질내균총과 자궁경부암 상관관계 규명...서울대학교 보건대학원 고광표 교수 연구팀

[임광자]

국내 연구진이 차세대 염기서열 분석기술을 통해 인유두종바이러스(HPVs)의 감염에 따른 여성의 질내균총을 구성하는 미생물의 동적인 변화를 밝혀냈다. 인유두종바이러스와 상관관계가 높은 미생물을 밝혀냄으로써 HPV 감염 및 자궁경부암으로 진행되는 병인규명과 진단의 마커로 활용할 수 있을 것으로 기대된다. 

서울대학교 보건대학원 고광표 교수 연구팀의 이정은 박사가 제1저자로 참여한 이번 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구자지원사업(도약)의 지원으로 수행되었고 연구결과는 관련 학술지 PLoS One 5월 22일자 온라인판에 게재되었다. 

전체 자궁암 발생빈도에서 95%를 차지하는 자궁경부암은 여성 암 가운데 두 번째로 발생빈도가 높으나, 전암(前癌) 단계에서 진단하면 암발생을 예방할 수 있어 조기진단 기술이 매우 중요하다.    

특히 자궁경부암 환자의 99%에서 인유두종바이러스가 검출되어 종래 자궁세포진 검사나 질확대경 검사를 보완할 수 있는 인유두종바이러스 특이적 유전자형 확인 연구가 활발하다.

연구팀은 68명의 일란성 쌍둥이 및 가족들을 연구대상으로 하여 인유두종바이러스 감염 및 자궁경부암으로의 진행과 밀접한 관련이 있는 새로운 질내균총 변화를 발견하였다.

일란성쌍둥이 중에 한명은 정상이고 다른 한명은 인유두종바이러스 감염 또는 자궁경부암에 걸린 쌍둥이 환자(discordant twin) 들을 대상자로, 질내균총의 변화를 차세대 분석염기서열기술(next generation sequencing technology)을 이용하여 연구를 수행하였다. 

이러한 일란성쌍둥이를 대상자로 한 연구방식은 인간의 유전적 요인을 배재하고 관련 인자를 규명하는 최상의 연구방식으로, 본 연구의 결과 고위험성 인유두종바이러스 감염 및 자궁경부암 환자에게서는 스니치아(Snethia spp.) 미생물이 증가하는 반면 정상균총인 락토바실러스(Lactobacillus spp.) 미생물은 감소했다. 

또한 부차적으로 일란성쌍둥이의 폐경기 어머니와 쌍둥이 자녀와의 질내균총을 비교분석한 결과, 폐경기 이후에는 질내에서 락토바실러스 미생물이 급격하게 감소하고 다른 미생물군이 증가되는 것이 관찰되었다. 

하지만 호르몬(estrogen) 대체요법을 받은 폐경 이후의 여성의 경우는 이러한 질내 균총의 변화가 없거나 매우 낮아, 에스트로겐 등의 여성호르몬의 변화도 질내균총의 변화를 유도하는 것으로 함께 규명하였다. 

고광표 교수는 “질내균총 변화의 발견을 통해 인유두종바이러스 감염과 자궁경부암으로 진행되는 병인규명과 진단마커로 활용할 수 있을 것으로 기대된다”고 밝혔다.

연 구 결 과  개 요

1. 연구배경

  자궁경부암은 자궁경부에서 발생하는 악성 종양으로 전체 자궁암 발생빈도의 95%를 차지하고 있으며, 전 세계의 여성 암 가운데 유방암 다음으로 두 번째로 발생 빈도가 높다. 특히, 자궁경부암 여성의 99%에서 인유두종바이러스(HPV)1)가 검출되며, 이들 고위험성 HPV에 의한 감염은 자궁경부암의 발생과 밀접한 연관이 있음이 알려져 있다. 한편, 여성의 질내균총2)은 질내 환경의 건강 지표로서, 효모 감염, 성 매개 감염증, 요로 감염증과 같은 비뇨 생식기 질환으로부터 여성을 보호하는 역할을 한다. 그러나, 지금까지 질내균총에 관한 대부분의 연구는 건강한 여성 또는 세균성 질염3)을 가진 여성들의 미생물 군집 구성의 변화에 초점이 맞춰져 왔으며, HPV와 같은 바이러스의 감염에 따른 여성 질내균총의 변화에 관한 연구 및 HPV 감염에 따라 특이적으로 변화하는 미생물에 관한 연구는 미비한 실정이다.

2. 연구내용

  본 연구에서는 HPV에 양성/음성을 나타나는 일란성 쌍둥이(HPV-감염 불일치 쌍둥이)4)와 그 가족을 대상으로 하여, 인체 미생물총 분석에 어려움을 주는 유전적, 환경적 영향을 배제하였으며, 그 결과 HPV 감염과 질내균총의 관계를 객관적으로 파악하고자 하였다.
  세균 16S rRNA 유전자의 가변 영역(V2-V3)5)에 대한 454 파이로시퀀싱 분석6)을 통하여, HPV 에 감염되었거나 감염되지 않은 68 명의 쌍둥이 및 이들 가족들의 질내균총에 관하여 조사하였다.
  연구에는 차세대 염기서열 분석기술(Next-generation sequencing
technology)이 사용되었다. Sanger 방식의 전통적 염기서열결정 방식(1세대 방식)에 이어 등장한 염기서열 분석 기술로 2007년 솔렉사 사가 일루미나 사에 합병되면서 사용된 용어이다. 빠른 속도와 고효율의 염기서열 분석이 가능하며, 다양한 종류의 상업적 분석 플랫폼이 있으나(Roche 454 GS FLX sequencer, Illumina Genome Analyzer, ABI SOLiD sequencer 등), Bacterium-free clonal am plification 기술과 cyclic한 massively parallel sequencing 기술을 이용한다는 공통점이 있다. 최근 3세대 및 4세대 기술을 표방하는 플랫폼이 출시되고 있다.
  분석 결과, 질내균총을 구성하는 미생물의 대부분은 다음 여섯 개의 주요 문(phyla)에 해당하였다 : 피르미쿠트(Firmicutes), 박테로이데트(Bacteroidetes), 푸소박테리아(Fusobacteria), 악티노박테리아(Actinobac- teria), 테네리쿠트(Tenericutes) 및 프로테오박테리아(Proteobacteria). 이 중, 락토바실러스 속(Lactobacillus spp.)7)이 속해 있는 피르미쿠트(Firmicutes)가 정상 폐경 전 여성에서 가장 많은 겻으로 나타났다 (>77%).
  HPV 감염은 질내균총의 변화와 깊은 관련을 나타냈으며, HPV 감염 여성의 경우 미생물 군집의 다양성 및 미생물 종의 풍부함이 높게 나타났다. 
  특히, HPV-감염 불일치 쌍둥이 연구에서, HPV-양성 여성이 HPV-음성 여성에 비해 락토바실러스 속(Lactobacillus spp.)7)의 비율은 낮고, 스니치아 속(Sneathia spp.)8)을 포함한 푸소박테리아(Fusobacteria)가 HPV 감염 상태에서 높게 검출되는 것을 확인하였다. (그림1)
  미생물 다양성의 증가는 폐경 후 여성에게서도 동일하게 관찰되었다. 더불어 호르몬 대체 요법을 받은 폐경 후 여성의 질내균총은 폐경 전 여성의 질내균총과 매우 유사하게 나타났는데, 이런 결과는 폐경 후 질내균총의 변화가 호르몬의 변화에 영향을 받으며, 호르몬 대체 요법에 의해 역전될 수 있음을 보여주었다. (그림2)
  또한, 폐경에 따라 락토바실러스 속(Lactobacillus spp.)의 감소 및 포르피로모나스 속(Porphyromonas spp.), 스트렙토코커스 속(Streptococcus spp.), 스핑고모나스 속(Sphingomonas spp.), 캠플릴로박터 속(Camplylobacter spp.) 및 펩토니펠러스 속(Peptoniphilus spp.)의 증가와 같은 질내균총의 유의적 변화가 나타났다.  (그림3)
  쌍둥이의 자매와 모친을 포함한 가족을 대상으로 한 연구 결과, 일란성 쌍둥이 간의 질내균총의 유사성은 자매와 모친의 것보다 훨씬 더 유사하였으며, 쌍둥이의 질내 미생물 군집은 (모두 폐경 상태에 해당하는) 모친의 질내 미생물 군집과 유의적인 차이를 나타내었다.

3. 기대효과

  지금까지의 HPV 감염 및 자궁경부암 진단 기술은 HPV 관련 유전자들의 분자생물학적 검출에 대한 것이 대부분이며, 질내균총과 HPV 감염 간의 관련성을 규명하고 이를 자궁경부암 진단에 활용하고자 하는 목적의 연구는 거의 전무한 실정이다. 스니치아 속 미생물 군집이 HPV-양성 여성에게서 유의적으로 높게 검출되는 것을 이용하여, 검체 시료로부터 스니치아 속 미생물을 검출함으로써 HPV의 감염 또는 이로 인한 자궁경부암의 진단을 위한 바이오마커로 활용할 수 있다. 이는 인체 미생물균총 연구를 질병 진단에 적용한 좋은 예가 될 것이다.

그림 1.  HPV 불일치 쌍둥이에서 HPV-음성 여성과 HPV-양성 여성의 질내균총 비교
HPV-양성 여성과 HPV-음성 여성 간의 질내균총의 차이가 나타남. 특히, HPV 감염은 락토바실러스 속 미생물군집의 감소 및 스니치아 속(Sneathia spp.)을 비롯한 다이아리스터(Dialister spp.) 메가스페라 속(Megasphaera spp.)의 증가와 밀접한 관계를 보임. 이들 미생물 중 스니치아 속 미생물은 HPV 감염에 대한 미생물학적 마커로 활용 가능.

그림 2.  폐경 상태와 호르몬 대체 요법의 실시에 따른 미생물 다양성의 변화
(A) 폐경 전 여성과 폐경 후 여성의 refraction curve (미생물 군집의 그룹내 다양성을 나타냄, α-diversity). 폐경 후 여성의 경우 질내균총을 구성하는 미생물의 종류가 증가하는 경향을 보임. (B) 호르몬 대체 요법을 받은 여성과 그렇지 않은 여성의 미생물 군집을 살펴보면, 호르몬 대체 요법을 통해 폐경 후 나타난 다양성의 변화가 다시 역전되는 현상을 보임.

그림 3. 폐경 상태와 호르몬 대체 요법의 실시에 따른 질내균총 분포
(A) 락토바실러스 속은 폐경 전 여성에 많이 나타났고 폐경 후 여성에게서 다양한 미생물 분포를 나타냄. (B) 호르몬 대체 요법을 받은 폐경 후 여성 질내균총은 폐경 전 여성의 분포와 비슷하게 나타남.

Journal reference
Association of the Vaginal Microbiota with Human Papillomavirus Infection in a Korean Twin Cohort
Jung Eun Lee, Sunghee Lee, Heetae Lee, Yun-Mi Song, Kayoung Lee, Min Ji Han, Joohon Sung, GwangPyo Ko
PLoS ONE 8(5): e63514. doi:10.1371/journal. pone.