서양종 꿀벌 면역체계의 기본원리. 재조명 (논문)

[꿀벌나라 (울산)]

Fundaments of the honey bee (Apis mellifera) immune system. Review

서양종 꿀벌 면역체계의 기본원리. 재조명

Alejandra Larsen ac

Francisco José Reynaldi bc*

Ernesto Guzmán-Novoa d

알레한드라 라르센 ac
프란시스코 호세 레이날디 BC*
에르네스토 구즈만-노보아 d

a Universidad Nacional de La Plata. Facultad de Ciencias Veterinarias. Argentina.

b Centro Científico Tecnológico de la Plata. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Argentina.

c Universidad Nacional de La Plata. Facultad de Ciencias Veterinarias. Argentina.

d University of Guelph. School of Environmental Sciences. Ontario, Canada.

* Corresponding author: freynaldi@yahoo.com

a 국립 라플라타 대학교. 수의학부. 아르헨티나.

b 라플라타 과학기술센터. 과학 및 기술 연구를 위한 국가 위원회. 아르헨티나.
c 국립 라플라타 대학교. 수의학부. 아르헨티나.
d Guelph 대학. 환경과학부. 캐나다 온타리오.
* 교신저자: freynaldi@yahoo.com

Abstract:

요약

Honey bees (Apis mellifera) pollinate plants in both natural and managed ecosystems, contributing to

food production and sustaining and increasing biodiversity. Unfortunately bee depopulation and

colony losses are becoming increasingly common worldwide. Several factors contribute to the decline

of bee populations, including pathogens (parasites, fungi, bacteria and viruses), ecosystem alteration

or loss, and/or agrochemical use.

서양종 꿀벌은 자연 생태계와 관리 생태계 모두에서, 식물을 수분시켜 식량 생산에 기여하고

생물의 다양성을 유지 및 증가시킨다. 불행히도 벌 개체수 감소와 봉군 손실은 전 세계적으로

점점 더 일반적이 되고 있다. 병원균(기생균, 균류, 박테리아 및 바이러스), 생태계 변화 또는

훼손, 농약 사용을 비롯한, 여러 요인이 꿀벌 개체수의 감소에 원인이 된다.

All of these factors alter the defense mechanisms of the bee immune system. Honey bees have an

innate immune system that includes physical barriers and generalized cellular and humoral responses

to defend themselves against infectious and parasitic organisms. Pathogens, acaricides, fungicides,

herbicides and other pesticides affect the bee immune system and consequently bee health.

The defense mechanisms of the bee immune system include signaling pathways, pathogen recognition

receptors and innate immune system effectors.

이러한 모든 요인은 벌 면역 체계의 방어 메커니즘을 변경시킨다. 꿀벌은 감염성 및 기생균

유기체로부터 자신을 방어하기 위해 물리적 장벽과 일반화된 세포 및 체액 반응을 포함하는

타고난 면역 체계를 가지고 있다. 병원균, 응애 살충제, 살균제, 제초제 및 기타 살충제는

꿀벌의 면역 체계에 영향을 미치고 결과적으로 꿀벌의 건강에 영향을 미친다. 꿀벌 면역

시스템의 방어 메커니즘에는 신호 전달 경로, 병원균 인식 수용체 및 선천적 면역 시스템

반응기(器)가 포함된다.

주) 반응기(器) effector : 외부 자극에 반응을 하도록 되어 있는 인체 조직이나 세포

Although A. mellifera’s immune system is very similar to that of Drosophila flies and Anopheles mosquitoes,

they possess only about a third of the immune system genes identified in these genera. This relatively

low number of genes is probably a consequence that A. mellifera has developed social immunity.

This defense strategy lowers pressure on the individual immune system of bees. This review article

summarizes and discusses the bases of the honey bee immune system. Key words: Immunity, defense

mechanisms, immune system regulation, pathogens, Apis mellifera.

서양종 꿀벌의 면역 체계는 초파리 및 학질 모기의 면역 체계와 매우 유사하지만, 이 속(屬)에서

확인된 면역 체계 유전자의 약 1/3만 소유한다. 이처럼 상대적으로 적은 수의 유전자는 아마도

서양종 꿀벌이 사회적 면역을 발달시킨 결과인 것이다. 이 방어 전략은 벌들의 개별 면역 체계에

부담을 줄여 준다. 이 재조사 논문은 꿀벌 면역 체계의 기초를 요약하고 토론한다.

핵심어: 면역, 방어기구, 면역체계 조절, 병원균, 서양종 꿀벌.

                                 Introduction

                                      서론

Along with other wild pollinators, honey bees (Apis mellifera) contribute to pollinating plants in both

natural and managed agriculture systems. In these ecosystems, pollination constitutes an environmental service,

which contributes to increasing natural biodiversity, as well as the production of food and fibers for human

consumption(1,2). Unfortunately, bee depopulation events and loss of honey bee colonies have occurred

worldwide during the last decade, particularly during late winter(3-6) .

다른 야생 수분 매개곤충과 함께 꿀벌(서양종)은 자연 및 관리 농업 체계에서 식물 수분에 기여한다.

이러한 생태계에서, 수분은 환경 서비스를 구성하여, 자연적인 생물의 다양성을 증가시키고 인간이

소비하는 식품 및 섬유 생산에 기여를 한다(1,2). 불행히도, 지난 10년 동안, 특히 늦은 겨울에 꿀벌

개체수 감소 사건과 꿀벌 봉군 손실이 전 세계적으로 발생하였다(3-6).

Various factors apparently lead to declines in bee populations, including pathogens (parasites, fungi,

bacteria and viruses), ecosystem alteration or loss, and/or the use of agrochemicals. Since all these

potential factors can alter defense mechanisms of the bees’ immune system, it is necessary to first

understand how it functions to be able to analyze its response to the different infectious or non-infectious

conditions that affect bees. Immune systems in plants and animals involve organs and defense mechanisms

that protect them against foreign substances and pathogenic organisms by recognizing them as threats

and responding against them.

병원균(기생충, 균류, 박테리아 및 바이러스), 생태계 변화 또는 훼손, 및/또는 농약 사용을 비롯한,

다양한 요인이 분명히 벌 개체수의 감소로 이어진다. 이러한 모든 잠재적 요인은 벌들의 면역

체계의 방어 기구를 바꿀 수 있기 때문에, 꿀벌에 영향을 미치는 다양한 감염성 또는 비감염성

조건에 대한 반응을 분석할 수 있도록 그것이 어떻게 기능하는지 먼저 이해하는 것이 필요하다.

식물과 동물의 면역 체계는 외부 물질 및 병원성 유기체를 위협으로 인식하고 이에 대응함으로써

자신을 보호하는 기관 및 방어 기구를 포함한다.

Much of current knowledge on immune systems and their responses has been generated using insects

as research subjects; as a result, immunity in insects is very well studied. Many insects are vectors of animal

and human diseases, and others cause major damage to agricultural crops. Most insect species live relatively

short lives, but they have complex and efficient immune systems. For example, insects’ immune systems are

more efficient at detecting pathogens and responding to them than are those of vertebrates(7)

면역 체계와 면역 반응에 대한 현재 지식의 대부분은 곤충을 연구 주제로 사용하여 생성되었다;

결과적으로, 곤충의 면역은 매우 잘 연구되어 있다. 많은 곤충은 동물 및 인간 질병의 매개체이며,

기타 곤충은 농작물에 큰 피해를 준다. 대부분의 곤충 종은 비교적 짧은 생을 살지만, 복잡하고

효율적인 면역 체계를 가지고 있다. 예를 들어, 곤충의 면역 체계는 척추동물의 면역 체계보다

병원균을 감지하고 이에 대응하는데 더 효율적이다(7)

The fruit fly Drosophila melanogaster is the most studied insect species and, in addition to many other

research areas, studies on this fly have helped to better understand innate immunity in other organisms.

Research with fruit flies has generated knowledge on pathogen recognition mechanisms, immune signaling

and effector responses against pathogens. Completion of the Drosophila genome sequence in the year 2000

has allowed more potent and specific analyses of immune responses, substantially increasing knowledge

of the molecular foundations of immune systems.

노량 초파리는 가장 많이 연구된 곤충 종이며, 다른 많은 연구 분야 외에도, 이 파리에 대한 연구는

다른 유기체의 타고난 면역을 더 잘 이해하는데 도움이 되어 왔다. 초파리에 대한 연구는 병원균

인식 메커니즘, 면역 신호 및 병원균에 대한 효과기 반응에 대한 지식을 생성하였다. 2000년 초파리

게놈 서열의 완성은 면역 반응에 보다 효험이 있고 구체적인 분석을 가능하게 하여, 면역 체계의

분자 기초에 대한 지식을 실질적으로 증대시켰다.

Not only these studies showed how insect immune systems work, but how the innate immune system of 

humans function, because many of the basic immune mechanisms are shared by Drosophila and humans. 

Studies of other insects whose genomes have been sequenced such as A. mellifera, can also contribute to

 exploration of immune responses at the molecular level. Because their natural pathogens and genetic

 structure are well known, the honey bee can join several species of flies and moths as important models

 for researching the genetic mechanisms of immunity and diseases.

이 연구는 곤충 면역 체계가 어떻게 작동하는지 보여주었을 뿐만 아니라, 많은 기본 면역

메커니즘이 초파리와 인간이 공유하기 때문에, 인간의 타고난 면역 체계도 어떻게 기능을

하는지 보여주었다,  

서양종 꿀벌과 같이, 게놈이 일정한 순서로 배열이 된 다른 곤충에 대한 연구도 분자 수준에서

면역 반응을 탐색하는데 도움이 될 수 있다. 꿀벌의 자연적인 병원균과 유전적 구조가 잘 알려져

있기 때문에, 꿀벌은 여러 종의 파리와 나방을 면역과 질병의 유전적 기구를 연구하는데 중요한

모델로 삼을 수 있다.

The honey bee immune system is very similar to that of Drosophila flies and Anopheles mosquitoes,

except that honey bees have approximately one third of the immune genes shared by Drosophila and

Anopheles, which are grouped into 17 families(8,9) . Honey bees however, have more genes for

odor receptors, as well as specific genes that regulate pollen and nectar collection, which is consistent with

their behavior and social organization(10) .

꿀벌의 면역 체계는 17개의 과로 분류되는, 초파리와 학질 모기가 공유하는 면역 유전자의

약 3분의 1을 꿀벌이 가지고 있다는 점을 제외하고는, 초파리 및 학질 모기와 매우 유사하다(8,9).

그러나 꿀벌은, 냄새 수용체에 대한 더 많은 유전자뿐만 아니라, 화분과 꽃꿀 수집을 조절하는

특이적 유전자를 가지고 있으며 이는 그들의 행동 및 사회적 조직과 일치한다(10).

The implicit reduction in the number of immune genes in bees may reflect the importance of social defenses

(i.e. based on social behavior) and/or their tendency to be attacked by a limited set of pathogens

which are highly co-evolved with them(11) . Among the similarities of the innate immune systems of

honey bees, fruit flies and Anopheles mosquitoes, is that all of them posses the same signaling pathways.

Therefore, much of the knowledge that we have about the immune system of A. mellifera has been

deduced from the knowledge of dipteran immune systems. Advances in genomics allow study of both

the evolution of biological systems and immune systems.

꿀벌의 면역 유전자 수의 은연중 내포된 감소는 사회적 방어의 중요성(즉, 사회적 행동 기반)

및/또는 꿀벌과 함께 고도로 진화하는 제한된 병원균에 의해 공격받는 경향을 반영할 수 있다(11).

꿀벌, 초파리 및 학질 모기의 타고난 면역 체계의 유사점 중의 하나는 모두 동일한 신호 경로를

가지고 있다는 것이다. 따라서, 우리가 서양종 꿀벌의 면역 체계에 대해 알고 있는 많은 지식은

파리류(쌍시류)의 면역 체계에 대한 지식에서 추정하여 왔다. 유전체학의 발전으로 생물학적

체계와 면역 체계의 진화를 모두 연구할 수 있다.

The resulting deeper knowledge has proved valuable in understanding, treating and preventing disease

in species of social or economic importance. Indeed, the sequencing of the A. mellifera genome has led to

prediction of their immune system components, such as the recognition receptors, effectors and pathways

involved in host defense(8) . The present review of the honey bee immune system covers both general and

specific aspects of current knowledge on the innate immune system, its components and regulation,

immune responses and social immunity. 

그 결과로 얻은 더 깊은 지식은 사회적 또는 경제적으로 중요한 종의 질병을 이해하고, 치료 및

예방하는데 가치가 있음이 입증되었다. 실제로, 서양종 꿀벌 게놈의 유전자 배열은 인식 수용체,

반응기(器) 및 숙주 방어에 관여하는 경로와 같은, 면역 체계 구성 요소의 예측으로 이어졌다(8).
꿀벌 면역 체계에 대한 현재의 재조사는 선천적 면역 체계, 그것의 구성 요소 및 조절, 면역 반응

및 사회적 면역에 대한 현재 지식의 일반적이고 및 특별한 측면을 모두 다룬다.

                                     Types of immune systems

                                           면역 체계의 종류

Of the two types of immune systems, innate and adaptive, higher vertebrates have both to fight against

pathogens, while insects have the innate immune system as their sole line of defense (Table 1). Innate immunity

responds to exposure to pathogens or toxic substances with acquired (preexisting) mechanisms, such as

physical barriers (e.g. cuticle, mucous membranes, etc.), and cells and chemicals that neutralize toxins and

pathogens.

선천적 및 적응적인, 두가지 유형의 면역체계 중에서, 고등 척추동물은 병원균과 싸워야

하는 반면, 곤충은 유일한 방어선으로 선천 면역 체계를 가지고 있다(표 1). 선천적 면역은 물리적

장벽(예: 표피, 점막, 등), 독소 및 병원균을 중화하는 세포 및 화학물질과 같은, 후천적(기존의)

메카니즘으로 병원균 또는 독성 물질의 노출에 반응한다.

The innate immune system in higher vertebrates uses cellular effectors including phagocytes, dendritic cells,

natural killer cells and mast cells, among others(7). Humoral effectors consist of supplement system fractions,

acute phase proteins, antimicrobial peptides (AMPs), natural antibodies, and the various cytokines

that modulate immune response(7) . Innate immune system specificity is in part inherited, resulting from

coevolution of individual immune systems with myriad pathogens(12) .

고등 척추동물의 선천적 면역 체계는 특히 그중에서 식세포(백혈구 등), 수지상세포(樹枝狀細胞),

자연 살해 세포 및 비만 세포를 포함하는 세포 반응기를 사용한다(7). 체액 반응기는 보조 체계 파편,

급성기 단백질(急性期蛋白質), 항균 펩타이드(AMP), 천연 항체 및 면역 반응을 조절하는 다양한

사이토카인으로 구성된다(7). 선천적 면역 체계의 특이성은 부분적으로 유전되며, 이는 개별 면역

체계가 수많은 병원균과 공진화한 결과이다(12).

주)

* 식세포 : 동물체의 몸속에 있으면서 해로운 균이나 이물질 따위를 흡수하여 소화, 분해하는 세포. 백혈구,임파구 등

* 수지상세포(樹枝狀細胞) : 수상돌기 세포, 혈액 등에 존재하는 것으로 외부물질이 체내 칩입했을때 이를 인식해

면역계에 경고신호를 보내는 기능을 갖고 있다.

* 반응기(effector) : 신경 자극에 대한 반응을 전달하는 조직이나 세포

* 자연 살해 세포 : K cell이라고 약기. 사람이나 동물 림프구의 일부에서 볼 수 있는 암세포 및 바이러스 감염세포를

  인식하여 죽이는 대형 림프구 새포.

* 비만 세포 : 비만세포는 특이한 이질염색성 염색반응을 보이는 거친 알갱이로 차 있으며, 생물학적 활성을 가진

  헤파린과 히스타민을 분비한다. 헤파린은 항응고인자이며, 히스타민은 혈관의 투과성에 영향을 준다.

  그러나 비만세포의 구체적인 생리적 기능은 밝혀지지 않았다. 

*사이토카인 : 항(抗) 종양 효과를 발휘하는 활성 액성(液性) 인자. 여러 다른 세포에서 분비되며, 호르몬과 같이

저분자량의 단백질로서 면역반응의 강도와 지속기간을 조절하며 세포와 세포 사이의 전달에 관여하고 있다

Adaptive, or acquired, immunity refers to specific immune reactions tailored to particular toxins or pathogens.

These toxins or pathogens are known as antigens (antibody generators) or immunogens. Adaptive immunity

in vertebrates implies the ability to remember specific pathogens and react with production of antibodies

specific to each pathogen when an organism is exposed to the same pathogen more than once. One way to

differentiate between innate and adaptive immune systems is based on the way an organism encodes

the molecules with which it recognizes pathogens.

적응 면역 또는 후천 면역은 특정 독소 또는 병원균에 맞춰진 특정 면역 반응을 뜻한다. 

이러한 독소 또는 병원균을 항원(항체 생성기) 또는 면역원로 알려져 있다. 척추동물의

적응 면역은 특정 병원균을 기억하고 유기체가 같은 병원균에 한 번 이상 노출되었을 때

각 병원균에 특정한 항체 생성에 반응하는 능력을 의미한다. 

선천 면역 체계와 적응 면역 체계를 구별하는 한 가지 방법은 유기체가 병원균울 인식하는

분자를 암호화하는 방식을 기반으로 한다.

Innate immunity involves encoding these recognition receptors directly into the germline, which is

then inherited by offspring. In this sense, the repertoire of receptors identified in studied species is

limited and promiscuous. Adaptive immunity requires far more receptors than innate immunity,

with a repertoire of adaptive immunity receptors that is broad enough to potentially recognize

an infinite number of pathogens(7) . Rev Mex Cienc Pecu 2019;10(3):705-72

선천성 면역은 이러한 인식 수용체를 생식세포에 직접 암호화하는 것을 포함하며, 생식세포는

자손에게 유전이 된다. 이러한 의미에서, 연구된 종에서 확인된 수용체의 래퍼토리는 제한적이고

난잡하다. 적응 면역은 잠재적으로 무한한 수의 병원균을 인식할 수 있을 만큼 충분히 

넓은 적응 면역 수용체의 레퍼토리와 함께, 선천적 면역보다 훨씬 더 많은 수용체를 

필요로 한다(7). 레브 멕시엔크 페쿠 2019;10(3):705-72

Types of immune systems Of the two types of immune systems, innate and adaptive, higher vertebrates have

both to fight against pathogens, while insects have the innate immune system as their sole line of defense (Table 1).

Innate immunity responds to exposure to pathogens or toxic substances with acquired (preexisting) mechanisms,

such as physical barriers (e.g. cuticle, mucous membranes, etc.), and cells and chemicals that neutralize toxins and

pathogens. The innate immune system in higher vertebrates uses cellular effectors including phagocytes,

dendritic cells, natural killer cells and mast cells, among others(7).

면역 체계의 유형인, 선천적 면역 체계와 후천적 면역 체계 중에서, 고등 척추동물은 병원체와 싸워야 

하는 반면, 곤충은 유일한 방어선으로 선천적 면역 체계를 가지고 있다(표 1). 

선천성 면역은 물리적 장벽(예: 표피, 점막 등), 독소 및 병원균을 중화하는 세포 및 화학물질과 같은, 

후천적(기존에 있는) 기전으로 병원균 또는 독성 물질에 대한 노출에 반응을 한다. 고등 척추동물의

선천적 면역 체계는 특히 식세포, 수지상 세포, 자연살해 세포 및 비만 세포를 포함한 세포 반응기를

사용한다(7).

주) 반응기(器)(effector) : 신경 자극에 대한 반응을 전달하는 조직이나 세포

Humoral effectors consist of supplement system fractions, acute phase proteins, antimicrobial peptides (AMPs),

natural antibodies, and the various cytokines that modulate immune response(7) . Innate immune system

specificity is in part inherited, resulting from coevolution of individual immune systems with myriad pathogens(12) .

Adaptive, or acquired, immunity refers to specific immune reactions tailored to particular toxins or pathogens.

These toxins or pathogens are known as antigens (antibody generators) or immunogens. Adaptive immunity

in vertebrates implies the ability to remember specific pathogens and react with production of antibodies specific

to each pathogen when an organism is exposed to the same pathogen more than once.

체액 반응기는 보조 시스템 분획, 급성기 단백질, 항균 펩타이드(AMPs), 자연 항체 및 면역 반응을 

조절하는 다양한 사이토카인으로 구성된다(7). 선천적 면역 체계 특이성은 부분적으로 유전되며, 

수많은 병원균과 개별 면역 체계의 공(동)진화로 인해 발생한다(12). 적응 면역 또는 후천 면역은

특정 독소 또는 병원균에 맞춘 특정 면역 반응을 나타낸다. 이러한 독소 또는 병원균을 

항원(항체 생성기) 또는 면역원로 알려져 있다. 척추동물의 적응 면역은 유기체가 동일한 병원균에 

두 번 이상 노출되었을 때 특정 병원균을 기억하고 각 병원체에 특유한 항체 생성에 반응하는

능력을 의미한다.

One way to differentiate between innate and adaptive immune systems is based on the way an organism

encodes the molecules with which it recognizes pathogens. Innate immunity involves encoding these recognition

receptors directly into the germline, which is then inherited by offspring. In this sense, the repertoire of receptors

identified in studied species is limited and promiscuous. Adaptive immunity requires far more receptors than

innate immunity, with a repertoire of adaptive immunity receptors that is broad enough to potentially recognize

an infinite number of pathogens(7) . 

선천 면역 체계와 후천 면역 체계를 구별하는 한 가지 방법은 유기체가 병원균을 인식하는 분자를 

암호화하는 방식을 기반으로 한다. 선천성 면역은 이러한 인식 수용체를 생식선으로 직접 암호화한 

다음 자손에게 유전되는 것을 포함한다. 이러한 의미에서, 연구된 종에서 확인된 수용체의 

레퍼토리는 제한적이고 난잡(잡다)하다. 적응 면역은 잠재적으로 무한한 수의 병원균을 인식할 수 있을

만큼 충분히 광범위한 적응 면역 수용체의 레퍼토리와 함께, 선천적 면역보다 훨씬 더 많은 수용체를 

필요로 한다(7). 

[송인택]

봄철마다 대량실종 사태가 반복되어 그 원인이 온난화, 응애 또는 바이러스 때문인지, 설탕꿀 생산에 투입되어 영양부족과 과로로 인한 단명인지 한국꿀벌생태환경보호협회에서 금년 겨울에 관측실험을 할 예정입니다.

충북 영동 소재 꿀벌목장 화밀원의 동굴과 야지에서 천연꿀생산꿀벌, 월동사양꿀벌, 설탕꿀생산꿀벌 봉군들을 모기장을 씌워 같은 조건에서 월동을 시키며 꿀벌의 감소 숫자와 사체의 치명적 바이러스 유무, 응애 숫자가 월동에 미치는 영향 등을 비교 연구하고자 합니다.

언론사와 곤충 바이러스전문가 등도 최대한 섭외 예정인데, 연구와 관찰에 참여하시어 도움을 주셨으면 합니다.

송인택 (010-7700-9415) 드림