 나타내는 항진균제에 대한 필요성이 증대되고 있다.

병원성 진균의 병원성 조절 메커니즘과 항진균제 개발을 위해서는 유전체 수준의 대용량 기능유전체학적(Functional Genomics)의 접근이 필요한 실정이다.
 

2. 연구내용

본 연구는 뇌수막뇌염 유발 병원성 진균인 크립토코쿠스 네오포만스의 병원성 조절 신호전달기작을 유전체 수준에서 이해하고 이를 통한 새로운 치료타깃을 발굴하기 위해, 세포내 유전자의 발현을 관장하는 155개의 전사조절인자에 대한 총 322개 유전자변이균주를 제조하고 이들에 대한 병원성을 비롯한 30여개의 다양한 형질(생육, 분화, 병원성인자 생성능, 각종 스트레스 반응, 항진균제 저항성, 병원성 등)에 대한 통합적 분석을 실시하여 유전체 수준의 전사조절인자 네트워크를 규명하였다.
  
특히 본 연구에서는 전체 전사조절인자들이 숙주 내에서 병원성 관련해 어떤 기능을 하는지를 알아보기 위하여 곤충숙주모델과 표식인자(Signature-tagged mutagenesis, 각각의 전사조절인자 변이균에 서로 다른 바코드 형식의 DNA 표식인자를 부여하여 대용량 병원성 측정을 용이하게 하는 방법) 기반의 마우스 모델을 이용하여 대용량 병원성 실험을 진행하였고, 이를 통해 지금까지 밝혀지지 않았던 다양한 전사조절인자들이 병원성에 기여함을 확인하였다.


또한 본 연구진은 이번 연구를 통하여 현재 항진균제로 주로 이용되고 있는 플루코나졸(fluconazole) 및 암포테라신 비(amphotericin B) 저항성에 변화를 보이는 전사조절인자를 다수 발견하였다. 이러한 전사인자들을 추후 혼합병용치료(combination therapy)를 위한 새로운 약물 타깃에 활용할 수 될 수 있을 것으로 생각된다.

기초 학문적 측면에 있어서도 이번 연구는 곰팡이계(Fungal kingdom)의 큰 축의 하나인 담자균에서는 세계 최초로 대용량 전사조절인자 변이균주 라이브러리 제조와 이들에 대한 기능분석을 통해 유전체 수준에서 통합적으로 전사조절인자 기능 분석을 했다는 점에서 의의가 크다.

곰팡이의 종류로는 크게 감수 분열에 의해 생기는 포자를 자낭 안에 만드는 자낭균류와 포자를 담자기라고 하는 막대모양 선단에 포자를 만드는 담자균류로 나눌 수 있다. 현재까지의 진균에서의 유전체 수준의 연구들은 빵효모를 비롯한 다양한 자낭균을 중심으로 이루어져 있으나, 담자균을 대상으로 한 게놈 수준의 변이 균주 제조 및 형질 분석에 대한 연구는 많이 부족한 실정이다.
  
하지만 이번 연구를 통해 담자균인 크립토코쿠스 내에서 다른 곰팡이에서도 공통적으로 발견되는 진화적으로 잘 보존된 전사조절인자 뿐만 아니라 담자균 특이적 전사조절인자를 발굴하고 해당 유전자들에 대한 기능 분석을 수행하였다는 점에서 향후 담자균을 대상으로 하는 연구에 있어서 좋은 모델이 될 수 있을 것이라 사료된다.
  
본 연구를 통하여 밝혀진 전사조절인자의 형질 분석 결과를 서울대 곰팡이병원성 연구센터(소장: 이인원)의 도움을 받아 크립토코쿠스 전사조절인자 데이터베이스(http://tf.cryptococcus.org)를 구축하여 다른 연구자 및 일반인이 쉽게 확인할 수 있도록 하였다. 현재는 제조된 크립토코쿠스 변이균주 라이브러리를 이용하여 미국, 캐나다, 브라질, 호주 등의 국제적으로 우수한 연구진과 다양한 국제협력 연구를 진행하고 있다.


3. 기대효과
 
본 연구를 통해 새롭게 발견된 유전자 또는 단백질의 저해 물질과 현재 사용되고 있는 항진균제와 동시에 처리할 경우 기존 약물 사용량을 적게 사용하고도 항진균 효과를 증진시킬 수 있다. 

대용량 전사조절인자 변이균주들을 통하여 진균의 병원성 조절 메커니즘을 유전체 수준에서 이해하는 것이 가능할 것으로 기대된다.



연 구 결 과 문 답


이번 성과 뭐가 다른가

담자균문의 곰팡이와 뇌수막염 진균에서는 최초로 이루어진 유전체 수준에서의 대용량 전사조절인자의 변이 균주 제조 및 형질 분석을 바탕으로 한 통합적 병원성 조절 네트워크의 규명에 관한 연구  



어디에 쓸 수 있나

뇌수막염 진균의 병원성 조절 메커니즘 이해와 관련 전사조절인자 발굴을 통한 신개념 진균성 뇌수막염 치료제 개발에 활용



실용화까지 필요한 시간은

10∼15년



실용화를 위한 과제는 

현재 치료제 개발과 관련하여 특허 출원 중이며 등록과 기술 이전 등의 과제를 해결해야 함



연구를 시작한 계기는

2008 선정 우수연구센터지원사업(SRC)/기초과학 연구지원사업 으로 선정된 곰팡이 병원성 연구센터의 지원 하에 시작된 연구이며 ‘인간 감염성 곰팡이 Cryptococcus와 Candida의 전사조절인자 네트워크의 규명’의 주요 핵심과제임



에피소드가 있다면

본 연구의 핵심 데이터 중 하나인 대용량 병원성 실험결과를 얻기 위한 모델로 사용되는 벌집나방곤충을 구입하기 어려워 미국에 있는 실험실의 도움을 받아서 진행하였음. 또한 논문이 발표되기 전에 북미, 남미, 호주, 유럽 등지의 여러 연구자들에게 공동연구를 제안 받아 본 연구의 가치를 인정받은 것 같아 연구자로서 자부심을 느낌. 



꼭 이루고 싶은 목표는

전사조절인자 뿐만 아니라 병원성 관련 신호전달에 관련된 핵심적인 인산화 효소 및 탈인산화 효소와의 메커니즘을 규명하여 병원성 곰팡이의 통합적 신호전달 네트워크를 규명하고, 이를 통해 국내기술로는 최초로 항진균제 신약을 개발하여 세계시장에 진출하고자 함.



신진연구자를 위한 한마디

포기하지 말고 꾸준히 노력하면 좋은 연구 결과가 나온다고 생각함.




용 어 설 명


1. 뇌수막염 (meningitis)
 
뇌수막염이란 뇌와 척수를 둘러싸고 있는 뇌수막에 생기는 염증을 말한다. 뇌수막염은 바이러스, 세균, 원충류 및 진균 등에 의해 야기될 수 있으며 진균성 수막염의 경우 크립토코쿠스(Cryptococcus)에 의해 주로 발병이 되며 이를 크립토코쿠스증(Cryptococcosis)으로 부른다. 뇌수막염의 증상으로는 두통, 발열, 목의 경직이 대표적이다.


2. 전사조절인자 (Transcription factor)
 
진핵생물에서 전사(transcription) 과정에 참여하는 단백질을 말한다. 전사 조절인자는 진핵생물 유전자에 있는 특정 염기서열에 결합하여 유전자의 발현을 조절한다.


3. 항진균제 (Antifungal drug)

곰팡이 감염증의 치료약을 말한다. 진균 중에는 천재성(淺在性), 심재성(深在性)의 것이 있는데 천재성 진균증에는 칸디다증, 백선(白癬) 등이 있으며 외용(外用)이 가능하여 치료하기 쉽다. 심재성 진균증은 크립토코쿠스, 아스퍼르길러스 등이 원인균이며 내복(內服) 또는 주사로 밖에 적용할 수 없어 치료가 어렵다. 현재 유용되고 있는 항생제로는 Amphotericin B(암포테리신 비) 또는 Flucytosine(플루사이토신), Azole(아졸) 계열의 약물이 이용되고 있다.


4. 기능유전체학 (Functional Genomics)
 
기능유전체학(Functional Genomics): 게놈 프로젝트를 비롯한 다양한 동·식물의 염기서열 해독을 바탕으로 생명현상에 필요한 유전자의 발굴 및 기능을 규명하고 전사, 번역, 단백질 상호작용 등의 관점에서 생명현상을 이해하는데 목표를 두고 있다.



그 림 설 명


[그림설명] 뇌수막염 곰팡이인 크립토코쿠스 네오포만스의 전사조절인자 균주 제조 및 표현형 분석. 크립토코쿠스 네오포만스의 전사조절인자를 다른 곰팡이의 전사조절인자와 상동성 비교 분석하였고 이를 바탕으로 155개의 유전자에 대하여 총 322개의 변이균주를 제조하였다. 제조된 균주를 대상으로 32개의 다양한 표현형 분석을 실시하였고 항진균제 저항성 관련 유전자 및 곤충모델과 동물모델을 통하여 새로운 병원성 관련 유전자를 발견하였다. 최종적으로 통계학적 분석을 통하여 in vitro 표현형과 in vivo 병원성의 상관관계를 규명하였다. 
기자 news@mdon.co.kr
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