항생제 내성의 분자적 기전

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항생제 내성의 분자적 기전 성민정 Page 1 / 12 BRIC View 2016-R07

항생제 내성의 분자적 기전

성 민 정

삼성생명과학연구소

E-mail: mjsung0111@gmail.com

요약문

치료가 어렵거나 불가능한 항생제 내성 박테리아가 점차 흔해지면서, 전세계적으로 건강을 위협하는 원인이 되고 있다. 항생제 내성은 몇몇 유전자에 의해서 암호화 되고 이들의 대다수는 박테리아들 사이에서 전파될 수 있다. 새로운 내성 기전이 끊임없이 보고되고 있고, 새로운 유전자와 전파의 매개체가 정기적으로 확인되고 있다. 이 리뷰는 약물표적의 접근 차단, 표적항생제의 구조 및 보호책 변화, 직접적인 항생제 변형 또는 불활성화를 포함하는 항생제에 대한 박테리아의 자연내성 혹은 획득내성의 기전에 대한 최근의 진보된 내용들을 재검토하고자 한다.

Key Words: 항생제, 자연 내성, 획득 내성, 내성의 기전

본 자료는 Molecular mechanisms of antibiotic resistance. Nat Rev Microbiol. 2015; 13(1): Pages 42-51 의 논문을 한글로 번역, 요약한 자료입니다.

목 차

Ⅰ. 서론

Ⅱ. 본론

1. 자연내성(Intrinsic resistance) 2. 획득내성(Acquired resistance)

3. 내성의 기전(Mechanism of resistance) 3.1 표적의 접근 차단

3.2 변이에 의한 항생제 표적의 변화 3.3 표적분자의 변형

3.4 항생제의 직접적인 변형

Ⅲ. 요약과 결론

BRIC View 리뷰논문요약

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Ⅰ. 서론

항생제는 현대의학을 뒷받침하고 있다. 항생제의 사용은 어린 아이들의 사망률을 감소시키고 기대수명을 증가시켰으며, 화학요법과 같은 외과적 수술과 치료에 중요하게 이용되고 있다. 그러나 다중약물 내성을 지닌 박테리아 감염의 수가 전세계적으로 증가하고, 치료할 수 없는 감염의 공포가 현실화되면서 최근 세계경제학 포럼 글로벌 리스크 보고서는 인간 질병을 위협하는 요소 중의 하나로 항생제 내성을 등재하였다. 유럽에서는 25,000명이 다중약물 내성을 지닌 박테리아 감염에 의해서 사망하고 있으며, 이를 치료하기 위해 유럽연합에서는 매년 1500억 유로가 사용되고 있다.

미국에서도 매년 2백만명 이상의 사람들이 항생제 내성 박테리아에 감염되고 23,000명이 사망하고 있다. 현존하는 항생제에 대한 박테리아 내성의 증가뿐만 아니라 앞으로 개발할 새로운 항생제가 부족하다는 것 또한 문제가 되고 있다.

Ⅱ. 본론

1. 자연내성(Intrinsic resistance)

박테리아는 본질적으로 특정 항생제에 대해 내성이 있을 수 있으나 염색체 유전자 내 돌연변이 혹은 수평적 유전자 전이에 의해 항생제 내성이 생길 수 있다. 특정 항생제에 대한 박테리아의 자연 내성은 고유의 구조적 혹은 기능적 특징에 근거해 항생제 효과에 저항하는 능력이다. 각 종에서 박테리아의 자연 내성은 크게 3가지로 분류 될 수 있다. 첫째는 가장 간단한 자연 내성으로, 특정 항생제에 민감한 표적을 제거하는 것이다. 생물 유해물질인 트리클로산(triclosan)은 그람양성 박테리아와 많은 그람음성 박테리아에 효과적이나, 그람음성 종인 슈도모나스(Peudomonas) 속의 박테리아 성장을 억제할 수는 없다. 초기에는 이것이 항생제의 능동유출 때문일 것이라 생각되었지만, 최근에는 enoyl-ACP reductase 효소(민감종에서 triclosan의 표적)를 암호화하는 fabI의 영향을 받지 않는 대립유전자에 의한 것이라고 밝혀졌다. 두 번째 예는 항박테리아제인 지질펩타이드 뎁토마이신(daptomycin)이다. 뎁토마이신은 그람양성 박테리아에는 효과가 있지만, 그람음성 박테리아에는 효과가 없다. 이는 박테리아 세포막의 조성이 다르기 때문인데, 그람음성 박테리아는 세포막에 음이온 인지질을 덜 갖고 있어 Ca2+에 의해 세포 내로 들어오는 뎁토마이신의 효과를 감소시킨다. 많은 화합물에 대한 일부 그람음성 박테리아의 자연 내성은 이러한 약물이 외막을 통과하지 못하는 것에서 기인한다. 당펩타이드 항생제 반코마이신(vancomycin)은 d-Ala-d-Ala 펩타이드를 표적해서 결합하여 펩티도글리칸(peptidoglycan) 교차 결합(crosslinking)을 억제한다. 반코마이신(vancomycin)은 그람양성 박테리아에서는 효과적이지만 그람 음성 개체에서는 외막을 통과할 수 없어 주변세포질 안으로 접근할 수 없다.

최근 연구들로 베타-락탐(β-lactams), 플루오로퀴놀론계(fluoroquinolones) 및 아미노글리코시드(Aminoglycoside)을 포함하는 다른 분류의 항생제에 대한 자연내성과 관련된 많은 유전자의 동정(identification)이 이루어지고 있다. 이는 황색포도상 구균(Staphylococcus aureus), 대장균(Escherichia coli), 그리고 녹농균(Pseudomonas aeruginosa)과 같은 박테리아 내에서 표적

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삽입이나 random transposon mutagenesis에 의해 만들어진 고밀도 유전자 변이 라이브러리의 고속 대용량 스크리닝 방법을 사용해서 이루어졌다. 항생제 감수성에대한 라이브러리의 스크리닝은 가능한 새로운 약물조합을 발견하게 했고, 이러한 약물은 자연내성 기전을 억제할 수 있어서 일반 표적 종을 넘어서 다른 항생제의 활성 범위를 넓히고 있다. 모든 대장균 비필수 유전자의 불활성화에 기인한 감수성 표현형 분석은 추정표적들(thioredoxin (TrxA), thioredoxin reductase (TrxB), FabI, RecQ, SapC and the d-Ala-d-Ala carboxypeptidase DacA)을 밝혀냈다. 만약 이러한 비필수 유전자가 억제된다면 현존하는 약물(rifampicin, triclosan, nitrofurantoin, aminoglycosides과 일부 β-lactams)의 효과를 상당히 증진시킬 수 있다. 박테리아 자연 내성의 유전적 기반을 이해하고 항생제 활성의 범위를 넓힘으로써 표적 종에 대한 향상되고 확대된 활성을 갖는 약물의 새로운 조합을 발전시킬 수 있는 길을 안내 할 수 있다. 아시네토박터 바우마니(Acinetobacter baumannii)나 임균(Neisseria gonorrhoeae)과 같이 특히 문제가 되는 병원균에 사용될 수 있는 항생제의 독특한 조합들이 다양한 연구를 통해 실험적으로 상승 효과가 있음이 확인되고 있다. 생화학적 경로의 상호작용을 발견한 유전학적 스크린을 이용해 상승 효과를 찾는 연구들의 정보를 조합하는 것은 항생제의 병기(arsenal)를 확대해 자연 내성이 있을 것으로 생각되는 종에 대한 기존약물의 사용을 확대할 수 있을 것이다.

2. 획득내성(Acquired resistance)

자연 내성 외에도, 박테리아는 항생제에 내성을 획득하거나 발전시킬 수 있다. 이는 주로 몇 가지 기전에 의해서 설명될 수 있고 3개의 주요 그룹으로 나뉘어 진다. 첫째, 박테리아 내부로의 침투불량 또는 항생제 유출로 인해 항생제의 세포 내 농도가 최소화 되는 것이다. 둘째, 표적의 전사 후 변형이나 유전적인 변이에 의해 항생제의 표적이 변하는 것이다. 셋째, 가수분해나 변형에 의해 항생제가 불활성화 하는 것이다. 이러한 각각의 기전들은 지난 10년동안 재론되고 있으므로, 이번 리뷰에서는 각 유형의 항생제 내성 기전의 최신 연구동향을 제공하고, 박테리아 유행, 박테리아에 대한 생물학적 영향 및 임상치료에 대한 잠재적 영향의 측면에서 글로벌 동향을 담고 있다.

3. 내성의 기전(Mechanism of resistance) 3.1 표적의 접근 차단

① 침투성의 감소

그람양성 종과 비교하면, 그람음성 박테리아는 태생적으로 외막에 투과 장벽을 만들기 때문에 많은 항생제들이 투과되기 어렵다. 친수성 항생제들은 외막의 포린(porin) 단백질을 통한 확산에 의해 외막을 통과한다. 대부분의 장내세균들에서, 대장균 외막 단백질인 OmpF와 OmpC와 같이 비특이적인 채널의 기능을 한다. 이전의 연구들은 약물결합 부위가 이들 채널 내에 있을

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것이라 여겨졌으나, 이제는 그것이 사실이 아닌 것으로 보인다. 따라서, 포린을 감소시키거나 더욱 선택적인 채널들로 대체함으로써 외막의 투과성을 감소시키고, 박테리아 세포 내 항생제 유입을 제한할 수 있다. 이는 그람 음성박테리아에서 고유한 항생제 내성의 잘 알려진 기전으로 이전에 보고되었다. 그러나 장내세균과와 슈도모나스(Pseudomonas spp.), 아시네토박터(Acinetobacter

spp.)에서의 최근 결과는 포린 발현의 감소가 카바페넴(carbapenems)과

세팔로스포린(cephalosporins)과 같은 새로운 약물의 내성과 관련이 있다고 보고하고 있으며, 그 항생제 내성은 효소 분해에 의해 매개된다. 만약 변이에 의해 포린 생성이 감소하거나 변이된 포린 대립형질들이 존재한다면, 장내세균과의 카바페넴에 대한 임상적으로 상대적인 내성은 카바페넴 분해효소를 생산하지 않게 할 수 있다. 포린 발현을 조절하는 유전자뿐만 아니라 포린 유전자의 변이 발생을 도모하기 위한 카바페넴의 선택압은 카바페넴에 노출된 후 대장균과 장내세균과에서의 급속한 변이 축적을 통해 보여진다. 게다가, 포린 변이체를 발현하는 폐렴간균(Klebsiella pneumoni- ae)종은 체계적인 감염 출현을 일으키는 클론 계통과 연관이 있다.

② 유출의 증가

박테리아 유출펌프는 세포 밖으로 많은 항생제를 활발하게 운반하고, 그람양성 박테리아 감염을 치료하는데 사용되는 많은 약물에 대한 그람음성 박테리아의 자연 내성에 주된 원인이다.

유출 펌프가 과발현되면 이전에 임상적으로 효과를 보인 항생제에 대한 내성을 높일 수도 있다.

일부 유출 펌프는 제한된 기질 특이성을 가지고 있으나 모든 다양한 범위의 구조적으로 비대칭적 기질을 운반하는 다약제 내성 유출펌프(multipledrug resistance, MDR)로 알려져 있다. 대부분의 박테리아에 존재하는 다약제 내성 유출펌프는 잘 알려져 있고, 항생제를 밖으로 내보내는 새로운 펌프가 계속 발견되고 있다. 지난 2년간, 연쇄상구균 변종에서 MdeA가, 스테노트로포모나스 말토필리아(Stenotrophomonas maltophilia)에서 FuaABC, 폐렴간균(K. pneumoniae)에서 KexD 그리고 황색포도상구균(S. aureus)에서 LmrS가 발견되었다.

모든 박테리아가 염색체 내에 다약제내성 유출 펌프를 발현하는 다중 유전자를 가지고 있지만, 일부 유전자는 박테리아 간에 이동할 수 있는 플라스미드(plasmid)로 이동된다. 최근에 3분체로 된 RND(resistance nodulation division) 펌프를 암호화하는 유전자 IncH1이 플라스미드에 의해 운반된다고 알려졌다. IncH1 플라스미드는 사이트로박터 프렌디(Citrobacter freundii)균에서 동정되었으며, 항생제-표적 효소인 NDM1(New Delhi metallo-β-lactamase 1)의 유전자를 운반한다. 이 플라스미드에 의한 내성 기전은 전염성이 있어 다른 임상과 관련된 병원균에 빠르게 전파 될 수 있으므로 우려스러운 상황이다.

다약제내성 유출펌프의 RND family는 그람음성 박테리아에서 발견되며, 임상적으로 관련이 있는 유출 수송체(transporter)들이 잘 알려져 있다. RND 펌프가 과발현되면, RND 펌프는 다약제내성과 관련된 임상적 수치들을 증가시키고, 기질의 대부분을 밖으로 내보내게 된다.

대장균에서 다약제 유출 펌프인 AcrB와 녹농균(P. aeruginosa)에서 MexB에 대한 연구가 이러한 예에 해당된다. AcrB는 homotrimer로 내막에 있는 원형질막 주위 어댑터 단백질(periplasmic adaptor protein)인 AcrA나 MexA, 외막에 있는 TolC나 OprM과 3분체 집합체(tripartite complex)를 만든다.

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유출펌프의 구조와 기능의 이해는 기질연구의 진보로 가능했다. 컴퓨터를 이용한 연구와 더불어 기질집합체에서 대장균 AcrB의 공동 결정화(co-crystallization) 연구로 AcrB가 2개의 결합 포켓(distal and proximal)을 가지고 있음을 보여주었다. 이 포켓은 다른 사이즈와 다른 특성성의 기질을 수용할 수 있어, 어떻게 펌프가 수송할 수 있고 다양한 종류의 항생제에 내성을 갖게 되는지 설명해주고 있다. 더불어 결합포켓 내에 있는 변이의 검출에 의해 기질결합의 더 많은 이해가 가능해졌다. 예를 들어, AcrB 말단 결합포켓 내 288번째 아미노산 치환이 항생제 치료기간 동안 선별된 살모넬라 엔테리카 혈청형 변이주 티피무륨(Salmonella enterica subsp. enterica serovar Typhimurium)이라는 임상 균주에서 발견되었다. 이러한 아미노산 치환은 기질결합을 바꾸었고, 시프로플록사신(ciprofloxacin)과 같은 항생제에 내성을 생기게 했다.

돌연변이 단백질들의 인공 조립체의 극저온 전자현미경으로 얻어진 자료를 바탕으로 대장균 AcrAB-TolC의 3분체 시스템 구조가 최근에 발표되었고, 이로 인해 펌프 구조와 기능에 대한 몇 가지의 미해결된 질문들이 설명되고 있다. 일부 연구진은 이 펌프의 화학양론은 3/6/3 (AcrB/AcrA/TolC)이며, 이는 기존 모델과 다르지만 RND 펌프인 그람 음성종 CusBA의 구조와 일치하며, 원형질막 어댑터 단백질(periplasmic adapter proteins)의 화학양론학에 관한 자료와도 일치한다고 보고하고 있다.

장내세균, 녹농균, 황색포도상구균을 포함해 유출펌프가 과발현된 박테리아는 1990대 이후 환자에서 동정되고 있다. 과발현은 임상에서 동정된 균체의 일반적인 내성기전으로 이를 이해하는 것은 중요하며 이 기전의 상세한 지식들은 유출펌프 단백질 합성을 막기 위한 새로운 치료법을 디자인 하는데 이용될 수 있을 것이다. 유출펌프를 암호화하는 유전자의 전사는 유출펌프 유전자와 더불어 암호화 되는 국부적 조절장치와 더 넓은 생물학적 기능을 조절하는 전반적인 조절장치에 의해 제어된다. 전반적인 조절장치는 AraC–XylS 계열인 전사인자들로 MtrA는 임질균(N. gonorrhoe- ae)에서 mtrCDE의 전사를 증가시키고, RamA는 살모넬라(Salmonella spp.)에서 acrAB–tolC의 전사를 활성화시킨다. 조절장치인 AraC–XylS 계열의 대부분은 다중 항생제 내성단백질(MarR) 계열의 억제장치를 따라 암호화되고, marR은 대장균에서 marA를, ramR은 쥐티푸스균(S. typhimurium) 에서 ramA를 암호화한다. MarR 계열 단백질에 의한 억제의 소실이 AraC-XylS 전사인자의 과발현을 유발한다. 장내 세균에서 MarA, SoxS, RamA or Rob와 같은 전사인자들의 과발현은 유출펌프의 과발현과 포린 단백질을 억제시켜 다약제 내성을 생기게 한다.

다약제 내성 박테리아에서 나타나는 유출 유전자의 고발현은 유출펌프 발현을 조절하는 조절 네트워크의 변이 때문이다. 변이는 국부적 억제장치나, 전체적인 전사인자 혹은 유전자 간 특정 지점 내에서 발생할 수 있으며, 펌프 유전자나 조절 물질들의 발현을 바꾸게 된다. 변이는 프로모터 활성을 바꿀 수도 있다. 최근 임질균에서 mtrC 유전자 프로모터의 위로 10번째에 있는 공통서열(consensus -10 sequence)에서 염기쌍 변이 하나가 검출되었고, 이는 더 강한 활성을 갖는 새로운 프로모터를 만들어 유출 펌프의 지속적인 과발현과 다약제 내성의 원인이 되는 것으로 알려져 있다.

유출펌프의 고발현은 펌프의 기능이 필요한 상태와 환경신호에 반응한 유도의 결과물로도 나타날 수 있다. 대장균과 살모넬라에서 acrAB 유전자들은 감염 시 접하는 인돌이나 담즙과 같은 작은 분자들에 의해서 유도된다. 반면 임질균의 MtrCDE과 황색포도상구균의 NorA 발현은 철분

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부족에 대한 숙주 환경의 일반적인 지표가 된다. 유출펌프 유전자 발현 유도의 가장 일반적인 기전은 전사억제 단백질이 직접 분자에 결합해서 표적 DNA에 억제물질의 결합을 줄이는 것이다.

몇몇 조절 억제 단백질의 구조가 최근에 알려지면서 내성기전을 이해하는데 도움이 되고 있다.

결핵균(Mycobacterium tuberculosis) TetR 계열인 전사 억제제 Rv1219c의 구조가 최근에 밝혀졌는데 이 단백질은 ABC 계열 수송체인 RV1217c-Rv1218c의 발현을 조절한다. 이 수송체는 이소니아지드(isoniazid)와 리팜피신(rifampicin)의 외부 유출을 담당하며 그 구조는 큰 다약제 결합 포켓을 외부로 드러내고 있다. RamR(ramA의 전사 억제제)의 구조도 유사하게 몇 개의 리간드 집합체로 알려져 있다. 유도복합체가 DNA에 대한 RamR의 결합 친화력을 감소시켜 ramA 발현이 증가하게 한다. 유출 유도의 분자적 기초의 이해를 통해 화학 조절물질들의 개발이 유출 활성화를 억제하도록 할 수 있고, 이러한 조절물질들은 새로운 치료 전략으로써 항생제와 접목해 사용될 수 있다.

3.2 변이에 의한 항생제 표적의 변화

대부분의 항생제는 특이적으로 높은 친화력을 갖고 있어 표적에 결합해서 표적의 정상적인 활동을 억제한다. 표적의 구조 변화는 효율적 항생제 결합을 방해하지만, 표적은 여전히 정상 기능을 수행 할 수 있어 내성이 나타날 수 있다. 감염이 진행되는 동안 병원체의 크고 다양한 군체들(populations) 중 항생제 표적을 암호화하는 유전자 내 하나의 점 돌연변이가 항생제 내성을 생기게 할 수 있다면, 이 변이를 갖는 균주는 증식할 수 있게 된다. 일부 항생제의 표적들을 암호화하는 유전자는 다중 copy로 존재한다. 리네졸리드(Linesolid, 첫 번째 옥사졸리디논 항생제로 지난 10년이상 임상에서 사용됨)는 그람양성 박테리아에서 다중 혹은 동일 copy에 의해 암호화되는 23S rRNA 리보솜의 소단위를 표적으로 한다. 리네졸리드(Linezolid)가 임상에서 사용되면서 동일 copy 중 하나의 변이에 의해 폐렴구균(S. pneumoniae)과 황색포도상구균에서 내성이 생겨 동형대립인자 사이에서 높은 빈도로 재조합을 만들어 빠르게 변이 대립인자의 수송에 유리한 군집을 만들게 된다.

변형(transformation, 주변환경에서 DNA를 받아들이는 것)은 ‘mosaic’ 유전자의 형태로 표적 단백질 변형을 일으켜 항생제 내성을 줄 수 있다. 폐렴구균에서 페니실린의 내성이 그 대표적인 예이다. 페니실린의 내성은 페니실린에 반응하지 않는 효소를 암호화하는 모자이크 페니실린 결합 단백질(penicillin-binding protein,pbp) 유전자에 의해 나타난다. 모자이크 대립유전자는 밀접하게 연관된 종인 스트렙토콕쿠스 미티스(Streptococcus mitis) DNA의 재조합에 의해 생기게 된다.

임질균에서 penA 유전자의 모자이크 현상은 확장된 범위의 세팔로스포린류(extended-spectrum cephalosporins)에 높은 내성과 관련이 있다. 모든 항생제에 내성을 갖는 균체가 나타나면서 임질균에 의한 감염은 현재 임상 미생물학에서 가장 큰 해결과제 중의 하나이며, 그 결과 이러한 균체에 대한 치료 옵션인 세프트리악손(ceftriaxone)을 사용 할 수 없게 되었다.

표적 변화의 또 다른 예는 원래의 표적에 상동성 유전자 획득이 일어난 경우로 메티실린 저항성 황색포도상구균(methicillin-resistant S. aureus, MRSA)이 이에 해당된다. 메티실린(Methicillin)의 내성은 포도구균성 카세트 염색체 부분(staphylococcal cassette chromosome mec, SCCmec)의 획득에

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의해 생긴다. 포도구균성 카세트 염색체 부분은 mecA 유전자를 운반하고 베타-락탐에 반응하지 않는 단백질인 PBP2a를 암호화한다. PBP2a 단백질은 PBP가 항생제에 의해 억제되더라도 세포벽을 생합성 할 수 있다. 많은 SCCmec 부분이 다른 포도상구균 종에서 확인되고 있으며, mecA 대립유전자가 여러 번 이동되었다는 증거도 있다. SCCmec를 갖는 mecA의 출현은 MRSA의 본질적인 특징으로 알려져 있다. 그러나, mecC라고 명명되는 다양한 mecA 대립유전자는 최근에 영국, 덴마크 그리고 아일랜드 지역에서 가축과 인간으로부터 균체가 확인되고 있다. mecC 유전자는 mecA와 70% 뉴클레오타이드가 일치하며, type XI SCCmec 부분을 운반한다. mecC MRSA의 존재는 PBP2a를 위한 응집 반응 검사와 mecA를 위한 PCR 분석에 의해 검출되기 않기 때문에 진단에 잠재적인 문제가 되고 있다. mecC MRSA의 항생제 내성 표현형은 mecA MRSA와 약간 다르다.

mecC를 갖는 균체는 mecA 균체보다 옥사실린(oxacillin)에 더 민감하나 세폭시틴(cefoxitin)의 내성은 남아있다.

3.3 표적분자의 변형(보호)

표적의 변형을 통한 보호는 표적을 암호화하는 유전자 변이 없이 항생제 저항성을 나타내는 효과적인 방법이 될 수 있다. 최근에 표적의 보호와 관련된 몇몇 중요 항생제 내성의 임상 기전이 밝혀지고 있다. Erythromycin ribosome methylase(erm) 계열은 16S rRNA를 메틸화해서 약물결합 자리를 바꾸어 macrolides, lincosamines, streptogramins과 같은 항생제의 결합을 막는다. 최근에 확인된 또 다른 예는 chloramphenicol–florfenicol resistance(cfr) methyltransferase로, 주로 23S rRNA에서 A2503을 메틸화한다. Cfr은 phenicols, pleuromutilins, streptogramins, lincosamides과 ox- azolidonones (including linezolid)을 포함해 A2503 근처에 표적을 갖는 많은 약물에 내성을 준다.

1997년에 소 포도상구균체에서 처음으로 동정된 cfr 유전자는 황색포도상 구균과 대장균을 포함하는 그람 양성과 그람 음성 박테리아의 동물과 인간 균체들에서 지속적으로 동정되고 있다. Erm과 cfr 유전자는 둘 다 유전자를 널리 퍼트리기 위한 운반체인 플라스미드에 실려 운반된다.

아미노글리코시드 항생제는 리보솜에 결합해서 단백질 합성을 억제한다. 아미노글리코시드에 대한 내성의 한가지 기전은 메틸화에의한 표적 리보솜의 변형으로, 과거에는 메틸화의 변화가 내성의 임상적 기전이 될 것이라고 생각되지 않았으나 최근에 메틸화와 관련된 효소들이 여러 박테리아 병원체에서 검출되고 있다. 메틸전달효소를 암호화하는 armA 유전자는 북아메리카, 유럽 그리고 인도 전역의 장내세균의 임상 균체에서, 또 다른 메틸전달효소를 암호화하는 rmt 유전자는 북아메리카, 중부와 남부 아메리카 그리고 인도에서 발견되고 있다.

퀴놀논(quinolone) 내성 유전자인 qnr 계열은 다양한 병원체 내의 플라스미드로도 발견되고 있다. qnr 유전자는 pentapeptide repeat proteins (PRPs)를 암호화하고, PRPs는 topoisomerase IV 와 DNA gyrase 결합해서 퀴놀논의 치사 반응으로부터 topoisomerase IV와 DNA gyrase를 보호한다.

PRPs 작용 기전의 최근 모델은 QnrB1의 구조적 자료를 바탕으로 한 PRPs가 약물 결합 후 topoi- somerase–quinolone 복합체와 상호작용한 후 퀴놀논의 방출을 증가시킨다고 보고하고 있다. 이는 topoisomerase를 구제해 완벽히 정상 활성을 가질 수 있게 함으로써 DNA를 다시 묶어 이중가닥 DNA 절편의 방출을 막아 정상적으로 quinolone–topoisomerase 상호작용이 일어나게 하는 것이다.

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폴리믹신(Polymyxin) 항생제, polymyxin B 그리고 polymyxin E (colistin으로도 알려짐)는 긴 소수성 꼬리를 가진 cyclic antimicrobial peptides로 그람 음성 박테리아를 표적으로 한다. 이 특이성은 지질다당류(lipopolysaccharide, LPS)와의 결합을 통해 발생한다. 항박테리아 활성은 이 소수성 사슬에 의해 생기고, 이것이 두개의 박테리아 세포막을 모두 파괴한다. 최근에는 대체 요법이 부족으로 콜리스틴(colistin)이 다약제 내성이 있는 녹농균, 아시네토박터(Acinetobacter spp.)와 장내세균에 의한 감염 치료에 널리 사용되고 있지만, 결과적으로 폴리믹신의 내성은 진화하고 있다. 이 내성은 LPS 생성에 영향을 미치는 조절장치 발현의 변화와 관련되어 결과적으로 표적의 변화를 초래하고, 약물의 결합을 감소시킨다. 예를 들어 pmrC의 과발현이 발생한 변이는, 지질 A를 변형하는 산물로, 이성분계 PmrAB를 암호화하는 유전자에서 발견되고 있다. 이러한 변이는 지질A에 포스포에탄올아민을 첨가시켜 결과적으로 LPS 음전하의 저하를 통해 콜리스틴의 결합이 감소하게 된다. PhoPQ 이성분계, 혹은 그것의 조절장치들을 암호화하는 유전자 내에서의 변이는 PmrAB 시스템의 발현 증가를 통해 콜리스틴 내성을 줄 수도 있다. 이는 폐렴간균에서 알려진 일반적인 내성 기전이다.

뎁토마이신(Daptomycin)은 그람 양성 박테리아 세포막의 음이온 인지질을 표적으로 하고, 칼슘 이온이 있을 때 세포막내로 삽입되어 탈분극(depolarization)을 일으켜 세포 내 내용물의 손실을 일으킨다. 황색포도상구균에서 뎁토마이신 내성은 mprF 내 점 돌연변이(point mutations)에 의해 생길수 있으며, 그 결과 세포막의 인지질 조성이 재구성될 수 있다. 이는 차례로 막 전하와 인지질 조성을 바꾸어 뎁토마이신의 결합을 감소시킬 수 있다. 뎁토마이신의 한가지 중요한 용도는 장구균(특히, Enterococcus faecium)에 의해 발생한 심각한 감염을 치료하는 것이었다. 그러나 치료기간 동안 내성이 나타날 수 있다. 아직 장구균이 뎁토마이신에 저항할 수 있는 기전이 충분히 이해되지는 않았지만, 최근의 자료들로 뎁토마이신 민감성과 강하게 관련된 몇몇 유전자들과 경로들이 확인되고 있다. 이들 중 LiaFSR 조절 시스템(세포막 스트레스 반응을 조정)과 YycFCHIJ 시스템(세포벽 항상성을 조절)을 암호화하는 유전자 내의 변이가 뎁토마이신 비감수성을 보이는 많은 균체들에서 발견되고 있다. 두 시스템에 영향을 미치는 돌연변이들을 모두 갖고 있는 일부 균체가 발견되고 있어, 두 시스템에 의한 내성기전이 상호 배재적인 것으로 보이지는 않는다. LiaFSR 시스템의 붕괴는 인지질의 함량을 바꾸어, 뎁토마이신의 일차 표적인 세포막에 있는 cardi- onlipin-rich domains을 재배정한다. 격막으로부터 장구균의 일차 표적인 뎁토마이신 일차 결합부위를 제거하는 것은 뎁토마이신 내성을 부여한다고 여겨진다. 이는 어떻게 표적의 공간적 재편성이 내성을 줄 수 있는지에 대한 새로운 예가 되고 있다.

3.4 항생제의 직접적인 변형

박테리아는 항생제를 파괴하거나 변형할 수 있을 뿐만 아니라 항생제가 세포로 들어오는 것을 막고, 항생제의 표적을 바꿈으로써 항생제의 작용에 저항하고 있다.

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① 가수분해에 의한 항생제의 불활성

1940년에 페니실린(β-lactamase)이 발견된 이후 처음으로 항생제가 사용되면서 효소 촉매화에 의한 변형은 항생제 내성의 주된 기전이 되고 있다. 수천 종의 효소는 다른 종류(β-lactams, aminoglycosides, phenicols and macrolides)의 항생제를 변형하고 분해할 수 있다.

또한 같은 종 내에서도 다른 항생제들을 분해할 수 있는 효소의 아종(subclasses)도 있다. 예를 들어, Penicillins, cephalosporins, clavams, carbapenems 그리고 monobactams 같은 베타-락탐(β-lactams) 항생제들은 β-lactamases의 다양한 농도에 의해 가수분해될 수 있다. 성분이 개선된 유도체들을 포함한 항생제 종류의 확대가 활성 스펙트럼이 바뀐 가수분해 효소의 발생을 야기시키고 있다. 초기 β-lactamase는 1세대 베타-락탐에 대한 활성이 있으며, 뒤이은 extended-spectrumβ-lactamases (ESBLs, 넓은 범위의 항생제를 분해할 수 있는 효소)는 oxyimino-cepholsporins에 대해 활성을 갖는다. 폐렴간균, 대장균, 녹농균 그리고 아시네토박터 바우마니와 같은 그람 음성 박테리아에서 IMP(imipenemase), VIM(Verona integron encoded metallo β-lactamase), KPC(K. pneumoniae car- bapenemase), OXA(oxacillinase) 그리고 NDM 효소들을 포함한 다양한 ESBLs과 carbapenemases의 운반 이동(carriage)으로 모든 베타-락탐 항생제에 내성이 있는 균체가 나타나고 있다. 이는 특히 병원 내 환자의 중증감염 치료에 심각한 영향 미친다. 일부에서는 내성 박테리아 클론의 확대가 내성이 증가한 비율의 원인이라고 보고 있으나, 다른 한편에서는 내성 유전자를 운반하는 플라스미드가 넓게 퍼져있기 때문이라고 생각되고 있다. 기전에 관계없이 일반적인 특성은 비교적 짧은 시간에 급격한 확산과 내성의 확대가 있었다는 것이다.

다른 oxyimino-β-lactams 보다 세포탁심(cefotaxime)에 더 큰 활성을 갖는 ESBLs을 암호화하는 CTX-M 유전자의 변이체는 수백 종이 있다. 이 유전자들은 서로 다른 subgroup으로 분류되어 있으며, 이는 흙에서 발견되는 Kluyvera 종의 염색체에서 유전자의 누출(escape of genes)로 생긴 결과물이다. 이러한 누출은 특히 ISEcp1와 같은 삽입 서열에 의해 촉진되며 접합 플라스미드에 전달된 후 많은 박테리아 종으로 이동한다. CTX-M14와 CTX-M15 효소는 특히 세팔로스포린 내성 대장균과 폐렴간균에서 전세계적으로 가장 널리 알려진 ESBLs이다. CTX-M15를 분비하는 폐렴간균은 주로 병원에서 감염되는 문제가 있는 반면 CTX-M15를 분비하는 대장균은 지역사회 내 환자에 의해 전파된다. 그람 음성 병원체에서 주로 발견되는 IncFII 부적합성 그룹에 속하는 플라스미드는 유난히 특정 클로날 계보(대장균의 ST131-H30 클론)를 갖는 blaCTX-M15 확산과 관련이 있다. blaCTX-M15

유전자는 인간과 동물 그리고 장내세균의 환경 균체에서 발견되는 IncK plasmid pCT와 종종 관련된다.

ESBL 유전자를 운반하는 박테리아 수의 증가로 카바페넴(carbapenem)항생제의 임상적 사용이 지난 10년에 걸쳐 증가하고 있다. 이는 카바페넴 가수분해(carbapenemases) 활성이 있는 β-lactamases를 갖는 임상 균체의 수적 증가와 관계가 있다. Carbapenemase의 주 멤버는 class A, B, 그리고 Dβ-lactamase이다. 이러한 효소들의 특징은 카바페넴과 extended-spectrum cephalosporins를 포함한 베타-락탐 계열의 항생제를 광범위하게 불활성화 하는 것이다. 비록 한 종의 염색체에서 처음 확인되었지만, 현재는 많은 carbapenemases가 플라스미드에 의해 매개되어, 장내 박테리아인 녹농균과 아시네토박터 바우마니에서 보고되고 있다.

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Carbapenemases의 확산은 kpc와 ndm 유전자에서 보여지듯이 서로 다른 경로에 의해서 발생하고 있다. Serine carbapenemase KPC는 1996년 폐렴간균에서 처음으로 확인되었고 현재 일부 장내세균에서 보고되고 있다. Kpc 유전자는 플라스미드 유래 유전자로 전세계에서 발견되는 KPC를 분비하는 폐렴간균(K. pneumoniae, ST258)이 우점종으로 알려져 있다. 이 유전자는 종종 pKP-Oil 플라스미드나 근교계 변종에 의해 운반되며, 한 개의 아미노산(single-amino-acid) 치환에 의해 분화될 수 있는 단백질을 암호화하는 kpc 유전자 변종이 존재한다(비록 대부분이 비슷한 활성을 갖는다 하더라도). KPC2와 KPC3를 분비하는 균주는 미국, 그리스, 이스라엘과 영국에서 보고되고 있다. NDM carbapenemase는 2009년 최초로 인도에서 발견된 후, 가장 널리 퍼진 carbapenemase 중의 하나로 전세계에 걸쳐 대장균, 아시네토박터 바우마니, 폐렴간균을 포함해 그람음성 병원균에서 발견되고 있다. NDM은 아즈트레오남(aztreonam)을 제외한 모든 베타-락탐에 내성을 준다. ndm 유전자는 불화합성(incompatibility) 혹은 레플리콘 형태(IncA, IncC, IncF, IncHI1와 IncL–

IncM를 포함)에 속하는 넓은 숙주 범위의 변형된 플라스미드(broadhost-range conjugative plas- mids)에서 주로 발견되며, 다른 항생제 내성유전자를 가진 접합 플라스미스에서도 종종 발견된다.

흥미롭게도, NDM의 확산은 blaNDM 유전자 자체의 급격한 이동에 의한 것으로, 이는 kpc 유전자들을 갖는 플라스미드나 박테리아의 전염성 클론의 확장이라기 보다는 ndm 유전자 상류의 ISAba125에 의해 조정되는 것으로 보인다. NDM을 분비하는 균체는 많은 종에서 발견되고 있으며 이 유전자들은 플라스미드와 숙주 염색체 둘 다에 위치하며 높은 빈도로 둘 사이를 이동할 수 있다. 원론적으로 NDM을 운반하는 박테리아를 통한 감염은 인도아대륙, 발칸 주, 그리고 동아시아에 걸쳐 전염병학적으로 연결되어 있다. 그러나 최근 보고서는 세계의 다른 지역에서도 발생하여 지속되고 있음이 확인되고 있다.

② 화학기(chemical group) 의 전달에 의한 항생제의 불활성

박테리아 효소에 의해 항생제에 취약한 지점에 화학기(chemical group)가 첨가되면 입체 장애로 인해 표적 단백질에 결합하는 항생제를 막아 항생제 내성을 야기하게 된다. 다양한 화학기들(acyl, phosphate, nucleotidyl 그리고 ribitoyl group)이 운반될 수 있으며, 화학기를 받은 효소들은 항생제 내성 효소의 크고 다양한 group을 형성하게 된다.

아미노글리코시드 항생제는 많이 노출되어 있는 수산기(hydroxyl), 아미노기(amide group)와 커다란 분자체를 이루는 경향이 있기 때문에 변형에 특히 취약하다. 아미노글리코시드 변형 효소는 변형을 통해 항생제에 높은 내성을 나타내게 한다. 아미노글리코시드 변형 효소는 acetyltransferases, phosphotransferases 그리고 nucleotidyl transferases인 세 가지 주요 클래스가 있다. 이 클래스의 효소들은 진화적으로 다양해서 변형할 수 있는 아미노글리코시드와 변형되어 있는 분자의 부분이 다양하다. 그러나, 최근 분자 동역학 연구는 세 클래스 모두 활성 자리가 리보솜 결합 틈(ribosomal binding cleft)의 표적 환경처럼 보이기 때문에 아미노글리코시드가 결합할 수 있다고 제안하고 있다.

기질 특이성은 단백질 유연성(flexibility)과 활성자리의 크기, 결합된 기질과 복합체를 이룬 효소의 열역학적 특성의 조절의 조합에 따라 달라진다. 최근 걱정스러운 국면은 중국에서 구이용 닭으로부터 동정된 캄필로박터 콜리(Campylobacter coli)의 새로운 유전자 섬(genomic island)의

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발견이다. 이 유전자 섬은 6개의 아미노글리코시드 변형 효소(세 클래스의 멤버를 포함)를 암호화해서 젠타마이신(gentamycin)을 포함하는 캄필로박터 감염의 치료에 사용되는 몇 종의 아미노글리코시드 항생제에 내성이 생기게 한다.

또 다른 최근 발견은 방선균류(Actinomycetes)와 병원성 박테리아에서 리팜피신(rifamycin) 내성 유전자 family가 광범위하게 존재한다는 것이다. 이러한 유전자는 공통된 시퀀스 부분인 rif-associated-element (RAE)의 동정에 의해 발견되고 있다. RAE는 리팜피신(rifamycin) 내성 유전자인 방선균류 상위의 다양한 속(genera)에 존재하는 공통 시퀀스 부분이다. 유전자은행에 등록된 서열의 생물정보 분석으로 광범위 생물 종에서 RAE의 존재가 확인되었고, 또한 RAE와 관련있는 새로운 리팜피신 인산전달효소(rifamycin phosphotrasferase)가 확인되었다. 계통 발생학 및 기능 분석으로 이전에 알려지지 않은 리팜피신(rifamycin) 내성 유전자의 감염소가 확인되고 있다.

Ⅲ. 요약과 결론

의학뿐만 아니라 동물의 치료, 원예, 양봉, 해양과 석유 산업에서 사용된 방오도료, 그리고 유전자 조작을 수행한 실험실에서 항생제의 광범위한 사용으로 인한 박테리아의 항생제 내성 발생에 대한 진화론적 선택은 훌륭하다. 항생제 내성은 자연적인 현상으로 수십억 년 동안 박테리아는 자연적으로 항박테리아 물질의 작용에 저항하도록 진화하고 있다. 항생제 내성이 생기는 박테리아의 능력이 오랫동안 인지되어 왔으나, 관련 기전의 두드러진 다양성에 대한 우리의 이해는 최근에서야 크게 증가하고 있다. 유전체학, 시스템 생물학, 구조 생물학의 발달은 내성에 원인을 밝힐 수 있도록 정밀한 사건을 밝히고, 이를 더 잘 이해하도록 지속적인 정보를 제공할 것이다. 이 정보를 적절하게 사용하는 경우 현존하는 내성 기전을 중화하고 피할 수 있는 새로운 약물의 발견과 개발에 도움이 될 것이다. 내성의 충분한 이해는 약물 발견을 위한 새로운 표적들을 제공할 수 있다. 예를 들면, 다약제내성 유출 펌프를 암호화해서 유전자 발현을 조절하는 MarA 억제제가 동정되었고, 이는 마우스 요로 감염 모델에서 대장균 감염에 의한 통증을 제한하는 것으로 보여지고 있다.

내성 발달과 내성 기전의 연구는 약물개발 초기단계의 의무 요건이 되어야 한다. 이러한 연구들이 교육 기관과 산업체가 함께 일 할 수 있게 할 것이다. 우리는 이제 새로운 약물의 내성 발생에 대한 잠재성을 빠르게 평가해, 어디서 그리고 언제 내성이 발생하는지를 확인함으로써 원인이 되는 기전을 밝힐 수 있다. 자연적으로 발생하는 내성기전과 거대한 구조적 변화를 동반할 수 있는 표적을 초기에 확인함으로써 내성으로 인해 임상에서 실패할 수 있는 제제 개발의 중단을 이끌어 낼 수 있다. 자원(resources)을 대신해 미생물학에 근거해 파이프라인에서 배제될 가능성이 적은 물질(agents)에 집중될 것이다. 어떻게 그리고 언제 내성이 발생하는지에 대한 지식과 물질들의 조합을 통한 잠재적인 동반 상승효과는 새로운 항생제에 대한 내성 발생을 최소화하도록 투약법의 개발을 촉진시켜 약물들이 최상의 효과를 나타낼 수 있도록 할 것이다. 새로운 물질이 가까운 미래에 광범위한 임상 실험에 들어갈 수는 없기 때문에 이는 중요하다. 이제 이 분야의 남은 과제는 이용할 수 있는 기술, 정보 그리고 차세대 항박테리아 약물의 시급한 개발이 충분히 설명될 수 있도록 확실한 전문 지식을 최대한 활용하는 것이다.

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그림. 항생제 내성 기전

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성민정(2016). 항생제 내성의 분자적 기전. BRIC View 2016-R07.

Available from http://www.ibric.org/myboard/read.php?Board=report&id=2488 (Mar 23, 2016) Email: member@ibric.org

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