돼지군 논문-비브리오 패혈증균 원리 규명, 축하합니다.

둘째 아들 돼지가 연구한 논문이 지난 해 9월 17일에 이어 2013년 7월 23일 날짜로 미국 국립과학원 회보지(PNAS)온라인판에 게재됐다고 한다

인터넷을 뒤져보니 온통 비브리오 패혈증 이야기 일색이다. 

 

생물학연구정보센터(BRIC)가 운영하는 한국을 빛내는 사람들 란에도 소개가 되어 있었다.

Proc. Natl. Acad. Sci. USA, July 23, 2013 vol. 110 no. 30 E2829-E2837. Published online before print July 5, 2013, doi: 10.1073/pnas.1302859110

Structural insights into the regulation of sialic acid catabolism by the Vibrio vulnificus transcriptional repressor NanR

Jungwon Hwang^a,b,1, Byoung Sik Kim^c,1, Song Yee Jang^a, Jong Gyu Lim^c, Dong-Ju You^d, Hyun Suk Jung^d, Tae-Kwang Oh^a, Jie-Oh Lee^b, Sang Ho Choi^c,2, and Myung Hee Kim<sup>a,e,2

a</sup>Infection and Immunity Research Center, Korea Research Institute of Bioscience and Biotechnology, Daejeon 305-806, Korea;
^bDepartment of Chemistry, Korea Advanced Institute of Science and Technology, Daejeon 305-701, Korea;
^cNational Research Laboratory of Molecular Microbiology and Toxicology, Department of Agricultural Biotechnology, Center for Food Safety and Toxicology, Seoul National University, Seoul 151-921, Korea;
^dDivision of Electron Microscopic Research, Korea Basic Science Institute, Daejeon 305-333, Korea; and
^eBiosystems and Bioengineering Program, University of Science and Technology, Daejeon 305-350, Korea

Edited by Robert Huber, Max Planck Institute of Biochemistry, Planegg-Martinsried, Germany, and approved June 6, 2013 (received for review February 16, 2013)

Abstract
Pathogenic and commensal bacteria that experience limited nutrient availability in their host have evolved sophisticated systems to catabolize the mucin sugar N-acetylneuraminic acid, thereby facilitating their survival and colonization. The correct function of the associated catabolic machinery is particularly crucial for the pathogenesis of enteropathogenic bacteria during infection, although the molecular mechanisms involved with the regulation of the catabolic machinery are unknown. This study reports the complex structure of NanR, a repressor of the N-acetylneuraminate (nan) genes responsible for N-acetylneuraminic acid catabolism, and its regulatory ligand, N-acetylmannosamine 6-phosphate (ManNAc-6P), in the human pathogenic bacterium Vibrio vulnificus. Structural studies combined with electron microscopic, biochemical, and in vivo analysis demonstrated that NanR forms a dimer in which the two monomers create an arched tunnel-like DNA-binding space, which contains positively charged residues that interact with the nan promoter. The interaction between the NanR dimer and DNA is alleviated by the ManNAc-6P-mediated relocation of residues in the ligand-binding domain of NanR, which subsequently relieves the repressive effect of NanR and induces the transcription of the nan genes. Survival studies in which mice were challenged with a ManNAc-6P-binding-defective mutant strain of V. vulnificus demonstrated that this relocation of NanR residues is critical for V. vulnificus pathogenesis. In summary, this study presents a model of the mechanism that regulates sialic acid catabolism via NanR in V. vulnificus.

nan gene repressor, mucin sugar utilization

¹J.H. and B.S.K. contributed equally to this work.
²To whom correspondence may be addressed.

Author contributions: J.H., B.S.K., S.H.C., and M.H.K. 

designed research; J.H., B.S.K., S.Y.J., J.G.L., D.-J.Y., H.S.J., and M.H.K. 

performed research; T.-K.O. and J.-O.L. 

contributed new reagents/analytic tools; J.H., B.S.K., S.Y.J., J.G.L., D.-J.Y., H.S.J., S.H.C., and M.H.K. analyzed data; and J.H., B.S.K., S.H.C., and M.H.K. wrote the paper.

Category : Microbiology

비브리오 패혈증균의 인체 내 생존 메커니즘 규명...생명연 김명희 박사팀, 서울대 최상호 교수팀

생명과학 미래창조과학부 (2013-07-23 14:30)

해마다 여름철만 되면 어김없이 찾아오는 비브리오 패혈증으로 인해 우리나라에서는 매년 20~40명의 사망자가 발생하고 있는데, 생명연 김명희 박사팀과 서울대 최상호 교수팀이 비브리오 패혈증균이 어떤 과정을 통해 몸속에서 생존․성장하여 최종적으로 병원성을 갖는지에 대한 메커니즘을 규명함으로써 비브리오 패혈증 치료제 개발에 청신호가 켜졌다. 이번 연구는 미래창조과학부(글로벌프론티어 의약바이오컨버젼스연구단, 중견연구자지원사업), 생명연(KRIBB) 전문연구사업 및 농림수산식품기술기획평가원의 지원으로 수행되었고, 연구결과는 최근 미국국립과학원회보지(PNAS)에 온라인으로 게재되었다. ＊ 논문명 : Structural insights into the regulation of sialic acid catabolism by the Vibrio vulnificus transcriptional repressor NanR 비브리오 패혈증균(Vibrio vulnificus)에 감염된 환자중에서 특히 면역력이 감소된 간질환 환자나 당뇨병·폐결핵·신부전증 등의 만성질환자들은 패혈증으로 전환될 가능성이 높고, 전환시 사망률이 50%이상이며, 발병 후 사망까지 2~3일밖에 안 걸릴 정도로 비브리오 패혈증균은 진행속도가 빠른 세균이다. 실제로 2011년엔 감염자 51명 중 26명이, 2012년에는 68명 가운데 39명이 사망하였다. 패혈증 비브리오균이 인체 내로 감염시, 병원성을 발휘하기 위해서는 영양원이 한정되어 있는 인체 내에서 어떤 과정을 통해 생존․성장하여 최종적으로 병원성을 갖는지에 대한 메커니즘을 규명하는 것이 비브리오 패혈증 치료제 개발에 매우 중요하다. 비브리오 패혈증균이 인체 내로 감염이 되면 패혈증균은 자신의 생존․성장을 위한 에너지원을 필요로 하게 되는데, 이 때 사람의 장(腸)에 존재하는 N-아세틸뉴라믹산을 에너지원으로 이용하기 위해 대사작용을 시작한다. 인체 내에서 패혈증균의 대사작용이 시작되면 대사 중간체들이 생성되는데, 연구팀은 그 중 N-아세틸만노사민 6-인산(N- acetylmannosamine 6-phosphate, ManNAc-6P)이라는 중간 대사체가 패혈증균의 NanR 단백질과 결합함으로써 NanR 단백질의 구조를 변형시키며, NanR 단백질 구조가 변형되면 장(腸)내에서 N-아세틸뉴라믹산을 대사하여 대체 에너지원으로 활용할 수 패혈증균의 대사 유전자(효소)들의 발현이 증가하면서 패혈증균이 병원성을 발휘한다는 사실을 밝혔다. 정상 비브리오 패혈증균과 N-아세틸만노사민 6-인산 결합력이 결핍된 NanR 단백질을 보유하고 있는 돌연변이 비브리오 패혈증균을 쥐에 감염시켜 비교한 결과, 돌연변이 비브리오 패혈증균은 정상적인 균에 비해 병원성력이 월등히 저하됨을 확인하였다. 연구에 참가한 김명희 박사와 최상호 교수는 “이번 연구결과는 식중독균을 선택적으로 통제․제어할 수 있는 새로운 항미생물소재 개발에 활용될 수 있으며, 패혈증균의 인체 내 생존 억제 물질 개발에 필요한 원천기술로 활용될 수 있을 것”이라고 밝혔다. 연 구 결 과 개 요 □ 연구배경 병원성 미생물이 인체내에 감염되면, 이미 존재하고 있는 장내 공생 미생물과 숙주(인체)가 사용하고 있는 영양원들에 대해서 경쟁적인 환경에 부딪치게 된다. 따라서 병원성 미생물은 장내의 다른 대체 탄소 자원을 활용하여 이러한 영양적으로 불리한 환경을 극복하고 생존을 유지하려고 한다. 인체의 장관벽은 85%가 당으로 구성된 당단백질인 뮤신이라는 성분을 포함하는 점액층에 의해 보호되어 있다. 비브리오 패혈증균을 비롯한 비브리오 콜레라균 등의 병원성 미생물은 뮤신을 구성하는 당성분인 N-아세틸뉴라믹산(시알산)을 대사하여 대체 에너지원으로 활용할 수 있는 매우 정교하게 발달된 시스템을 갖추고 있다. 이러한 세균들은 인체 에 감염시, N-아세틸뉴라믹산 대사에 필수적인 유전자들을 과발현시켜 에너지원으로 활용함으로써 생존과 성장을 통해 병원성을 발휘하게 된다. 즉, 병원성 미생물의 N-아세틸뉴라믹산의 대사와 병원성은 직접적인 상호 연관성이 있다. 이러한 병원성과 직접적인 관련성에도 불구하고 N-아세틸뉴라믹산 대사에 있어 필수적인 유전자들의 발현이 어떻게 조절되는지에 대한 이해는 현재 미흡한 상황이다. 본 연구팀들은 비브리오 패혈증균의 N-아세틸뉴라믹산 대사에 필수적인 유전자들의 발현을 조절하는 NanR 단백질이 N-아세틸뉴라믹산의 중간 대사물질인 N-아세틸만노사민 6-인산과 강하게 결합하여 대사를 활성화 시킨다는 연구 결과를 보고한 바가 있다 (J. Biological Chemistry, 2011). 이를 기반으로 본 연구에서는 NanR 단백질이 어떤 방식으로 N-아세틸뉴라믹산의 대사를 조절하여 비브리오 패혈증균이 에너지원으로 활용함으로써 인체내에서 생존과 성장을 통해 병원성을 일으키는지에 대한 메커니즘을 규명하였다. □ 연구내용 비브리오 패혈증균의 NanR 단백질이 어떻게 N-아세틸뉴라믹산의 대사에 필수적인 유전자들의 발현을 조절하는지에 대한 메커니즘을 규명하게 위해, NanR 단백질과 N-아세틸뉴라믹산의 중간 대사물질인 N-아세틸만노사민 6-인산 결합체의 입체구조를 고해상도로 규명하였다. 입체구조를 기반으로 전자현미경 및 생화학적인 분석을 통해, 비브리오 패혈증균은 정상적인 환경에서는 NanR 단백질이 N-아세틸뉴라믹산 대사에 필수적인 유전자들의 발현을 조절하는 전사촉진 부위 (promotor DNA)에 강하게 결합하여 해당 유전자들의 발현에 의해 대사에 이용되는 효소들의 생산을 억제하고 있다가, 인체에 감염시, 생존과 성장을 위한 영양원이 필요하게 되면, 장내 N-아세틸뉴라믹산을 비브리오 패혈증균 세포벽을 통해 흡수하여 대사를 개시하게 되고, 이에 따라 생성된 대사 중간체인 N-아세틸만노사민 6-인산과 NanR 단백질이 강하게 결합하게 되면서 NanR 단백질의 전사촉진 부위와의 결합이 느슨해지고, 그 결과 대사에 관련된 유전자들의 발현을 증가시켜 N-아세틸뉴라믹산을 활발히 대사함을 알 수 있었다. 또한 정상 비브리오 패혈증균과 N-아세틸만노사민 6-인산 결합력이 결핍된 NanR 단백질을 보유하고 있는 돌연변이 비브리오 패혈증균을 쥐에 감염시켜 비교시, 돌연변이 비브리오 패혈증균은 N-아세틸뉴라믹산을 대사시킬 수 있는 능력이 결핍되어 에너지원 미확보에 의한 생존 실패로 인해 정상적인 균에 비해 병원성력이 월등히 저하됨으로써 감염된 쥐의 생존률이 높아짐을 분석하여 N-아세틸뉴라믹산의 대사가 병원성에 중요하게 작용함을 확인하였다. □ 기대효과 현재 식중독균을 제어하기 위하여 사용되는 항미생물소재들에 대한 내성균의 출현이 문제시 되고 있는데, 본 연구를 통해 규명한 NanR 단백질과 N-아세틸만노사민 6-인산 결합체의 고해상도 입체구조는 패혈증균의 생존을 선택적으로 제지하여 내성균 출현을 유발 할 가능성이 낮은 항미생물소재를 개발하는데 있어서 중요한 기반 기술로 활용될 수가 있을 것으로 기대된다. 그림 1. N-아세틸뉴라믹산 대사를 위한 필수 유전자들의 발현을 조절하는 NanR 단백질과 N-아세틸뉴라믹산의 중간 대사물인 ManNAc-6P 복합체의 입체구조 그림 2. 정상적인 비브리오 패혈증균 (WT)과 NanR 단백질과 ManNAc-6P의 결합력이 결핍된 돌연변이 비브리오 패혈증균 (H163L)을 쥐에 감염시 생존력 비교. 돌연변이 비브리오 패혈증균 (H163L)은 정상적인 패혈증균과 비교시 N-아세틸뉴라믹산의 대사 능력이 현저하게 떨어지므로 병원성이 감소되었으며, 그 결과 쥐의 생존력은 현저하게 증가하였다. 그림 3. 비브리오 패혈증균은 정상적인 환경에서는 NanR 단백질이 N-아세틸뉴라믹산 (Neu5Ac) 대사에 필수적인 유전자들의 발현을 조절하는 전사촉진 부위 (promotor) DNA에 강하게 결합하여 (1) 해당 유전자들의 발현에 의해 생산되는 효소들의 생산을 억제하고 있다가, 인체에 감염시, 생존과 성장을 위한 영양원이 필요하게 되면, 장내 N-아세틸뉴라믹산을 비브리오 패혈증균 세포벽을 통해 흡수하여 (2) 대사를 개시하게 되고 (3), 생성된 대사 중간체인 ManNAc-6P이 NanR 단백질과 강하게 결합하게 되면서 (4) 전사촉진 부위 DNA와의 결합이 느슨해지고 (5), 그 결과 대사에 관련된 유전자들의 발현을 증가시켜 (6) N-아세틸뉴라믹산을 활발히 대사함에 따라 (7) 에너지원을 확보하게 되고 (8) 이로부터 생존과 성장을 통해 병원성을 일으킨다. 각 신문사와 뉴스 뉴스 정확도 | 최신 여름철의 적 '비브리오 패혈증' 막을 길 열렸다 23시간전 | 노컷뉴스 | 미디어다음 일으키는지의 과정을 국내 연구진이 규명함에 따라 비브리오 패혈증 치료의 새로운 길이 열리게 됐다. 비브리오 패혈증은 여름철에 어패류를 잘못 먹으면... 관련기사 비브리오 패혈증균 원리 규명23시간전 | 경향신문 | 미디어다음 비브리오 패혈증균 생존원리 밝혔다23시간전 | 한국경제 | 미디어다음 비브리오 패혈증균 체내 성장 비밀 풀었다2013.07.23 | 대전일보 관련기사 총 4건 비브리오 패혈증, 이번엔 잡을 수 있을까 18시간전 | 조선비즈 | 미디어다음 비브리오 패혈증(敗血症) 병원균이 사람 몸 안에서 살아남는 비결을 국내 연구진이 밝혀냈다. 국내에서는 해마다 여름에 20~40명의 패혈증 사망자가 발생... 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아무튼 돼지, 축하해.

언제나 널 믿어주는 영원한 후원자인 엄마가.