Re:Re: 장내 미생물총과 인간의 질병 - Review 논문. 읽을 거리가 많음!!

[문형철]

beyond reason

orthomolecular medicine

어떤 사람에게는 좋은 음식이 어떤 사람에게는 독이 된다

인체에 존재하는 미생물은 100조에 이르러 인간 세포보다 10배 많으며 미생물의 유전자수는 인간 유전자수의 100배가 넘는 것으로 알려지고 있다.1 미생물총(microbiota)은 주어진 거주지에 존재하는 세균(bacteria), 고세균(archaea), 진핵생 물(eukarya), 바이러스를 포함한 미생물 군집(microbial community)을 말한다. 장내 미생물총은 병원균 침입을 방어하고 면역체계를 성숙시키고 비타민과 단쇄지방산을 생산하여 영양분을 공급하여 인체 대사조절에 관여한다. 또한 인체와 상호작용을 통해 인간의 건강과 질병에 큰 영향을 미치는 것으로 알려져 있다.2 그런데 장내 미생물의 20-40%만이 기존의 방법으로 배양이 가능하다.3 이 한계를 극복하기 위해서 16S ribosomal RNA gene (rRNA)를 분석하는 방법이 개발되었다. 16S rRNA에는 모든 종(species)에 공통적인 보존영역(conserved region)과 특정 종을 분류할 수 있는 초가변영역(hypervariable region)이 존재해서 염기서열분석을 통해 미생물의 종을 알아낼 수 있다. 계통형(phylotype)에 따라서 종은 16S rRNA의 97% 이상이 일치하고, 속(genus)은 94% 이상, 과(family)는 90% 이상, 목(order)은 85% 이상, 강(class)은 80% 이상, 문(phylum)은 75% 이상이 일치한다. 최근에는 대량발굴(high throughput) pyrosequencing을 이용하여 미생 물총을 한번에 자세하게 분석할 수 있게 되었다.4 배양하는 방법을 이용하지 않고 개인 미생물총을 분석하는 것을 metagenomics라고 부르는데, 크게 두 가지 방법이 사용된다. 16S rRNA를 표적으로 한 염기서열 분석법으로 미생물총의 구성을 조사할 수 있고, 전체 유전자를 포함할 수 있는 shortgun 염기서열 분석법으로 참고 유전체(reference genome)와 비교하여 대사 경로(metabolic pathway), 독성 인자를 비롯한 기능적 특성을 추론할 수 있다.4 이 논문에서는 metagenomics를 이용한 연구들을 바탕으로 장내 미생물총이 인간의 건강과 질병에 미치는 영향을 알아보고자 한다. 

인간 미생물 유전체

(human microbiome)

미생물 유전체는 미생물총에 존재하는 전체 유전체로 정의 된다. 유럽에서 건강한 사람, 과체중, 염증성 장질환 환자 등 124명을 대상으로 Metagenomics of the Human Intestinal Tract (MetaHIT) project가 시행되었는데, 장내 미생물총을 metagenomics를 이용하여 분석하였다.5 99%의 유전자가 세균성이었고 전체 코호트에서 1,000-1,150개의 종이 발견되었 다. 각 개인은 최소한 160개의 세균종을 가지고 있고 미생물 유전자는 300만개 이상으로 밝혀졌다. 미생물 유전자의 기능을 분석하여 보니 복합다당류를 분해하고 단쇄지방산, 아미노산, 비타민을 합성하는 기능이 있었다. 염증성 장질환 환자에 서 건강한 사람에 비해 세균의 다양성이 감소하였다. 

2007년 부터 미국 국립보건원에서 242명의 사람을 대상으로 15-18개의 인체부위(피부, 비강, 구강, 장, 비뇨생식기 등)에서 시료를 채취하여 Human Microbiome Project를 시작하였는데, 2010 년 178개 미생물 유전체의 염기서열 결과를 발표하였다.6 2012년에는 5,177개의 세균을 분류하고 800개의 세균유전체 염기서열을 분석하였는데, 인체부위에 따라서 미생물 구성에 차이가 있지만 기능분석결과인 체부위에 상관없이 대사경로는 유사하였다.7 

우리나라에서는 2010년부터 쌍둥이 코호트를 이용하여 미생물 유전체의 다양성과 질환과의 연관성을 규명하는 연구가 시행되고 있다. 개인 간에 미생물총의 구성은 아주 다양하고 환경과 유전자에 의해 영향을 받는다. 쌍둥이에서 세균종의 50% 미만을 공유할 뿐으로, 유사성은 쌍둥이 사이에서 가장 높고, 그 다음이 어머니와 자식 사이, 그리고 낯선 사람들 순이다.8 일본인, 미국인, 중국인과 비교해서 한국인 사이에서 장내 미생물총의 차이가 적어, 숙주 유전자와 식사습관이 장내 미생물총의 구성에 영향을 주는 것으로 추정된다.9

식사 습관

장내 미생물총의 구성에 따라서 세 종류의 enterotype으로 분류할 수 있는데, 지배적인 속에 따라서 Bacteroides, Prevotella, 또는 Rumminococcus가 주종인 enterotype으로 구분할 수 있다.10 이러한 enterotype은 오랜 기간의 식사 습관과 연관이 있는데, 단백질과 동물성 지방 섭취가 많은 사람은 Bacteroides가 주종인 enterotype을, 섬유질 섭취가 많은 사 람은 Prevotella가 주종인 enterotype을 가지고 있다.11

유럽과 아프리카 시골 지역 어린이의 장내 미생물총을 비교한 연구에서는 아프리카 어린이에서 섬유소와 다당류를 가수분해하는 유전자를 가진 Prevotella와 Xylanibacter가 풍부하여 섬유소로부터 에너지를 최대한 얻을 수 있다. 또한 유럽 어린이에 비해서 아프리카 어린이의 대변에서 생물다양성 (biodiversity)이 풍부하고 단쇄지방산과 대장암 예방효과가 있는 butyric acid의 농도가 높으며, 대장균, Shigella, Salmonella가 적게 발견된다.12 고단백, 고지방, 단순당이 높은 서구식 식사는 다양한 장내 미생물총을 균질화(homogenization)시키는 것으로 추정된다. 일본인의 장내 미생물총을 분석한 연구에서는 해양 미생물에 존재하는 해조류의 porphyran을 분해하는 효소가 해조류를 많이 섭취하는 일본인 장내미생물로 전이된 것이 발견되었다.13

영아의 장내 미생물 정착

신생아 시기는 장내 미생물의 정착(colonization)에 중요한 시기이다. 출산하는 과정에서 신생아는 산모의 미생물과 접촉 하게 되는데, 질식분만(vaginal delivery)한 신생아의 장내 미 생물총은 Lactobacillus, Prevotella가 주종으로 엄마의 질 미생물총과 유사하고, 제왕절개로 태어난 신생아의 경우는 Staphylococcus, Corynebacterium가 주종으로 엄마의 피부 미생물총과 유사하여 출산방법이 초기 미생물 정착에 큰 영향을 미치는 것을 알 수있다.14 모유수유를 하는 영아의 장내 미생물총은 분유 수유아에 비하여 생물다양성이 풍부하고 이질적이다.15 장내 미생물이 정착하게 되면 다른 바이러스, 세균을 포함한 병원균의 침입을 막는 역할을 한다. 출생 후부터 2.5년 동안 12번에 걸쳐 영아 1명의 장내 미생물총을 분석한 논문16 에서, 출생 초기에는 유당분해 효소가 풍부하고, 이유식을 시작하기 전부터 식물 다당류 대사에 관여하는 유전자가 증가한다고 보고하였다. 일상 식사를 시작하면서 Bacteroidetes가 주종인 안정적인 미생물총이 되고 2.5세에 성인과 유사한 미생물총을 이루며 식사의 변화나 항생제 치료가 미생물 유전체의 주요한 변화를 가져온다.16 영아기와 노년기에는 Firmicutes/Bacteroidetes의 비가 낮고 성인기에는 높은 양상을 보인다.17

비만과 지방간

인간의 장내 미생물총은 크게 4개의 문으로 구분되는데, 그람음성균인 Bacteroidetes와 Proteobacteria, 그람양성균인 Firmicutes와 Actinobacteria이다. Bacteroides종으로 구성된 Bacteroidetes와 Clostridia강이 대부분인 Firmicutes가 대부분을 차지하고, 10% 미만이 나머지 문이다.18 비만이 장내 미생물총의 변화와 연관이 있다는 최초의 증거는 Leptin 결핍 ob/ob 생쥐의 장내 미생물총에서 Firmicutes문이 증가하고 Bacteroidetes문이 감소한다는 연구이다.19 야생형 쥐에게 고지방 고단백 식사를 제공하면 Firmicutes문이 증가하고 Bacteroidetes문이 감소하는 미생물총으로 변화한다.20 같은 열량을 섭취하더라도 비만한 생쥐의 장미생물을 투여받은 무균생쥐가 마른생쥐로부터 장미생물을 받은 생쥐보다 체중이 더 증가한다.21 이 결과는 장내 미생물이 에너지 축적과 비만 발생에 중요한 역할을 하는 것을 의미한다.

비만한 사람의 장내 미생물총에서도 Firmicutes/Bacteroidetes 의 비가 증가한 것이 관찰되는데, 저탄수화물 식사나 저지방 식사를 공급하면 Bacteroidetes의 분율이 증가한다.22 쌍둥이 대상 연구에서는 비만한 사람의 장내 미생물의 다양성이 감소하고 Bacteroidetes가 감소하며 탄수화물과 지방대사에 관여하는 유전자를 가진 미생물이 풍부하다.23 그러나 비만한 사람에서 Firmicutes/Bacteroidetes의 비가 감소한다는 상반된 결과24와 비만한 사람과 마른 사람에서 문수준(phylum level) 의 차이가 없다는 보고25도 있다. 

위 우회(gastric bypass) 수술을 받은 사람에서는 정상 체중, 비만한 사람에 비해서 Firmicutes가 감소하고 Gammaproteobacteria의 비율이 증가하는데, 수술 후 위가 줄어들고 소장이 짧아짐으로써 장의 환경과 식사 섭취가 변화하기 때문인 것 같다. 비만한 사람에서 수소를 생산하는 Prevotellaceae과와 수소를 이용하는 고세균이 증가해 있는데, 이것은 식물의 다당류 발효를 증진하여 단쇄지방산이 생성되므로 에너지 축적이 증가하는 것으로 보인다.26 Enterotype을 규명한 연구에서 사람의 체질량지수와 ATPase complex와 같은 세 개의 표지분자(marker mole- cules)가 상관관계를 보이는데,10 문 구성의 차이보다는 metagenomics로 분석한 기능적 생물지표(functional biomarker)가 더 중요하다는 것을 시사한다.

생쥐에게 고지방 식사를 주면 장의 투과성이 증가하여 미생물의 외막성분인 lipopolysaccharide (LPS)가 혈중에서 증가하고, LPS의 증가는 비만, 낮은 수준의 염증, 인슐린저항을 유발한다.27 LPS를 인지하는 toll-like receptor (TLR)-4를 제거하면 음식으로 유발되는 비만과 인슐린 저항을 예방할 수 있다.28 Flagellin을 인지하는 TLR-5가 결핍된 생쥐는 장내 미 생물총의 변화와 함께 대사증후군이 발생한다.29 이러한 결과들은 장내 미생물이 숙주의 TLR을 통해서 선천면역체계와 상호작용하여 대사 조절에 관여하는 것을 시사한다. 

Prebiotics 를 비만생쥐에게 투여하여 Bifidobacteria가 증가하면 glucagon-like peptide 2의 생성을 증가시켜 장의 투과성이 감소하 고 혈중 LPS 농도가 감소하여 염증과 포도당 내성이 호전된 다.30 대사증후군 환자에게 마른 사람의 장내 미생물총을 이식하면 butyrate를 생산하는 장내 미생물의 변화와 더불어 인슐린 민감도가 증가한다.31

비알코올성 지방간질환의 발생과 지방간염(steatohepatitis)으로의 진행에 장내 미생물총이 중요한 역할을 하는 것이 밝혀지고 있다. 생쥐에게 과당을 많이 공급하면 치밀이음부 (tight junction) 단백이 감소하고 간의 TLR 1-4, 4-8의 발현이 유도되면서 간의 지방축적이 증가하는데, 이러한 효과는 항생제 투여에 의해 감소한다.32 Nod-like receptor로 구성된 inflammasome은 지방간과 대사증후군 생쥐에서 장내 미생물총 구성의 변화와 염증성 사이토카인의 분비에 중요한 역할 을 한다.33 비알코올성 지방간질환이 있는 성인의 대변 미생물 총에서 대조군에 비해 Bacteroidetes문의 비율은 차이가 없으나 과와 속에서 차이가 나타나는데, Lactobacillus, Robinsoniella, Roseburia, Dorea속이 증가하고 Oscillibacter속이 감소한다. 또한 비알코올성 지방간질환 환자의 대변에서 휘발성 유기산 중 ester 화합물이 증가한다.34 비알코올성 지방간 염과 지방간염이 없는 단순비만 소아의 장내미생물총은 건강 대조군에 비해 Bacteroidetes문이 증가하고 Firmicutes문이 감소한다. 지방간염 소아는 단순비만 소아에 비해 Proteobacteria문이 증가하는데, 그 중에서도 Enterobacteriaceae과에 속하는 Escherichia속이 의미있게 증가하고, Escherichia는 알코올을 생산한다. 지방간염 소아에서 대조군, 단순비만군에 비해 알코올을 생산하는 미생물 유전체가 풍부하고 혈중 에탄 올 농도가 의미있게 높은데, 비알코올성 지방간염의 병인으로 알코올 생산 미생물이 알코올을 생산하고 반응성 산소(reactive oxygen)를 공급하여 간의 염증을 일으키는 것을 시사한다.35

미숙아와 신생아 괴사성 장염

미숙아의 장내 미생물총은 만삭아에 비해서 생후 72시간에 Clostridium difficile, Pseudomonas, Acinetobacter종을 포함한 병원균이 많이 발견되며 Bifidobacterium종과 Lactobacillus종은 적게 발견된다. 이러한 결과는 첫 며칠 동안 사용하는 경험적 항생제, 제왕절개, 분유 수유, 신생아 집중치료 실의 특수환경 등이 영향을 미치는 것으로 추정된다.36 신생아 괴사성 장염(neonatal necrotizing enterocolitis)은 미숙아에서 발생하는데, 대조군에 비해 괴사성 장염 발생 미숙아에서 미생물의 다양성이 감소하고 상대적으로 Gammaproteobacteria의 비율이 증가하며 항생제 사용기간이 길었다. 항생제 사용으로 인해 미생물의 다양성이 감소하면서 병원균이 과증식하여 신생아 괴사성 장염이 발생하는 것으로 추정된다.37 다른 장내미생물총 연구에서는 괴사성 장염발생 1주전에서 72시간 전 사이에 Proteobacteria문의 비율이 증가하고 Firmicutes문의 비율이 감소하는 것이 관찰된다.38 다른 미숙아 연구에서는 괴사성 장염 환자의 대변에서 Enterococcus속 이 더 많이 발견되고 대조군에서는 발견되지 않는 Citrobacter종이 검출된다.39 자가면역질환과 알레르기질환 자가면역성 1형 당뇨병이 발생한 어린이의 장내 미생물총은 자가면역질환이 없는 같은 연령, 같은 유전형을 가진 어린이와 비교할 때 2-3세가 되면서 미생물총 다양성이 감소하고 Bacteroidetes/Firmicutes의 비가 증가한다.40

아토피 피부염이 발생하는 영아는 알레르기가 없는 영아에 비해서 생후 1개월에 장내 미생물총의 다양성이 감소하고 Bacteroidetes문과 Bacteroides속의 다양성이 감소하고 생 후 12개월에 Proteobacteria문의 다양성이 감소한다. 따라서 생후 초기 장내 미생물총의 다양성 감소가 나중에 발생하는 아토피 피부염과 연관이 있는 것으로 보인다.41

생쥐의 장내 Bacteroides fragilis의 polysaccharide A는 TLR-2를 통해서 regulatory T cell에 작용하여 염증반응을 억제하고 면역관용을 증진시킨다.42 신생아 생쥐에게 항생제를 투여하면 장내 미생물 다양성이 감소하고 알레르기성 천식이 더 많이 발생한다.43 이는 위생가설(hygiene hypothesis)과 잘일치하는결과로 생후 초기 항생제사용과 장내 미생물총과 면역체계 변화의 연관성을 보여준다.

과민성 장증후군

과민성 장증후군 성인에서 건강대조군에 비해 Firmicutes 가 증가하고 Bacteroidetes가 감소하는 장내 미생물총의 변화가 관찰된다.44,45 과민성 장증후군 소아에서는 건강 대조군에 비해 미생물 다양성의 차이는 없지만, Gammaproteobacteria강의 비율이 증가하는데, 그 중에서 Hemophilus parainfluenza종의 증가가 중요하다. 과민성 장증후군 소아에서 Ruminococcus속에 해당하는 새로운 미생물이 의미있게 많 이 발견되고, 복통의 빈도가 Alistipes속의 증가와 상관관계가 있다. 또한 변비형의 과민성 장증후군 아형과 변비형과 설사형으로 구분되지 않는 아형 사이에 대변 미생물총의 구성이 다르다.46 아직까지 주증상으로 분류된 과민성 장증후군의 아형에 따라서 미생물총의 변화가 있는지는 확실하지 않다. 급성 위장관염 후에 과민성 장증후군의 증상이 발생한다는 것과 치료에 흡수되지 않은 항생제와 probiotics가 도움이 된다는 사실은 과민성 장증후군의 병인에서 장내 미생물의 변화가 중 요한 인자임을 시사하는 간접적인 증거이다.47

염증성 장질환

동물 염증성 장질환 모델에서 장내 미생물이 존재해야 발병하고, 크론병에서 대변 흐름을 변환시키면 아래쪽의 염증이 호전되며 궤양성 대장염에서 probiotics가 맹낭염(pouchitis)의 예방에 효과적이다.48 이러한 연구 결과는 염증성 장질환의 발병에 장내 미생물총이 중요한 역할을 한다는 것을 시사한다. 또한 생후 첫해에 항생제의 잦은 사용이 크론병의 발병 위험을 증가시키는데,49 영아기 숙주와 미생물총의 상호작용 이 장의 항상성 유지에 중요하다고 생각된다. 염증성 장질환의 장조직에서 미생물 다양성이 감소하고 Firmicutes와 Bacteroidetes문이 감소하며 Actinobacteria와 Proteobacteria문은 증가한다.50 다른 염증성 장질환 생검조직의 미생물 총 연구에서는 미생물 다양성이 감소하고 Firmicutes문이 감소하면서 Bacteroidetes문은 증가한다. 같은 연구에서 크론 병에서는 대조군에 비해 Enterobacteriaceae가 증가하고 염증조직과 비염증 조직사이에 미생물 구성에 차이를 보인다.51 이러한 미생물총의 구성변화가 염증의 원인인지 아니면 결과인지는 명확하지 않다. 

염증성 장질환에 이환된 쌍둥이 연구52에서 대조군과 궤양성 대장염, 대장형 크론병은 미생물 구성이 유사하지만, 회장형 크론병은 큰 차이를 보였고 미생물 다양성도 감소하였다. 회장형 크론병에서 Faecalibacterium, Roseburia가 감소하고 Enterobacteriaceae와 Runminococcus gnavus가 증가하는데, 항염증 작용을 보이는 F. prausnitzii에 대한 adherent invasive Escherichia coli의 비가 증가한다. 일란성 쌍둥이와 이란성 쌍둥이 사이에 미생 물총 구성의 차이가 없어 질병 표현형이 숙주 유전형보다 더 영향을 미친다는 사실을 알 수 있다.

NOD2 돌연변이를 가진 생쥐와 사람에서 Paneth 세포의 antimicrobial peptide인 α-defensin의 분비가 감소하면서 장내 미생물총 구성의 변화가 관찰되고53 크론병 환자에서 autophagy 유전자인 ATG16L1 유전형과 미생물 구성의 변화가 연관이 있어54 숙주의 유전형이 장내 미생물 구성에 영향을 주는 것으로 보인다. 염증성 장질환에서 대사 경로를 포함한 미생물의 기능을 최초로 분석한 연구55에서는 Rosebur- ia와 Phascolarctobacterium속이 의미있게 감소하는데, butyrate와 propionate의 생성이 감소하는 원인으로 보인다. 크론병에서 Enterobacteriaceae, 특히 Esherichia, Shigella가 증가하고 회장형 크론병에서 Faecalibacterium이 감소하여 병원성 세균은 증가하고 방어적인 세균은 감소하는 장내 세균 의 불균형(dysbiosis)을 보인다. 염증성 장질환에서 탄수화물과 아미노산 대사에 관련된 미생물 유전체는 감소하고 산화 스트레스 대사 유전체는 증가한다. 회장형 크론병에서는 병독성(virulence)과 분비 경로(secretion pathway)에 관여하는 유전체가 증가한다. 이는 미생물총의 구성 변화와 미생물 유 전체의 기능 변화가 염증성 장질환의 병인에 중요한 역할을 하는 것을 시사한다. 항생제, 동종골수이식, Clostridium difficile 감염 두 번에 걸쳐 ciprofloxacin 항생제를 투여하며 10개월 간 관찰한 연구에서 장내 미생물의 다양성이 감소하고 미생물의 구성이 변화하였으며 투여 중지 1주일 후에 처음 상태로 돌아 오기 시작했지만 회복이 불완전했다.56 Clindamycin 투여 후 2년 간 관찰한 연구에서는 Bacteroides가 원래대로 회복되지 않고 항생제 내성 유전자가 지속적으로 증가했다.57

동종골수이식을 받은 환자에서 장내 미생물총의 다양성이 감소하고 Enterococcus, Streptococcus, Proteobacteria 등 이 전체의 30% 이상을 차지하는 우세종이 출현하는데, Proteobacteria가 우세종이 되면 그람음성간균 패혈증의 위험이 증가한다.58 동종골수이식을 받기 위해 항생제를 투여받은 환 자에서 vancomycin 내성 enterococcus (VRE) 패혈증이 발 생하기 전에 장내 미생물총의 VRE 우세종으로의 변화가 먼 저 일어난다.59 따라서 장내 미생물총 분석이 패혈증 발생의 위험이 높은 환자를 찾아내는 데 도움이 될 수 있다.

C. difficile 감염이 반복적으로 발생하는 사람의 대변 미생 물총은 대조군과 처음 C. difficile 감염을 경험한 사람에 비해 서 다양성이 현저히 감소한다.60 반복적인 C. difficile 감염이 나 난치성 C. difficile 감염 환자에게 타인의 대변 미생물총을 이식하는 치료가 효과적인데, 이식 전에는 Firmicutes와 Bacteroidetes문이 부족했던 환자의 대변에서 이식 후에 증 상의 호전과 함께 기증자의 미생물총과 유사하게 Bacteroi- des종이 늘어나는 것이 관찰된다.61 반복적인 C. difficile 감 염에 대한 최초의 무작위 대조군 연구에서 vancomycin 단독 치료로 23%가 회복되는 반면 vancomycin 치료 후 십이지장 으로 대변을 주입하면 81%가 회복되고, 대변의 미생물 다양 성이 증가하며 Bacterodetes와 Clostridium IV, XIVa가 증 가하고 Proteobacteria가 감소한다.62 이러한 결과는 기증자 의 미생물이 빠르게 정착하여 미생물총의 구성과 기능이 회복 된다는 것을 시사한다.

결론

배양하지 않고 미생물총의 모든 유전자를 분석하는 metagenomics를 이용하면서, 인간의 건강과 질병에서 장내 미생물총이 중요한 역할을 한다는 사실이 밝혀지고 있다. 출산방법, 식사 종류, 항생제 사용은 영아기 장내 미생물총의 정착과 구성에 큰 영향을 미친다. 비만, 신생아 괴사성 장염, 알레르기 질환, 염증성 장질환, 반복적인 C. difficile 감염 등에서 장내 미생물총의 다양성 감소와 미생물 구성의 변화가 관찰된다. 앞으로 인간 유전형과 미생물 유전체를 통합적으로 분석하는 연구가 필요하다. Metageonimic 자료를 근거로 하여 질병의 조기진단, 생물학적 표지자와 새로운 probiotics의 개발이 가능할 것이다.63 식이변화, probiotics, 대변 이식 등을 통해 장내 미생물총을 조절하는 것이 미생물총의 불균형과 연관된 질환을 치료하는데 이용될 수있다.

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