식중독균 리스테리아의 편모 생성조절 기전 찾았다

식중독균 리스테리아의 편모 생성조절 기전 찾았다

 

등록일2022.11.08.

 

 

 

 

식중독균 리스테리아의 편모 생성조절 기전 찾았다
- 리스테리아균 감염질환 치료제 개발의 단초 마련 -
  

□ 국내연구진이 식중독을 유발하는 리스테리아균*의 인간 감염 과정에서 중요한 역할을 담당하는 편모**의 생성 조절 기전을 밝혔다.
   * 리스테리아균 : 병원성 세균으로 육류, 유제품 등을 오염시켜 식중독 증상을 유발함. 면역저하자의 경우 패혈증, 뇌수막염 등의 심각한 질환을 야기함.
   ** 편모 : 세균 표면에 부착된 채찍 모양의 구조물로 회전을 통해 세균에 운동성을 제공함.

□ 한국연구재단(이사장 이광복)은 윤성일 교수(강원대학교, 제1저자 조소연, 나혜원 대학원생) 연구팀이 리스테리아균의 편모 생성이 온도에 따른 GmaR 단백질의 독특한 구조적 변화에 의해 제어된다는 사실을 규명했다고 밝혔다. 

□ 리스테리아균은 온도에 따라 운동방식이 다른데,
 ○ 30도 이하 환경에서는 편모를 이용해 능동적으로 운동하고 증식한다. 하지만, 37도 체내 환경에서는 편모 단백질이 선천성 면역 반응을 일으키고 다양한 항체반응을 유도하기 때문에 편모의 발현을 억제하고 인간 액틴 단백질을 중합해 운동성을 획득한다.

□ 온도에 따른 리스테리아균의 편모 단백질 발현은 전사억제 인자*인 MogR 단백질과 항억제 인자**인 GmaR 단백질을 통해 정교하게 조절되지만, GmaR-MogR 시스템이 온도에 따른 편모 형성에 어떻게 영향을 미치는지에 대한 구조적, 분자적 기전은 최근까지 밝혀지지 않았다. 
   * 전사억제 인자(transcriptional repressor) : DNA 유전암호가 RNA중합효소에 의해 전령RNA(mRNA)로 옮겨지는 전사(transcription) 과정을 억제하는 단백질.
   ** 항억제 인자(antirepressor) : 전사억제 인자에 결합하여 전사억제 기능을 저해하는 단백질.

□ 연구팀은 엑스선 결정학을 이용해 GmaR 단백질의 단독 구조 및 MogR 단백질에 결합했을 때의 구조를 원자수준에서 규명하고, 3차원 구조 분석과 생물리화학 및 세포실험을 통해 GmaR-MogR 시스템의 작동방식을 제시하였다.
 ○ 낮은 온도에서 GmaR 단백질은 환형의 단량체로 존재하며 MogR의 멀리 떨어진 두 부위를 직접적으로 인식함으로써 MogR의 편모 단백질 발현 억제능력을 무력화시키고 결국 편모 발현을 유도한다.

□ 또한 연구팀은 온도가 올라감에 따라 GmaR 단백질이 변성되어 MogR 결합능을 소실한 비정상적 응집체를 형성한다는 사실도 밝혔다. 
 ○ 즉, 37도에서 만들어진 GmaR 응집체는 MogR에 결합하지 못 하기 때문에 MogR이 정상적으로 기능하게 하고, 결국 편모 단백질 발현이 억제된 것을 확인할 수 있었다.

□ 윤성일 교수는 “이번 연구는 리스테리아균의 온도 적응방식을 구체적으로 규명한 데 의의가 있다”라며 “앞으로 리스테리아 감염증에 특이적이고 선택적인 약물을 개발할 수 있는 토대가 되기를 기대한다”고 밝혔다.  

□ 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구사업의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 생화학·분자생물학분야 국제학술지‘뉴클레익 애시드 리서치(Nucleic acids research)’에 10월 26일(한국시간) 게재되었다.

주요내용 설명

 <작성 : 강원대학교 윤성일 교수>


논문명
Structural basis of flagellar motility regulation by the MogR repressor and the GmaR antirepressor in Listeria monocytogenes
저널명 
Nucleic Acids Research
키워드 
GmaR, MogR, transcriptional repressor, antirepressor, Listeria monocytogenes 
DOI
(게재 전)
저  자
윤성일 교수(교신저자/강원대학교), 조소연 대학원생(제1저자/강원대학교), 나혜원 대학원생(제1저자/강원대학교)

1. 연구의 필요성
 ○ 리스테리아균(Listeria monocytogenes)은 식중독 유발 병원균으로서 건강한 사람의 경우 발열, 오한, 설사 증세를 일으킨다. 하지만 임산부, 영아, 면역저하환자의 경우 패혈증과 뇌수막염을 유발하고 치사율이 20%까지 이른다. 
 ○ 리스테리아균은 온도에 따라 운동방식이 다르다.
- 리스테리아균은 30도 이하의 숙주 밖 환경에서는 편모를 이용해 능동적으로 운동하며 증식한다. 
- 편모 단백질은 체내에서 선천성 면역반응을 유발하고 다양한 항체반응을 유도하기 때문에 리스테리아균은 체내에서 편모단백질을 발현하지 않고 숙주의 면역체계를 회피하는 방향으로 진화해 왔다. 
- 체내와 같은 37도에서는 편모 구성 단백질의 발현이 억제되고 대신 숙주 세포 내에 존재하는 액틴을 중합하여 운동성을 나타낸다.
- 따라서 편모 단백질 발현 조절은 리스테리아균의 운동성뿐 아니라 성공적 병원성 유발에 필수적으로 요구된다. 
 ○ 온도에 따른 리스테리아균의 편모 단백질 발현 조절은 편모 전사억제 인자인 MogR 단백질과 항억제 인자인 GmaR 단백질을 이용한 정교한 시스템을 통해 일어난다. 그러나 GmaR-MogR 시스템 작동 기전은 명확히 알려지지 않았으며 리스테리아균의 운동성 조절에 대한 이해는 부족한 편이다.
 
2. 연구내용 
 ○ 본 연구에서는 GmaR-MogR 시스템에 대한 3차원 구조 분석과 다양한 생물리화학 및 세포실험을 시도하여 GmaR이 어떻게 MogR의 편모 발현 억제 기능을 저해하는지를 규명하였다. 또한 GmaR 단백질의 열 민감성을 밝힘으로써 온도에 따른 편모 발현 조절의 분자적 기전을 제시하였다. 
 ○ GmaR은 30도 이하에서 높은 단백질 안정성을 나타내는 단량체로 존재하며 환형의 다중 도메인 구조를 형성한다. GmaR은 공간적으로 분리된 C-말단 항억제 도메인의 두 부분을 이용하여 MogR과 강하게 결합한다. GmaR은 이러한 결합에 기초한 경쟁 및 공간 제한 기전을 이용하여 편모 단백질 전사억제자로서의 MogR 기능을 무력화시키고 결국 편모 발현을 유도한다.
 ○ 30도 이하와는 달리 37도에서 GmaR 단백질은 환형 구조를 잃고 자가 응집하여 MogR에 결합하지 못 하고 MogR이 편모 단백질 발현을 억제하도록 유도한다. 즉 GmaR 기능 소실로 인해 리스테리아균은 편모를 생성하지 않고 편모 유발 면역반응을 회피한다. 

3. 연구성과/기대효과
 ○ 연구를 통해 리스테리아균 GmaR에 의한 편모 단백질 발현 조절의 온도 의존성 기전을 제시하였다.
 ○ 본 연구 결과는 리스테리아균에 특이적이고 선택적인 약물을 개발할 수 있는 토대를 제공한다. 편모형성 억제 물질은 리스테리아균에 의한 음식물 오염률과 식중독 발병률을 낮춘다. 또한 숙주세포 내에서 리스테리아균 편모 형성을 유발하는 약물은 리스테리아균 편모에 대한 체내 면역반응을 활성화시켜 자발적인 면역시스템에 의한 감염 치료에 활용될 수 있다.

그림 설명





(그림1) 낮은 온도에서의 GmaR-MogR 복합체의 삼차원 구조
GmaR은 도메인 별로 다른 색깔의 표면으로 표시되어 있으며, MogR은 녹색 리본 구조로 나타냈음. GmaR은 항억제 도메인의 site 1과 site 2 두 부분을 이용해 MogR에 결합함.

그림설명 및 그림제공 : 강원대학교 의생명융합학부 윤성일 교수 

다음 참고문헌의 그림을 변형하였으며 이 그림을 사용하기 위해서는 다음 참고문헌의 인용이 필요함. 
So Yeon Cho, Hye-won Na, Han-Byeol Oh, Yun Mi Kwak, Wan Seok Song, Sun Cheol Park, Wook-Jong Jeon, Hongbaek Cho, Byung-Chul Oh, Jeongho Park, Seung Goo Kang, Geun-Shik Lee, Sung-il Yoon (2022) Structural basis of flagellar motility regulation by the MogR repressor and the GmaR antirepressor in Listeria monocytogenes. Nucleic Acids Research (in press)



(그림2) 온도에 따른 리스테리아균 편모 형성 조절 모식도
(A) 30도 이하의 체외 환경에서 리스테리아균의 GmaR은 환형의 단량체로 존재하며 전사억제 인자인 MogR에 이중 결합하여 MogR의 기능을 저해함. 편모 유전자의 전사가 유도되어 편모를 형성할 수 있고 편모를 이용한 운동성을 획득함.
(B) 37도 체내에서 리스테리아균의 GmaR은 응집되어 MogR에 결합하지 못 함. 따라서 MogR은 편모 유전자의 작동자에 결합하여 편모 유전자의 전사를 억제하고 결국 편모를 형성하지 못 함. 대신 체내의 액틴 단백질을 중합하여 운동성을 가짐.
그림설명 및 그림제공 : 강원대학교 의생명융합학부 윤성일 교수 

다음 참고문헌의 그림을 변형하였으며 이 그림을 사용하기 위해서는 다음 참고문헌의 인용이 필요함. 
So Yeon Cho, Hye-won Na, Han-Byeol Oh, Yun Mi Kwak, Wan Seok Song, Sun Cheol Park, Wook-Jong Jeon, Hongbaek Cho, Byung-Chul Oh, Jeongho Park, Seung Goo Kang, Geun-Shik Lee, Sung-il Yoon (2022) Structural basis of flagellar motility regulation by the MogR repressor and the GmaR antirepressor in Listeria monocytogenes. Nucleic Acids Research (in press)

연구 이야기

                                         <작성 : 강원대학교 윤성일 교수>

□ 연구를 시작한 계기나 배경은? 

본 연구실에서는 세균 편모의 다양한 역할에 대해 주로 구조생물학 입장에서 연구해 왔다. 편모 조립에 대한 편모 단백질의 세균 내 역할뿐 아니라 면역수용체의 활성화라는 숙주에서의 편모 단백질의 역할에 대한 연구를 수행했다. 편모 단백질이 정상적으로 기능하기 위해서는 상황에 따라 편모 단백질 유전자의 전사 조절이 정확하게 이뤄져야 한다. 특이하게도 리스테리아균은 온도에 따라 편모 단백질의 발현 양상을 바꾸게 되는데 편모 전사 조절에 대한 구조적 연구는 거의 이뤄져 있지 않아 본 연구를 시작하게 되었다.


□ 연구 전개 과정에 대한 소개

낮은 온도에서 GmaR은 MogR에 결합함으로써 MogR의 편모 단백질 발현 억제능을 저해하는데, GmaR과 MogR 결합 방식을 이해하기 위해 먼저 X-선 결정학을 활용하여 GmaR 및 GmaR-MogR 복합체의 삼차원 구조를 규명하였다. 또한 구조에서 보이는 GmaR-MogR 상호작용을 돌연변이를 활용한 생물리화학적 실험과 세포 실험을 통해 입증하였다. 추가적인 돌연변이 연구를 통해, GmaR은 경쟁 기전과 공간 제한 기전을 동시에 이용해 MogR의 활성을 무력화시킨다는 사실을 밝혔다. 37도에서 GmaR은 MogR 결합 능력을 상실하는데, 이에 대한 원인을 제시하기 위해 GmaR의 열 안정성을 테스트하였으며 GmaR은 온도가 올라가면서 응집되는 현상을 보였으며 이로 인해 MogR에 결합할 수 없었다. 


□ 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소는 무엇인지? 어떻게 극복(해결)하였는지?

GmaR은 C-말단 도메인의 두 부분(site 1과 site 2)를 이용해 MogR에 결합하는데 구조 상에서는 site 2가 훨씬 중요한 역할을 담당하는 것으로 생각되었다. 하지만 단백질 절편을 이용한 추가 실험에서 site 1이 더 중요함을 알게 되었다. 이러한 상반된 결과를 검증하기 위해 오랫동안 다양한 돌연변이를 제작하고 다각적인 실험방식을 동원했어야만 했다는 점이 연구 수행에 가장 힘들었다.  


□ 이번 성과, 무엇이 다른가? 

GmaR 그리고 GmaR-MogR 복합체의 삼차원 구조를 최초로 밝히고 다양한 방식으로 검증함으로써 GmaR의 MogR 인식 및 기능 저해의 정확한 기전을 이해할 수 있었다는 점에서 이번 연구의 큰 의의를 찾을 수 있다. 또한 온도에 따른 GmaR 구조적 변화를 추적함으로써 리스테리아균 편모 형성의 온도 의존성을 분자 수준에서 이해할 수 있게 되었다.

□ 실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나? 실용화를 위한 과제는? 

리스테리아균의 항생제 내성 비율은 지속적으로 올라가고 있으며 리스테리아 감염질환을 효과적으로 치료하기 위한 새로운 리스테리아균 제어 물질 탐색의 필요성은 꾸준히 제기되고 있다. 본 연구를 통해 리스테리아균 GmaR 또는 MogR을 타겟팅하는 새로운 약물을 개발할 수 있는 토대가 마련되었다.


□ 꼭 이루고 싶은 목표나 후속 연구계획은? 

이번 연구에서는 연구 편의성을 위해 MogR의 DNA 결합 도메인만을 활용하였다. 하지만 MogR은 추가적인 C-말단 도메인을 이용해 중합체를 형성하는데, 이 부위 또는 이 부위를 이용한 중합체 형성이 GmaR 결합에 미치는 영향을 후속 연구로 밝혀내고자 한다. 또한 37도에서 리스테리아균의 운동성 획득에 대한 구조 연구도 진행하고자 한다.