Prevotella as a hub for vaginal microbiota under the influence of host genetics and their association with obesity
한국연구재단(이사장 조무제)은 고광표 교수(서울대) 연구팀이 여성 생식기 내 미생물집단이 유전의 영향을 받고, 그 중 프리보텔라(Prevotella) 박테리아는 여성의 비만까지 영향을 줄 수 있다는 것을 최초로 제시했다고 밝혔다.
프리보텔라는 질 내 미생물 중 잠재적 유해균이다. 프리보텔라가 많아지고 유익균인 락토바실러스*가 줄어 들면 다른 요인과 함께 세균성 질염 등 여성 질환을 유발한다.
*락토바실러스(Lactobacillus) : 질 내 미생물군총의 주요 우점균 및 유익균으로, 락토바실러스가 분비하는 젖산과 항균물질이 다른 유해 미생물의 증식을 억제하여 여성 건강에 중요한 역할을 함.
연구팀은 여성생식기 내 미생물집단의 유전적 영향에 주목하였다. 인체 유전인자의 질 내 박테리아에 대한 영향을 규명하기 위하여 유전적인 요인을 분석하는 최적의 연구대상인 한국인 일란성이란성 여성 쌍둥이 등을 포함한 542명을 분석하였다.
분석 결과, 유전자 연관성이 가장 높은 일란성 쌍둥이의 질 내 미생물집단이 가장 유사하였다. 이는 인체 유전에 의하여 질 내 미생물집단이 달라진다는 것을 의미한다. 질 내 미생물집단 중 하나인 프리보텔라 박테리아는 락토바실러스와 더불어 인체의 유전적 요인을 영향을 가장 많이 받았으며, 특히 인체 면역유전자 중 하나인 IL5의 단일유전자 변이*에 따라 프리보텔라의 존재 여부가 결정되는 것을 밝혔다.
* 단일유전자 변이(Single nucleotide polymorphism) : 세포 핵 속의 염색체가 갖고 있는 30억 개의 염기서열 중 개인의 편차를 나타내는 한 개 또는 수십 개의 염기변이를 명칭함.
연구팀은 프리보텔라가 비만에 영향을 줄 가능성도 제시했다. 12주 고지방 식이요법으로 비만을 유도한 쥐에서 프리보텔라가 증가했다. 또한 비만을 유도한 쥐의 질 내 미생물을 일반 쥐로 이식시키면 비만이 될 가능성이 있는 지표로 살펴볼 수 있는 내독소혈증*이 나타났다. 이는 기존 연구에서 나아가 프리보텔라와 같은 질 내 미생물이 비만 등의 대사성 질환까지 영향을 줄 수 있는 가능성을 나타내는 것이다.
* 내독소혈증(endotoxmia) : 박테리아의 내독소(endotoxin)가 혈류에 나타나는 현상. 비만과 당뇨 같은 대사성 질환의 위험성을 증가시킴. 이 연구에서는 내독소혈증을 비만의 전 단계 마커로서 사용함.
고광표 교수는 “이번 연구는 여성 질환이나 비만과 연관성이 깊은 프리보텔라 박테리아의 인체의 유전적 영향을 밝힌 것이다. 향후 질염, 조산 등 질환에 있어 미생물군집유전체*의 특성에 기반한 맞춤형 치료제 개발에 적용할 수 있을 것”이라고 연구의 의의를 밝혔다.
* 미생물군집유전체(microbiome): 몸 속 박테리아, 바이러스, 곰팡이 등 미생물과 미생물의 총체적인 유전정보를 총칭함. 세컨드 게놈으로 불림. 사람마다 지문이 다르듯 미생물군집에도 차이가 있음.
이 연구성과는 미래창조과학부한국연구재단의 기초연구사업(개인연구)과 포스트게놈 다부처유전체사업의 지원으로 수행되었으며, 국제 미생물학 학술지인 셀 호스트 앤 마이크로브(Cell Host & Microbe) 12월 22일자에 게재되었다.
논문의 주요 내용
□ 논문명, 저자정보
- 논문명 : Prevotella as a hub for vaginal microbiota under the influence of host genetics and their association with obesity
- 저자 정보 : 고광표 교수(교신저자, 서울대), 시지연 박사(제1저자, 서울대), 유현주 박사(공동저자, 서울대), 유준선(공동저자, 서울대), 성주헌 박사(공동저자, 서울대)
□ 논문의 주요 내용
1. 연구의 필요성
인체의 유전적 요인은 개개인을 구분 짓고 질병에 대한 민감성을 결정하는 중요 요인이다. 최근, 유전 요인과 장내 미생물 군총의 상호작용이 인체의 체질량지수를 결정한다는 사실이 보고되었고 따라서 유전요인과 미생물의 상호작용이 인체의 형질에 영향을 미칠 수 있다는 것이 증명되었다.
인체의 유전적 영향은 유전력(heritability) 계산을 통해 정량화가 가능하다. 유전력은 일란성 쌍둥이와 이란성 쌍둥이의 형질 차이가 유전에 의한 영향으로 이루어지는 것을 바탕으로 그 차이를 정량화한다. 미생물 군총의 유전력을 이해함으로써 인체의 미생물 군집 제어방법과 특정미생물에 대한 감수성을 알 수 있다.
비만은 미생물 생태와 인체의 건강을 연결하는 주요 질병 중 하나로, 장내 미생물이 숙주의 비만에 의해 영향을 받으며 그로 인해 염증과 인슐린 저항을 일으킨다는 것은 최근의 연구결과로 알려진 사실이다. 비만인 여성의 질에서 락토바실러스 이너스(L. iners) 균과 락토바실러스 크리스파투스(L. crispatus)의 비율이 다르게 존재한다는 보고 역시 비만과 비 장내 미생물 군총과의 연관성을 뒷받침한다. 하지만 질 내 미생물군총*과 인체의 유전적 요인의 연관성이나 비만과의 인과관계는 보고된 바 없다.
* 질 내 미생물군총 : 여성의 질 내에 정착하여 서식하는 미생물 군집을 총칭하며, 질 내 건강 유지에 중요한 역할을 담당한다. 건강한 여성의 질 내 환경은 약산성으로 유지되어 유해균의 증식과 감염을 막는데, 여기에 주요한 역할을 담당하는 미생물이 락토바실러스로 알려져 있다.
2. 연구내용
인종에 따라 다르게 나타나는 락토바실러스*종의 구성과 질 내 환경의 산성도 차이는 질 내 군총이 인체의 유전요인에 의해 영향을 받음을 의미한다. 한국인 일란성 및 이란성 쌍둥이, 쌍둥이 가족들 및 가족관계가 없는 대상자들과의 질 내 군총 상관관계 정도의 분석 결과, 일란성 쌍둥이의 질 내 군총의 유사성이 가장 높은 것으로 나타났다.
* 락토바실러스(Lactobacillus) : 질 내 미생물군총의 주요 우점균 및 유익균으로, 락토바실러스가 분비하는 젖산과 항균물질이 다른 유해 미생물의 증식을 억제하여 여성 건강에 중요한 역할을 함.
면역 관련 유전자들의 단일염기 다형성(SNP)*과 질 내 군총의 연관성 분석 (association study)* 결과 IL5 유전자의 SNP에 따라 프리보텔라균의 양이 달라짐을 확인하였다.
* 단일염기 다형성 : 염색체의 단일부위에서 나타나는 DNA의 돌연변이 염기. SNP로 인해 개인의 유전적 다양성이 나타나며 질병의 감수성 차이를 일으킴.
* 단일염기 다형성 연관성 분석 : 개개인의 유전적 변이를 나타내는 SNP와 질병과의 연관성을 분석하여 질병과 관련된 특정 유전자 변이를 규명하는 방법. 이 연구에서는 질병 대신 질 내 군총을 사용함.
질 내 미생물군총과 인체 건강요인과의 연관성 분석 결과, 폐경, 질염, 비만이 여성의 질 내 미생물군총 변화를 가장 크게 일으키는 것으로 나타났다. 특히, 폐경 전 후 여성에게 모두 비만요인이 군총의 다양성을 증가시키는 것으로 나타났다.
고지방 식이로 비만을 유도한 쥐의 질 내 미생물총의 다양성이 크게 증가하며, 이러한 질 내 미생물군총을 다른 쥐로 이식시킨 결과 내독소혈증(endotoxemia)이 나타났다.
3. 연구 성과
이 연구결과는 최초로 인체의 유전적 요인에 따른 질 내 미생물군총이 결정되는 것을 규명하였다. 또한 최초로 프리보텔라와 같은 질 내 미생물군총이 여성 생식기 건강뿐 아니라 비만과 같은 대사성 질환에 영향을 줄 가능성을 밝혔다.
프리보텔라가 락토바실러스와 함께 여성 건강을 결정하는 중요한 요인인 것을 밝혔으며, 이러한 결과는 여성의 질염, HPV 감염 및 폐경 이후에 나타나는 다양한 질환은 물론 태아의 조산 및 건강 등과 연관성이 높을 것으로 판단된다.
이 연구를 통하여 여성 건강 증진 시킬 맞춤형 마이크로비옴 치료제(microbiome therapeutics) 및 치료법 개발이 가능할 것이다. 그리고 임산부의 질 내 미생물이 영향을 미치는 것으로 알려진 조산 및 태아의 건강관련 치료법의 개발에 적용될 수 있을 것으로 기대된다.
연 구 결 과 개 요
1. 연구배경
여성의 질 내 미생물군총(vaginal microbiota)은 여성의 세균성 질염은 물론, 인유두종 바이러스(HPV), 후천성 면역결핍 증후군(HIV) 등의 바이러스 감염, 태아의 조산 및 건강 등 여성 및 신생아의 건강에 중요한 영향을 미치는 것으로 최근 밝혀지고 있다.
여성의 질 내 미생물군총은 락토바실러스가 주요 균으로 구성되어 있으며, 락토바실러스가 분비하는 젖산과 항균물질이 다른 유해 미생물의 증식을 억제하여 여성 건강에 중요한 역할을 하는 것으로 알려져 있었다.
인종에 따라 다른 락토바실러스와 산성도(pH)는 질 내 미생물 군총이 인체의 유전적 요인에 의해 결정될 수 있다는 것을 시사한다. 또한 면역 관련 유전자의 SNP가 특정 질 내 균의 군집화에 영향을 미친다는 보고는 이러한 유전적 요인의 영향을 뒷받침한다.
여성의 비만은 불규칙한 월경주기, 무배란증, 유산을 일으키는 것으로 알려졌다. 최근 연구결과, 비만인 여성의 질에서 락토바실러스 이너스(Lactobacillus iners) 균과 락토바실러스 크리스파투스(L. cripatus)균의 비율이 다르게 존재한다는 것이 밝혀졌다. 따라서 인체의 유전적 요인과 비만에 의해 변화되는 질 내 군총 규명은 여성의 건강 증진을 위한 바이오마커와 맞춤형 마이크로바이옴 치료제 개발에 기여할 것으로 기대된다.
2. 연구내용
이 연구에서는 한국인 쌍둥이와 가족을 포함하는 국내 542명의 한국인 여성의 질 내 군총 분석을 통해 인체의 유전적 요인에 따른 질 내 군총과의 인과관계를 규명하고자 하였다. 또한 이러한 질 내 군총이 폐경, 질염, 자궁경부염, HPV 감염 등의 기존에 알려진 요인들의 영향을 파악안 후 이들을 보정한 후 비만과의 연관성 및 인과관계를 파악하고자 하였다.
질 내 군총에 가장 유의한 영향을 미치는 요인은 폐경, 질염, 비만으로 밝혀졌다. 폐경으로 인한 몸무게 증가의 영향을 배제하기 위해 폐경 전후의 여성을 분리하여 분석한 결과, 폐경 여부에 상관없이 비만으로 인한 질 내 군총의 다양성 증가가 나타났다. 특히, 폐경, 질염, 비만 요인 모두에서 프리보텔라 균의 연관성이 유의한 것으로 밝혀졌다.
쌍둥이와 가족을 대상으로 분석한 결과, 일란성 쌍둥이의 질 내 군총 유사도가 가장 높은 것으로 나타났다. 유전력 분석 결과 프리보텔라 균이 가장 큰 유전요인의 영향을 받는 것으로 밝혀졌다. 또한, 면역관련 유전자의 단일염기 다형성(SNP)과 질 내 군총의 연관성 분석은 IL5 유전자의 SNP와 프리보텔라 속 균주가 가장 강한 연관성이 있는 것으로 나타났다. IL5유전자 SNP는 백혈구의 양과도 강한 연관성을 나타냈다.
프리보텔라 균은 폐경 여부에 따라 네트워크를 형성하는 균주가 다른 것으로 밝혀졌다. 프리보텔라는 폐경 전 군총 중 스니치아 (Sneathia), 메가스피라(Megasphaera), 클로스트리디움(Clostridium), 가드넬라(Gardnerella) 같은 유해가능성 균과 네트워크를 형성하였으나 폐경 후, 유전력이 낮은 펩토니필러스 (Peptoniphilus), 포피로모나스 (Porphyromonas), 캄필로박터 (Campylobacter), 아네어로코커스 (Anaerococcus)와 네트워크를 형성하는 것으로 나타났다. 하지만 폐경 여부에 상관없이 락토바실러스 균과 강한 음의 상관관계를 가지는 것으로 밝혀졌다.
고지방식이로 유도한 비만 쥐에게서 프리보텔라를 포함한 질 내 미생물총의 다양성이 크게 증가하며, 이러한 질 내 미생물총을 다른 쥐로 이식시킨 결과 내독소혈증(endotoxemia)이 유도되는 것으로 밝혀졌다.
3. 기대효과
지금까지 인체의 유전적 요인과 질 내 미생물군총의 연관성은 보고된 바 없으며 비만과 같은 대사성 질환의 영향도 군총의 변화만이 보고되었다. 비만과의 인과 관계를 밝히고 유전적 영향을 규명함으로써 유해균의 군집 제어방법과 특정 미생물에 대한 감수성을 파악하여 맞춤형 마이크로바이옴 치료제(microbiome therapeutics) 개발에 기여할 것으로 기대된다.
★ 연구 이야기 ★
□ 연구를 시작한 계기나 배경은?
인체에는 부위마다 다양한 군집의 미생물 군집이 존재하며 대사와 질병에 관련되어 중요한 역할을 담당한다. 이러한 미생물 군집에 영향을 미치는 유전적, 환경적 요인을 파악함으로써 개개인의 감수성을 고려하여 미생물군총의 불균형으로 인해 발생되는 질병을 치료할 수 있을 것으로 기대하였다. 이 연구는 기존에 밝혀지지 않은 인체의 유전적 요인이 질 내 군총에 미치는 영향을 규명하고자 하였고, 기존의 패러다임과 다른 비만과 질 내 군총과의 연관성 및 인과관계를 규명하고자 하였다.
□ 연구 전개 과정에 대한 소개
한국인 쌍둥이-가족 코호트의 여성대상자들의 질 내 군총을 분석 중 대사질환인 비만이 질 내 군총의 다양성을 증가 및 프리보텔라와 같은 특정 미생물과의 연관성을 밝혔고, 인체에서 규명된 연관성의 인과관계 및 구체적 기전을 증명하기 위해 마우스 모델을 사용하게 되었다.
□ 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소가 있었다면 무엇인지? 어떻게 극복(해결)하였는지?
서울대학교 실험동물자원관리원의 폐쇄로 한 시간 이상 떨어진 연건캠퍼스에 위치한 동물실에서 실험을 수행하였다. 수개월 동안 마우스 실험을 진행하는 것이 쉽지 않았으나, 여러 실험 구성원의 협력과 도움으로 무사히 실험을 마칠 수 있었다.
□ 이번 성과, 무엇이 다른가?
최초로 인체의 유전적 요인에 따른 질 내 미생물 군총을 변화를 규명했다는 점, 바이오마커로 활용할 수 있는 미생물인 프리보텔라를 확보하여 질환 진단 및 평가의 척도를 마련하여 여성건강의 예방 그리고 이러한 질 내 미생물과 비만과의 인과 관계를 세계최초로 규명하여 여성을 위한 맞춤형 마이크로비옴 치료제 개발의 초석을 마련하였다.
□ 꼭 이루고 싶은 목표와, 향후 연구계획은?
이 연구결과를 바탕으로 비만과 질 내 군총 사이의 기작을 밝히기 위한 후속 연구를 진행할 계획이다. 그리고 국제 인체 마이크로비옴 컨소시엄(International Human Microbiome Consortium, IHMC)의 한국대표 및 보드멤버로써 마이크로비옴과 다양한 질환과의 인과관계를 규명하고 이를 이용한 질환의 예방 및 치료법을 임상에 적용하고자 한다. 서울대학교 생명공학 공동연구원에 위치한 벤처회사인 ㈜고바이오랩에서 이러한 임상실험이 이루어질 계획이며, 산학협력의 모범을 보이는 R&D를 수행하고자 한다.
□ 기타 특별한 에피소드가 있었다면?
서울대학교 관악캠퍼스의 실험동물자원관리원의 폐쇄로 인하여, 서울대 의대캠퍼스인 연건동까지 건너가 동물실험을 수행한 것이 힘들지만 가장 기억에 남는다.
용 어 설 명
1. 질 내 미생물군총
○ 여성의 질 내에 정착하여 서식하는 미생물 군집을 총칭하며, 질 내 건강 유지에 중요한 역할을 담당한다. 건강한 여성의 질 내 환경은 약산성으로 유지되어 유해균의 증식과 감염을 막는데, 여기에 주요한 역할을 담당하는 미생물이 락토바실러스로 알려져 있다.
2. SNP (Single Nucleotide Polymorphism)
○ 단일염기 다형성. 염색체의 단일부위에서 나타나는 DNA의 돌연변이 염기. SNP로 인해 개인의 유전적 다양성이 나타나며 질병의 감수성 차이를 일으킨다.
3. 질염
○ 여성의 질 내 유익균인 락토바실러스가 감소하고 대신 혐기 세균이 증식하는 감염증. 상부 성기도의 건강 문제, 유산, 반복 유산, 조기 분만, 성 매개 감염의 위험성 증가 등과 관련된 것으로 보고되었다.
4. 자궁경부염
○ 균 감염으로 인해 생기는 자궁내경관의 염증. 주로 세균성 질염과 동반된다.
5. 유전력
○ 유전적 차이로 인해 설명될 수 있는 형질 차이의 비율. 부모로부터 전해지는 형질과는 다른 개념으로 어떠한 형질의 유전력이 크다는 의미는 해당 형질의 결정에 환경보다 유전이 더 중요하다는 것을 의미한다.
6. IL5
○ 항체를 분비하는 B세포의 활성화를 조절하며 알레르기 질환 등 다양한 염증 질환에 관여하는 호산구(eosinophil) 활성화의 주요 조절유전자이다.
7. 내독소혈증
○ 박테리아의 내독소(endotoxin)가 혈류에 나타나는 현상. 내독소는 그람음성균이 사멸 시 발생하는 독소이며 내독소혈증은 비만과 당뇨의 위험성을 증가시키는 것으로 알려져 있다.
그 림 설 명
(그림 1) 유전적 요인에 따라 결정되는 질 내 미생물과 여성건강의 연관성
한국인 쌍둥이와 가족 모델의 질 내 군총 분석결과 유의한 인체의 유전적 영향을 확인하였으며 가장 큰 영향을 받는 질 내 균은 프리보텔라와 락토바실러스로 나타남. 프리보텔라 균은 락토바실러스의 감소로 이어지는 폐경, 질염과 강한 연관성을 보였으며 한국인 여성과 더불어 고지방식이로 유도된 비만 쥐의 생식기에서도 유의하게 증가하는 것으로 밝혀짐.
(그림 2) 여성 건강과 질 내 군총의 연관성
(A) 한국인 여성의 질 내 군집의 변화에 가장 유의미한 영향을 미치는 요인으로 폐경(Menopause), 질염(BV), 비만(BMI) 요인이 있으며 (B) 질 내 미생물 군집 분석 결과 프리보텔라 균이 폐경, 질염, 비만 요인과 높은 연관성을 나타냄.
