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건태 신
6 years ago
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1 인간장내마이크로비옴연구 : 개념과전략 유현주 1,2, 이성희 2, 고광표 2* 1 서울대학교보건대학원보건환경연구소 2 서울대학교보건대학원환경보건학과 Concepts and Strategies of the Human Intestinal Microbiome Research Hyun Ju You 1,2, Sunghee Lee 2 and GwangPyo Ko 2* 1 Graduate School of Public Health, Institute of Health and Environment, Seoul National University 2 Department of Environmental Health, Graduate School of Public Health, Seoul National University Abstract The human gut is the natural habitat for a diverse and dynamic microbial ecosystem, and is the primary site of interaction between the host immune system and microorganisms, both symbiotic and pathogenic. Over the years, global leading groups including HMP, Meta-HIT, and IHMC, have investigated the relationship between human and the gut microbiome. The results let us know that the gut microbiota contribute to host physiology including energy harvest from food and development of immune system, and changes in the gut microbiome are associated with many disease phenotypes. Applying suitable model organisms to verify the causal effect of microbial alteration on host s biological function has played a vital role in aspect of providing various experimental settings that are not performable in human studies. Next generation sequencing platforms and bioinformatics tools have co-evolved, and resulted in an explosion and development of the microbiome studies. In this report, brief overview of the gut microbiome research along with cutting-edge technologies is reviewed in order to help the readers interested in this emerging field. keywords: Intestinal microbiome, Metagenomics, Next generation sequencing, Probiotics 인간마이크로비옴연구동향 고세균, 박테리아, 바이러스를비롯하여효모및곰팡이등의진핵생물에이르기까지, 인체내 외부에서미생물은다양한생태학적지위 (ecological niche) 를획득하여인간과공생관계를유지하고있다. 인체중에존재하는미생물의수는인간의전체세포수의 10배이상이며, 미생물이보유하는유전자의수역시인간유전체의수백배존재한다 [1]. 이들미생물은인체내에서영양소의흡수와대사, 면역계와신경계의성숙과발달, 다양한질환의발생과예방에영향을미치는등, 인체와의상호작용을통해 주요한기능을수행함이알려져왔다. 이처럼인간은인체세포와유전체외에도공생하고있는수많은미생물의세포와유전자특성을섞어놓은초유기체 (super-organism) 로서 [1], 인체에자연적으로존재하는모든미생물군의집합체를인간마이크로비옴 (human microbiome) 이라한다. 인체미생물 (human microbiota) 은피부, 구강, 치아, 생식기, 호흡기, 위장관등여러신체부위에존재하나, 이중가장많고다양한종류의미생물을보유하고있는곳은위장관 (gastrointestinal tract) 이다 [2]. 위장관은 ~ 개의다른종으로구성된미생물군집에안정된거주지를제공하며미생물-미생물및인간-미생물 * Corresponding author: GwangPyo Ko, Sc.D. (gko@snu.ac.kr., ) 11 Graduate School of Public Health, Seoul National University, 1 Gwanak-ro, Gwanak-gu, Seoul , Korea

2 Concepts and strategies of the human intestinal microbiome research 간의복잡한상호관계가이루어지는주요신체 부위이다 [3]. 위장관내에존재하는미생물의무 게는대략 kg 에이르는것으로알려져있 으며, 이들미생물들의숙주항상성유지, 생물 학적 대사적기능의중요성과관련하여위장관 미생물군집을잊혀진장기 (Forgotten Organ) 로 일컫기도한다. 세균의경우 Firmicutes(35-80%), Bacteroidetes(17-60%), Actinobacteria, Proteobacteria, Verrumicrobia 등의 phyla 가위장관에주 로존재하며, 세균만이아니라박테리오파지를 포함한여러종류의바이러스역시위장관의미 생물군집에중요한영향을미친다. 위장관내 미생물 ( 특히, 박테리아 ) 군집의농도및다양성 은위치별로상당한차이가있는데, 위 (stomach) 내의경우 10 3 ~10 4 정도로가장적은 분포를보이는반면, 대장 (large intestine) 의경우 1 g 당 정도로가장많은미생물이분포한 다 [4]. 인간마이크로비옴은개인, 가족, 인종, 성별, 나이, 식습관, 지역, 생활방식등다양한원인 에의해역동적으로변화한다. 그러나, 각개인 의미생물군집을구성하는미생물종 (species) 의 다양성과는달리마이크로비옴을이루는주요 기능성유전자들 (core microbiome) 은개체특성과 환경조건의차이에도상당부분공유됨이밝혀 졌다. 인간마이크로비옴의기본구조와변화 양상, 다양성및안정성 (stability) 에관한이해는 전세계적마이크로비옴컨소시엄에의해주도된 대규모연구의역할이크다. 이중대표적인것 들로미국국립보건원 (US National Institutes of Health, NIH) 에서지원을받는 HMP(Human Microbiome Project), 유럽연합집행기관 (European Commission) 의지원을받는 Meta-HIT (Metagenomics of the human intestinal tract), 인간 마이크로비옴연구를통한데이터자원공유를 목적으로구성된 IHMC(International Human Microbiome Consortium) 등을들수있다. 특히, Meta-HIT 과 HMP 의경우인체각부위의마이 크로비옴의구조에대한기본자료 (reference microbiome) 를제공하고, 미생물군집이인간의 건강과질병에미치는직 간접적영향에관한 주요연구결과를보고하였다. 그러나, 장내미생물군집과그들의기능에 대한연결고리는매우복잡하여, 원인과결과 를증명할수있는연구방법론의모색이주요 과제로대두되었다. 오징어, 초파리, C. elegans, 제브라피쉬, 마우스, 돼지등의동물모델은인간을대상으로수행할수없는실험조건을적용할수있어호스트와장내미생물간의상호관계연구에널리이용되어왔으며, 특히무균동물 (germ-free animal) 의개발은미생물과인체기능의인과관계이해에중요한역할을하였다 [5]. 또한, 장내미생물군집이형성되는생애초기의노출환경이유사하고유전적요인의영향력을평가하는데유리한불일치쌍둥이 (discordant twins) 역시효과적인연구모델의하나로사용된다 [6]. 연구모델의선정과새로운방법론의모색은장내마이크로바이옴연구에필수적이며, 앞으로도질병과장내미생물의관계를파악할수있는다양한질환모델의개발이필요하다. 대용량의시퀀싱기술의발달은배양조건의제약을벗어나다양한환경중에존재하는미생물군집을연구하는데혁신적인변화와발전을가져왔다 [7]. 차세대염기서열분석 (NGS, next generation sequencing) 기술은배양은물론클로닝과같은복잡한단계를거치지않으며기존연구에비해상대적으로비용대비고효율의연구를할수있는장점이있다. 이렇게얻어진대용량의미생물유전체자료의분석을위해서는생물정보학 (bioinformatics) 기술이바탕이되어야한다. 최근에는염기서열분석에기반한상관관계분석에머무르지않고, 밝혀진주요기능성미생물군의생리적유용성을극대화하고관련질병예방에활용하기위해, HTS(High-Throughput Screening) 시스템을이용한유용균주의동정과분리, culturomics 기법의도입, 인체생리활성검증을위한중개연구등다양한전략적모색이이루어지고있다. 장내마이크로비옴의정의와분류 인간의장내미생물은태어날때부터유전, 식습관, 생활습관등에따라개인별로다양한군집구조를갖는다 [9]. 이들미생물군집이지니는유전자집합체를장내마이크로비옴 (intestinal microbiome) 으로정의한다. NGS를통해 16S rrna 유전자분석에기반한장내미생물군집구조를살펴보면, 장내에는대략 8개의박테리아문 (phylum) 이존재하며가장많은것은 12 The Korean Journal of Public Health

3 Firmicutes 와 Bacteroidetes 이다 [11]. 장내미생물군집의구조 - 기능간의관계를 이해하는데유용한개념중의하나로, 장유형 (enterotypes) 을들수있다. Burcelin 등은 39 명 의건강한성인을대상으로계통적, 기능적메 타게놈분석을수행한결과, Bacteroides, Prevotella, 그리고 Ruminococcus ( 또는기타 Firmicutes genera) 에해당하는세가지뚜렷한클 러스터의형태로개인의장내미생물구조를분 류할수있음을보고하였다 [45]. 모든연구들에 서뚜렷한세개의장유형의구분이발견되는 것은아니나, 오랜식습관과장유형이상당한 관련이있으며 Bacteroides 유형은단백질과포 화지방의섭취, Prevotella 유형은탄수화물및 당류의섭취증가와관련이있다고여겨진다 [46]. 장유형에따른분류는상당히유용하다. 그러 나, 장내환경은음식섭취, 생활방식, 위생상 태, 항생제를비롯한약물사용등환경에따라 장내미생물의군집구조와마이크로비옴의급 격한변화가수반되는역동적인생태환경으로, 장내미생물의복잡한기능을이해하기위해서 는마이크로비옴의구조적특성에관한보다깊 은이해가필요하다. 식습관이마이크로비옴에미치는영향 장기적식습관의장내미생물의군집에미치 는영향의예로, 식물성탄수화물을다량섭취 하는아프리카지방마을의아이들은이탈리아 도시의아이들에비해 Firmicutes 비율이낮고 Bacteroidetes( 특히, Prevotella 와 Xylanibacter) 의 비율이높았다 [21]. Prevotella 와 Xylanibacter 는셀 룰로오즈 (cellulose) 와자일란 (xylans) 의분해능이 높으며, 짧은사슬지방산 (short-chain fatty acids; SCFAs) 을증가시킨다. 아프리카지방마을아이 들의장내미생물군집은섬유소가풍부한식습 관으로부터최대한의에너지를추출해내도록 적응된것으로여겨진다. 섭취된탄수화물의형태역시장내미생물 군집과숙주생리의변화를유도한다. 프리바이 오틱스 (prebiotics) 인이눌린 (inulin) 섭취시, Bifidobacterium sp. 와 Faecalibacterium prausnitzii 가 증가되며 [22], 장내 Bifidobacterium sp. 를선택적 으로증가시킨비만쥐는고지방식이를한비만 쥐와비교해혈중 LPS (lipopolysaccharides) 와같 은염증성지표가감소되었다 [23]. 장내미생물의군집은고지방식이에의해서도급격하게변화한다. 고지방식이를먹인실험쥐의경우전체적으로 Bacteroidetes의감소, Firmicutes와 Proteobacteria의증가가관찰되며군집구조자체에도매우큰변화가유도된다 [24]. 한편, 무균쥐에고지방식이를한쥐의장내미생물을먹이면지방과다증이정상쥐의장내미생물을먹였을때보다더증가한다. 이는무균쥐에이식된고지방식이쥐의장내미생물군집으로비만을유도할수있음을보여주는예로널리알려졌으나, 아직까지자세한기작이밝혀지지는않았다 [25]. 장내마이크로비옴의기능 장내미생물은인간이소화하기어려운음식들을소화가능한형태로분해, 전환시켜에너지의확보와소화를돕는등의대사기능조절작용외에도, 점막면역계의성숙과발달, 신경계와의상호작용, 인체항상성유지와관련된다양한기능을수행한다 [5,12,13]. 에너지의확보탄수화물은인간과장내미생물에게중요한에너지원이다. 하지만인간이가지고있는효소는대부분의탄수화물과복잡한형태의식물성다당류를분해할수없다. 인간의장내환경, 특히대장은 cfu/g에이르는혐기성미생물이사는생물반응기로, 식물유래의펙틴, 셀룰로오즈, 헤미셀룰로오즈그리고효소저항성전분 (resistant starch) 등인간스스로소화하기어려운다당류는미생물에의해분해된다 [11]. 이과정에서 acetate, propionate, butyrate와같은 SCFA들이생성되며, 이들산물은장상피세포의에너지원, 면역계의강화, 염증저감화, 대사조절등건강에유익한영향을준다. 한편, 이과정은장내미생물구성원간의상호작용에의해서도영향을받는다. 장내미생물은서로영향을주고받으며섭취된식품의대사과정을복잡하게변형시키고, 결과적으로숙주의대사능과질병관련인자를변화시킨다. 예로, 장내고세균의하나인 Methanobrevibacter smithii와식물성다당류의분해능이높은장내세균인 Bacteroides thetaiotaomicron를무균쥐에함께정착시킨 gnotobiotic 모델에서 fructans을섭취시켰을때, B. thetaiotaomicron은더많은 acetate와 formate를생성하고 M. smithii가생성된 The Korean Journal of Public Health 13

4 Concepts and strategies of the human intestinal microbiome research formate를사용하여메탄을생산함으로써, 결국섭취된비소화성탄수화물의발효율향상및에너지흡수의증가를야기한다. 이는식품섭취에따른에너지흡수율을평가할때, 숙주의에너지대사경로뿐아니라개인이보유하고있는미생물군의차이와그로인한발효능및식품흡수율의변화를함께고려해야함을시사한다. 섭취된식품을바탕으로에너지확보를하는장내미생물의역할은실험쥐를통해다양하게증명되고있으나, 인간장내에서의연구는간접적으로진행된다. 예로, 많은양의 SCFA를생산하는비만인사람은정상인에비해호흡에서에탄올수준이더높은것이확인되었고 [19,20] 이는미생물에의해더많은에너지가확보되었다는것을의미한다. 방어기능장내정상균총 (normal flora) 은숙주의대사과정을효율적으로활용하며안정적인군집을형성함과동시에, 인간과공생하면서외부의위협을차단하는기능도함께수행한다 [29]. 외부에서유입된병원균은장내상피세포에부착하기위해서우선정상균총과경쟁하게된다. 무균동물의경우외부감염원에매우민감한데 [26], 이는정상균총이병원균의침입과장내방어벽 (intestinal barrier) 기능의강화에중요함을보여주는예이다 [28]. 정상균총은특히장내점막면역계의발달과성숙에필수요소로서, 특정미생물군은특정종류의면역세포의분화와활성화를유도하여면역관용 (immune tolerance) 과면역자극 (immune stimulation) 간의균형을조절한다. 또한, 정상균총은박테리오신을비롯한항미생물물질을생성함으로써외부에서침입한병원균을억제하기도한다 [30]. 각개인별로정상균총은유전, 환경, 식습관과같은여러요인에따라그구성이다양하지만, 개인내에서는그종류와수의균형을이루며군집구조와안정성을유지하고있다. 그러나, 군집의안정성을무너뜨리는외부적요인들은정상균총의방어기능을약화시켜결과적으로감염성및염증성질환의발생에영향을미친다. 대표적인예로, 항생제의장기적복용은정상적인장내미생물군집의균형을무너뜨리고, Clostridium difficile과같은특정균의과성장을유도하여장내염증반응을증가시킨다 [27]. 나아가, 장내방어벽기능이약화되고장관 점막의투과성이증가하면장관내에있던병원 균외에도이들의부산물, 독소, 항원등이혈류 로유입되어면역체계를자극함으로써, 각종급 만성감염성질환과자가면역질환등의발병에 영향을주기도한다. 프로바이오틱스와프리바이오틱스 FAO/WHO 의정의에따르면프로바이오틱스 (probiotics) 는 적정량을섭취하였을때숙주에 유익한영향을미치는살아있는미생물 을지칭 한다. 20 세기 Elie Metchnikoff 에의해처음그개 념이도입된이래, 장건강에도움을주는유익 한미생물 의존재는주로 lactobacilli 및 bifidobacteria 와같은유산균을중심으로그효능 이널리연구되어왔으며, 오늘날다양한프로 바이오틱기능성제품들에응용되었다. 프로바이오틱균주의효능중대표적인것으 로는항생제부작용의감소, 감염성설사의치 료, 장내미생물균형조절 ( 정장작용 ), 아토피 증상의완화, 유당불내증증상완화, 염증성장 질환증상완화, 혈중콜레스테롤감소등장관 계질환및각종대사질환의예방및증상완 화와연관된것으로보고되었다. 그러나, 프로바 이오틱스의섭취에의한장내미생물구조및 숙주의대사체계, 점막면역체계의변화는외부 에서투입된균들의성공적인정착을전제로한 다. 인간을대상으로한실험들에서프로바이오 틱스균주의정착은주로단시간만가능하여, 일반적으로프로바이오틱제품은꾸준히섭취해 야그효능을기대할수있다. 프리바이오틱스 (prebiotics) 는일반적으로동물 에의해서는소화되지않으나, 프로바이오틱스 의성장을선택적으로촉진할수있는물질들로 서, inulin, oligofructose, galactooligosaccharides, lactulose 등이대표적으로이에해당한다. 이들 중일부는특히 bifidobacteria 와 lactobacilli 의선 택적성장을촉진하여장내미생물구조를변화 시키고, 숙주의대사체계및면역계의강화에 기여한다고알려져있다. 최근 NGS 기법의발달로장내마이크로비옴 구조분석이널리이뤄진결과, 새로운프로바 이오틱스와프리바이오틱스의발굴이더욱가속 화되었다. 과거이들개념은유산균과이들의 생장을촉진하는수종의난소화성다당류를주 로지칭하는데사용되었다. 그러나, Akkermansia muciniphila, Faecalibacterium prausnitzii, Roseburia 14 The Korean Journal of Public Health

5 intestinalis 등질병의예방과증상완화와관련된기능을수행하는다양한장내미생물의역할이밝혀짐으로써, 이들유용미생물들을프로바이오틱균주로서활용하기위한많은노력과연구가이뤄지고있다. 장내마이크로비옴과질병 비만, 당뇨및대사증후군장내미생물의비만, 심장질환, 제2형당뇨및대사증후군과의관련성은이들을예방하기위한목적의마이크로비옴기반치료제들이등장하는등마이크로비옴분야에서가장널리연구되어온주제중하나이다. 장내미생물군집조성은숙주의체중이변화함에따라변화한다. 유전적으로변형된 ob/ob 실험용쥐는과식유도호르몬인렙틴 (leptin) 생성에유전적장애가나타나자연적으로비만이유도된다. 이실험용쥐의맹장 (cecum) 의장내세균군집을분석하면, 정상인일반쥐에비해 Firmicutes가많고 Bacteroidetes가적게나타났다 [14]. 이와유사한변화가비만인사람의분변미생물에서도보였으며, 식이요법을통해체중이감소했을때 Bacteroidetes가증가하는경향을나타냈다 [15]. Bacteroidetes가식품섭취시칼로리섭취에반응한다는것을보여준다. 위장관우회술 (gastric bypass) 은고도비만인환자를대상으로체중감소와당뇨, 심장질환의위험도감소를목적으로시행된다 [16]. 연구에따르면위장관우회술의실시전 후에도분변미생물의구성이변화하였는데, 정상체중군과비만군과비교하여우회술실시군에서특히 Gammaproteobacteria의유의적증가가나타났다 [17]. 정확한원인은아직밝혀지지않았으나위장관우회술의실시와그에따른식품섭취및소화과정의변화와관련이있다고여겨진다. 염증성장질환 (IBD, inflammatory bowel disease) 염증성장질환은 Crohn s disease 과 ulcerative colitis 를통합하여지칭하며, 발병과정에서장내미생물과조성이주요인자로작용함이알려져있는만성염증질환이다. IBD와장내마이크로비옴의연관성은 in vitro, in vivo 실험, 동물모델및인간을대상으로한중개 관찰 실험연구등을포함해오랜기간널리행해져왔다. IBD가진행되면, 장내미생물군집의다양성의 감소와함께 Proteobacterial Enterobacteriaceae의증가와 Fecalibacterium prauzsnitzii를포함한 Firmicutes의감소가관찰된다 [47]. 그러나, IBD의발병기작 (pathogenesis) 에서장내미생물이미치는인과성 (causality) 에관한연구는여전히진행중이다. 이들미생물의불균형이유전적으로민감한숙주 (susceptible host) 에서 IBD의발병에기여하는것인지, 급성염증으로인한장내환경의변화에따른결과인지는추가적인연구가필요하다. 자가면역질환 (autoimmune disease) 및기타장내미생물과질환과의관련성은대사성질환및장관련질환을넘어다양한신체부위에서발생하는여러질환에영향을미침이보고되고있다. 특히, 제1형당뇨 (type 1 diabetes), coeliac disease, Rheumatoid arthritis와같은자가면역질환이상관관계가있음이알려졌다 [48]. 한편, 위장관 (gastrointestinal tract) 과중추신경계 (central nervous system) 가 gut-brain axis를통해상호작용하고있으며, ASD(autism spectrum disorder), multiple sclerosis, Alzheimer's disease 등과같은 neurological disorders의발생과도연관됨이보고되고있다 [49]. 장내마이크로비옴연구를위한기법 동물모델장내미생물과호스트의상호관계를연구하기위한다양한동물모델이사용되어왔다. 각각의모델은특정한수와종류로구성된특이적인미생물군집구조를가지며, 연구목적에따라적합한모델을선택할수있다. 예로, 하와이안갑오징어 (Hawaiian bobtail squid)[31] 는 Vibrio sp. 단일로이루어진미생물군집을가져미생물의유전적변형과그영향을살펴보는데용이하고, 미생물-숙주상호관계연구에사용되는가장단순한모델이다. 초파리 [32] 의미생물총은 30종미만으로구성되어있고, 혐기성장내미생물배양이가능하며숙주를유전적으로조작하기쉬운장점이있다. 제브라피시 (zebrafish)[33] 는척추동물과비슷한생리학적, 면역학적특징및상당히복잡한장내미생물군집구조를가지고있으며, 다량의개체를대상으로한연구에유용하다. 마우스 [34] 는숙주의유전적다양성과 The Korean Journal of Public Health 15

6 Concepts and strategies of the human intestinal microbiome research 장내미생물의분류학적측면에서, 돼지와더불 어인간과가장유사한모델이다. 인간과는다 르게무균또는유전적으로조절이가능하기때 문에매우유용하고가장널리이용된다. 장내 미생물과숙주의복잡한상관관계특히특정미 생물의인과적영향을이해하기위해서는앞으 로도다양한실험적디자인에기반한동물모델 의개발이큰도움이될것이다 [6]. NGS 및생명정보학분석방법 1970 년부터혐기성배양을통해 개이 상의세균을장내에서분리해왔다. 하지만배양 방법은 80% 이상의장내미생물을배양할수 없다는단점을가지고있다 [35] 년 Woese 와 Fox 는보존적인시퀀스와가변적인시퀀스가공 존함으로서박테리아계통학적특징을반영하는 16S rrna 분자를발견하였다 [36]. 이후 30 여 년간, 16S rrna 는 TRFLP(terminal restriction fragment length polymorphism), DGGE(denaturing gradient gel electrophoresis), FISH(fluorescence in situ hybridization) 등을포함한장내미생물군집 구조를파악에핵심적인역할을하였다 [37]. 인간유전체프로젝트 (human genome project) 이 후차세대염기서열분석 (next generation sequencing; NGS) 기술이두각을나타냈으며심 도 (depth) 와속도가증가된대용량의유전자서 열시퀀싱을상대적으로낮은비용으로실시할 수있게되었다. 대표적인 platform 으로는 Roche 의 454 pyrosequencing 과 Illumina 의 Hi-seq 2000 등이있으며, read length 와 throughput 이증가된 장비들이지속적으로개발되고있다. 16S rrna 는미생물군집구조를파악하는데 획기적으로기여한분자임에틀림없으나, 미생 물유전체의기능적측면과생리학적중요성에 대한정보는가지고있지않다 [38]. 마이크로비 옴의기능적측면을파악하기위해서는전체미 생물의유전체를시퀀싱하고, 이전에규명된유 전자와비교하여미생물군집의기능적인측면 을연구하는전체유전자염기서열분석법 (whole genome sequencing; WGS) 이필요하다. WGS 을통해복잡한군집안에희소한박테리 아의규명을할수있을뿐만아니라대사또는 생물학적기능에대한미생물유전자규명이가 능하다 [39]. 그러나, WGS 에는많은양의 DNA 가 필요하며숙주 DNA 에미생물의유전체가오염 될우려가있고, 아직까지많은유전자들의기 능적인정보가아직규명되지있지않았다는단점이있다. 16S rrna 유전자와 taxonomy 정보에기반한마이크로비옴구조분석 (community profiling) 과 WGS 을통한유전체의기능성유전자분석과정은 Figure 1 에제시되어있다. NGS 기법이발달로대용량의염기서열을보다쉽게획득할수있게된현재, 이들데이터를분석하여의미있는정보로해석하는과정이더욱중요해졌다. 생물정보학 (bioinformatics) 을기반으로하는많은분석프로그램들이개발되었고, 16S rrna와 WGS 데이터에따라분석방식과알고리즘은다른양상을보인다. 16S rrna 에기반한 community 분석은대표적으로 QIIME[40] 과 mother[41] pipeline이군집비교에주로이용된다. 분석과정은대용량의시퀀스를노이즈필터링, 정렬 (alignment), 분류를하여시퀀스그룹을근거로한 OTUs(operational taxonomic units) 표를생성한다. 다음샘플정보와비교하여네트워크분석과다양성분석을실시한다 [42]. 반면전체유전자서열분석 (WGS) 은노이즈필터링, 조립 (assembly), 유전자예측 (prediction) 등을통해기존유전자정보데이터베이스와비교하여미생물군집의기능을분석한다. 일반연구자들이이러한분석을실시하려면대용량시퀀스데이터를분석할수있는컴퓨팅시설확보가필요하다. 최근클라우드컴퓨팅은대용량의시퀀스를보관, 분석할수있는원격의저장공간과파워풀한메모리, CPU를빌려주는서버시스템이다. 메타제노믹스 (metagenomics) 분석에서널리사용되는상업적시스템으로는클라우드바이오리눅스 (Cloud Bio- Linux) 와아마존 (Amazon Elastic Compute Cloud; 이있다. 더불어국립과학재단에서지원하는무료컴퓨터클라우드시스템으로는 DIAG(Data Intensive Academic Grid, 가있다. 최근마이크로비옴연구동향최근마이크로비옴연구는상관관계와인과관계를밝히기위한실험적증명을넘어, 현재까지의연구성과를질환의예방과인간의건강증진을위해적용하기위한시도를향해나아가고있다. 마이크로비옴신약기술은 2011년, Science지선정- 10대 breakthrough 기술 및 16 The Korean Journal of Public Health

Figure 1. Analysis of metagenomic data from amplicon sequencing or whole-sample shotgun metagenome sequencing (Source: Scholz et al., 2012.

7 Figure 1. Analysis of metagenomic data from amplicon sequencing or whole-sample shotgun metagenome sequencing (Source: Scholz et al., Curr Opin Biotechnol [44]) 2014년 세계경제포럼선정- 미래를바꿀 10대떠오르는기술 로선정되었다. 이를위해, 유효기능성미생물의순수분리와발굴및효능평가, 인체적용가능성탐색과관련된연구가활발히진행중이다. Conclusion 인간의몸은 10배이상의많은미생물과공생관계를이루며살아가고있다. 특히, 가장많은미생물이사는장내는그들이영양분섭취와체계적인군집형성을하기에최적의환경을제공한다. 장내미생물은짧은사슬지방산 (shortchain fatty acids; SCFAs) 을생성하고숙주가지닌효소만으로는생성할수없는영양분을공급하고, 숙주의대사및면역체계와깊은연관을지닌다. 현재까지장내미생물군집은비만, 당뇨를포함한대사증후군, 염증성장질환, 자가면역질환의발생과관련됨이보고되어왔으나, 이들질환을유발하는장내미생물이무엇인지 는아직불분명한상태이다. 이는대상자개개인의유전적특성, 인종, 식습관등다양한요인이복합적으로작용하기때문이며, 장내미생물의기능과질환과의인과성에관한연구는앞으로의과제라할수있다. 이를위해, 변수의통제가가능한적합한동물모델을개발하고, 각동물모델의유전체특성, 정착미생물의종류와수, 인간소화기관과의유사성및차이점등을고려한분석과평가기술에관한연구가필요하다. 시퀀싱비용의절감에발맞춘보다개선된생물정보학분석도구의개발역시장내미생물군집의구성과기능에관한편차없는분석결과를도출하는데선행되어야할조건이다. 또한현재까지의장내마이크로비옴연구는메타제노믹스 (metagenomics) 를위주로진행되어왔으나, 특정조건에서발현되는미생물유전자와단밸질을평가하기위한메타전사체 (metatranscriptomics), 메타단백질체 (metaproteo-mics), 대사체학 (metabolomics) 적접근역시함께이루어진다면통합적인이해에더욱큰도움을줄것이다. The Korean Journal of Public Health 17

8 Concepts and strategies of the human intestinal microbiome research Acknowledgement 본연구는한국연구재단도약연구 (NRF ) 및서울대학교보건연구재단에서일부 지원을받아진행되었습니다. References 1. Turnbaugh PJ, Ley RE, Hamady M, Fraser-Liggett CM, Knight R, Gordon JI. The human microbiome project. Nature 2007; 449: Methé BA, Nelson KE, Pop M, et al. A framework for human microbiome research. Nature 2012; 486: Zoetendal EG, Vaughan EE, de Vos WM. A microbial world within us. Mol Microbiol 2006; 59: Eckburg PB, Bik EM, Bernstein CN, et al. Diversity of the human intestinal microbial flora. Science 2005; 308: Tremaroli V, Backhed F. Functional interactions between the gut microbiota and host metabolism. Nature 2012; 489: Kostic AD, Howitt MR, Garrett WS. Exploring host-microbiota interactions in animal models and humans. Genes Dev 2013; 27: Turnbaugh PJ, Hamady M, Yatsunenko T, et al. A core gut microbiome in obese and lean twins. Nature 2009; 457: Claesson MJ, Wang Q, O'Sullivan O, et al. Comparison of two next-generation sequencing technologies for resolving highly complex microbiota composition using tandem variable 16S rrna gene regions. Nucleic Acids Res 2010; 38:e Spor A, Koren O, Ley R. Unravelling the effects of the environment and host genotype on the gut microbiome. Nat Rev Microbiol 2011; 9: Turnbaugh PJ, Ley RE, Mahowald MA, Magrini V, Mardis ER, Gordon JI. An obesity-associated gut microbiome with increased capacity for energy harvest. Nature 2006; 444: Backhed F, Ley RE, Sonnenburg JL, Peterson DA, Gordon JI. Host-bacterial mutualism in the human intestine. Science 2005; 307: Round JL, Mazmanian SK. The gut microbiota shapes intestinal immune responses during health and disease. Nat Rev Immunol 2009; 9: Salonen A, Palva A, de Vos WM. Microbial functionality in the human intestinal tract. Front Biosci 2009; 14: Ley RE, Bäckhed F, Turnbaugh P, Lozupone CA, Knight RD, Gordon JI. Obesity alters gut microbial ecology. Proc Natl Acad Sci USA 2005; 102: Ley RE, Turnbaugh PJ, Klein S, Gordon JI. Microbial ecology: human gut microbes associated with obesity. Nature 2006; 444: Sjöström L, Lindroos A-K, Peltonen M, et al. Lifestyle, diabetes, and cardiovascular risk factors 10 years after bariatric surgery. J Engl J Med 2004; 351: Zhang H, DiBaise JK, Zuccolo A, et al. Human gut microbiota in obesity and after gastric bypass. Proc Natl Acad Sci USA 2009; 106: Samuel BS, Gordon JI. A humanized gnotobiotic mouse model of host archaeal bacterial mutualism. Proc Natl Acad Sci USA 2006; 103: Nair S, Cope K, Terence RH, Diehl AM. Obesity and female gender increase breath ethanol concentration: potential implications for the pathogenesis of nonalcoholic steatohepatitis. Am J Gastroenterol 2001; 96: Schwiertz A, Taras D, Schäfer K, et al. Microbiota and SCFA in lean and overweight healthy subjects. Obesity 2010; 18: Turnbaugh PJ, Ridaura VK, Faith JJ, Rey FE, Knight R, Gordon JI. The effect of diet on the human gut microbiome: a metagenomic analysis in humanized gnotobiotic mice. Sci Transl Med 2009; 1:6ra Ramirez-Farias C, Slezak K, Fuller Z, Duncan A, Holtrop G, Louis P. Effect of inulin on the human gut microbiota: stimulation of Bifidobacterium adolescentis and Faecalibacterium prausnitzii. BJN 2009; 101: Cani PD, Neyrinck A, Fava F, et al. Selective increases of bifidobacteria in gut microflora improve high-fat-diet-induced diabetes in mice through a mechanism associated with endotoxaemia. Diabetologia 2007; 50: Hildebrandt MA, Hoffmann C, Sherrill Mix SA, et al. High-fat diet determines the composition of the murine gut microbiome independently of obesity. Gastroenterology 2009; 137: e Turnbaugh PJ, Bäckhed F, Fulton L, Gordon JI. Diet-induced obesity is linked to marked but reversible alterations in the mouse distal gut microbiome. Cell Host Microbe 2008; 3: Taguchi H, Takahashi M, Yamaguchi H, et al. Experimental infection of germ-free mice with 18 The Korean Journal of Public Health

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보도자료 장내미생물유전자의장관련감염질환유도원리규명 - 항생제오용으로발생하는장관련감염질환의진단및치료에기여

보도자료 장내미생물유전자의장관련감염질환유도원리규명 - 항생제오용으로발생하는장관련감염질환의진단및치료에기여 . 1. 연구의필요성 항생제의복용은장내미생물군집변화와더불어미생물에의해생산되는대사산물의 변화, 세균신호전달물질의감소등을유발하여인체의장면역시스템을약화 시키며다양한질병의원인이될수있다고알려져있다. 입원환자의항생제치료과정중발생하는의료관련감염병인클로스트리디움디피실 감염증