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Extended Spectrum β -Lactamase 내성기전

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• 교신저자:김기호, 동국대학교 의과대학 비뇨기과학교실 경북 경주시 석장동 1090-1 780-350 Tel: 054-770-8265, Fax: 054-771-0769 E-mail: honda400uro@gmail.com Received: September 3, 2012

Revised: September 7, 2012 Accepted: September 17, 2012

Extended Spectrum β-Lactamase 내성기전

동국대학교 의과대학 비뇨기과학교실

김 기 호

[Abstract]

The Mechanism of Extended Spectrum β-Lactamase Ki Ho Kim

From the Department of Urology, College of Medicine, Dongguk University, Gyeongju, Korea

β -lactamases are the most widespread cause of bacterial resistance to β-lactam antibiotics, such as the penicillins and cephalosporins, and the mechanisms of these enzymes are intensely studied. The first β-lac- tamase was identified in an isolate of Escherichia coli in 1940. Many of the gram-negative bacteria possess a naturally occurring, chromosomally mediated β-lactamase, which probably assists the bacteria in finding a niche when faced with competition from other bacteria that naturally produce β-lactams. β-lactamases are classified into two major types on the basis of the main component of the active site: serineβ-lactamases and metallo-β-lactamases. Serineβ-lactamases are further classified into three classes: class A, C, and D; i.e., metalloβ-lactamase is classified into class B. As is well known, the catalytic mechanism of serineβ -lactamases involves acylation and deacylation. In this paper, we have investigated the mechanisms of class A β-lactamase, most of which have extended spectrum β-lactamases belonging to that of the other classes B, C, and D β-lactamase. (Korean J UTII 2012;7:89-98)

Key Words: β-Lactamases, Mechanism of action

서 론

새로운 항생물질을 도입하여 능동적으로 세균에

의한 감염질환을 치료하였지만 항생물질의 지속적 인 노출에 의해 살아남은 세균들은 다양한 항생제 내성을 지닌 세균으로 재탄생 하게 되었다. 이러한 항생제 내성균의 출현은 필연적으로 내성균주를 죽일 수 있는 항생제의 개발을 촉진시켰으며, 세균 또한 항생제를 무력화 시킬 수 있는 방법을 개발하 면서 점차적으로 내성균의 증가를 초래하고 있다.

1950년도 초에 발견된 페니실린 내성 황색포도상

구균이 보고되었으며, 이를 치료하기 위해 메티실

린 (methicillin)이 개발되었다. 그 후 메티실린 내성

(2)

황색포도상구균 치료에 반코마이신 (vancomycin)이 개발 사용되었으며 1996년 반코마이신 내성 황색 포도상구균이 발견되었다.

1,2

2010년 발표된 Karms (Korean antimicrobial resistance monitoring system)의 보고를 보면 지역감염에서 E. coli에서 9.5%, K.

pneumoniae의 경우 12.8%에서 extended spectrum β- lactamase (ESBL)이 관찰된다고 하였으며 병원감염 인 경우 대장균은 25%, K. pneumoniae 경우 78.6%

에서 관찰된다고 하였다.

3

또한 광주에서 시행한 연구를 보면 4년 동안 시간이 지나감에 따라 지속 적인 증가를 보여주고 있다.

여기서는 β-lactamase 중 대부분의 ESBL이 속하 는 class A β-lactamase 내성기전에 대해서 알아보고 class B, C, D의 내성기전에 대해서도 알아보도록 한다.

본 론

항생제의 내성기전을 이해하려면 우선 약제의 작 용기전을 알아야 하는데 항생제의 일반적인 action 을 보면 항생제가 박테리아의 표면에 binding하면 박테리아로 uptake되어 target에 binding되면 박테리 아의 단백질이나 핵산, 세포벽 등의 생성을 억제시 켜 박테리아를 파괴한다. 따라서 각각의 단계에 적 절하게 박테리아가 저항을 해서 항균제에 대한 내 성을 키우고 있다. 항균제의 작용기전으로 선택독성 을 가지면서 세포벽 합성을 억제를 시켜 세균의 형 태를 유지할 수 없도록 하여 세균을 없애거나, 세포 막 기능을 억제시키고 세균 증식에 필요한 단백합 성을 억제시켜서 세균을 죽일 수도 있다. 또한 세균 증식에서 필요한 과정인 DNA의 전사나 번역 및 RNA 형성에 지장을 주어 항균작용을 나타내거나 핵산합성의 중요한 전구물질인 엽산의 합성을 억제 하여 항균작용을 나타내기도 한다. β-lactam계 항생 제는 세포벽 합성을 저해하여 항균작용을 나타낸다.

세균은 peptidoglycan이라는 세포막으로 구성되어 있 으며 세포분열과정에서 세균에 존재하는 trans- peptidase 효소에 의해 peptidoglycan이 cross-link가 되어 새로운 세포벽을 합성한다. Penicillin, cepha- losporin, monobactam, carbapenem 등은 공통적으로

β -lactam ring을 가지고 있어 penicillin binding protein (PBP)에 접합하여 transpeptidase와 같은 효소작용을 억제하여 peptidoglycan의 형성을 억제하여 새로운 세포막형성을 억제하고 그 결과 세균을 둘러싸고 있는 환경의 높은 삼투압이나 낮은 삼투압에 의해 세균의 형태변화가 생기며 지속적인 삼투압 영향으 로 세포막 파열이 발생하여 세균을 죽게 만든다.

Aminoglycoside, tetracycline 등은 단백합성을 억제하 며 rifampin 등은 DNA dependent RNA polymerase와 결합하여 RNA 합성을 방지하여 항균작용을 나타내 고 quinolone은 DNA gyrase에 작용하여 DNA 합성 및 복제를 억제한다. Sulfonamide, trimethoprim 등은 핵산합성의 전구물질인 엽산의 합성을 억제하여 항 균작용을 보인다. 항균제 내성은 자연적으로 출현하 는 경우는 매우 낮은 빈도를 나타내며 대부분은 감 수성이 있었던 세균이 변이 또는 다른 세균에서 유 전자를 획득하면서 내성을 나타내는 획득내성으로 나눌 수 있다. 이러한 획득 내성의 기전으로 한 세 포의 DNA가 다른 세포로 전파되어 유전형을 변화 시키는 transformation이 있으며 plasmid DNA가 박테 리오파지에 의해 들어가고 박테리오파지에 의해 같 은 종의 다른 균으로 옮겨지는 transduction이 있으 며 plasmid 또는 다른 DNA가 성 섬모와 같은 con- jugation의 방법으로 약에 대한 내성을 전파시킬 수 있다.

1. β -lactamase의 분류

Ambler molecular classification과 Bush-Jacoby-

Medeirosfunctional classification에 따라서 β-lactamase

를 분류한다.

4,5

β-lactamase 또한 3차원 구조의 특이

한 형태를 하고 있으며 항균제와 binding하는 active

site의 main component에 따라 두가지 형태의 β

-lactamase로 나뉘며, 아미노산 serine이 있으면 ser-

ine β-lactamase, zinc가 있으면 metallo β-lactamase로

나뉜다. Ambler molecular classification에서는 효소

의 단백질 유사성에 따라 효소활성 부위가 serine인

serine β-lactamase인 A, C, D와 활성부위가 zinc인

B형인 metallo β-lactamase로 분류되며, 효소의 기능

성 성질 즉 기질과 억제제의 반응에 따라 기능적으

(3)

Table. 1. Classification of β-lactamase

Functional

mechanism Ambler class Bush

(groups) Examples Substrates

Serineβ- lactamases

Class A-penicillinases

2a, 2b, 2c

broad spectrum β lactamases: TEM-1,

TEM-2, SHV-1

Benzylpenicillin (penicillin),

Aminopenicillins (amoxicillin, ampicillin), carboxypenicillins (carboxypenicillin, ticarcillin), narrow-spectrum cephalosporins (cefzolin, cefuroxim and others)

2be Expanded pectrum β -lactamases (ESBL):

TEM family and SHV-family others: BES-1, GES/IBC

family, PER-1, PER-2, SFP-1, TLA-1, VEB-1/2

substrates of the broad spectrum group β-lactamases plus cloxacillin, methicillin and oxacillin

same as for TEM and SHV family

2br TEM family (TEM-30, TEM-31) IRTs

same as for TEM and SHV family and inhibitors resistant

2e CTX-family substrates of the expanded spectrum β-lactamases group, for some enzymes, cefepime

2f carbapenemases: (KPC-1, KPC-2 and KPC-3,

GES-1, GES-2)

substrates of the expanded spectrum β-lactamases group plus cephamycins and carbapenems (ertapenem, meropenem, imipenem) Metalloβ-

lactamases

Class B-metallo- lactamases (zinc)

3a, 3b, 3c

carbapenemases: IMP family, VIM-family, SPM-1, SPM-2, GIM-1,

and L1, CerA

same as for carbapenemases class A

Serineβ- lactamases

Class C-cephalosporinases

1 AmpC-type: AAC-1, ACT-1, CFE-1, CMY-family, DHA-1,

DHA-2, Fox-family, LAT-family, MIR-1, MOX-1, and MOX-2

substrates of the expanded spectrum β-lactamases group plus cephamycins

Serineβ- lactamases

Class D-cloxacillin- hydrolyzing enzymes (OXA)

2d Most of OXA family other OXA: OXA-23, OXA-27 and OXA-40,

OXA-48

substrates of the broad-spectrum group plus cloxacillin, methicillin and oxacillin

same as for IMP family, VIM-family, SPM-1, SPM-2 and GIM-1

Unknown 4 AVS-1 miscellaneous or unseqyenced/

uncharacterized enzymes that do not fit into any function or molecular group

로 분류한 Bush-Jacoby-Medeiros functional classi- fication에서는 group 1, 2, 3, 4로 나뉠 수 있고 group 1은 cephalosporinase, class C이며 group 2는

penicillinase, cephalosporinase이며 clavulanic acid에

억제되며 class A, D가 여기에 속하며 원칙적으로

2b는 SHV-1, TEM-1, TEM-2 효소 군을 말하고 2be

(4)

에서 e는 extended spectrum activity로써 3세대 ceph- alosporin과 monobactam를 inactivation시키고 β -lactamase inhibitor인 clavulanic acid에 의해 억제가 된다 (Table 1). 원칙적으로 2be 군에 ESBL이 소속 되고 Ambler 분류법으로 class A에 속한다.

2. ESBL의 정의 및 종류

7-amino-cephalosporic acid ring의 side chain을 변 형시켜 7-β-acyl side chain에 O-substituted oxyimino group을 포함하여 제작된 ceftazidime, cefotaxime, ceftriaxone 등을 extended spectrum cephalosporin이라 고 하며 이러한 항생제 및 aztreonam을 가수분해할 수 있고 β -lactamase inhibitor인 clavulanate 등에 의 해 억제되는 β -lactamase를 “extended spectrum β -lactamase”라고 정의한다.

6

ESBL은 plasmid에 의해 매개되며 다른 항균제에 대한 내성을 보일 수 있 다. 현재까지 밝혀진 유전형은 170가지 이상의 ESBL이 보고되고 있다. ESBL은 대부분 Klebsiela pneumoniae와 E. coli와 관련이 많으며 몇몇 다른 enterobacteriae에서도 관찰된다.

7

Bush-Jacoby-Medeiros functional classification에 따 르면 group 2be이며 Ambler molecular classification 에 따르면 class A에 속하는 TEM, SHV 변종들이 여기에 속한다. 그러나 TEM, SHV-ESBL과 전혀 다 른 기전의 CTX-M이 보고되었으며, class A에 속하 지는 않지만 group 2be와 비슷한 성질을 가지는 OXA derivative과 같은 효소도 보고되었다. 또한 class A β-lactamase이지만 carbapenem을 가수분해하 는 효소도 최근 보고되고 있다 (ex, KPC, NMC/IMI, SME).

8,9

TEM-1에서 point mutation 기전으로 변이가 생겼으며 각각의 위치에서 아미노산이 무엇인지에 따라 여러 종류의 변이형이 발견되었으며 TEM type은 140가지 이상, SHV type은 60가지 이상의 변이형이 관찰되고 있다.

1) Sulphydryl variable (SHV)

SHV-1은 TEM-1과 매우 유사한 structure를 가지며 TEM-1의 68%의 아미노산을 공유한다. penicillin 및 narrow-spectrum cephalosporin (cephalothin, cephalor-

idine)을 무력화시키며 K. pneumoniae의 bacterial chro- mosome에 bla

SHV-1

gene이 존재하지만 그람 음성세균 에서는 plasmid 형으로 존재한다. SHV 또한 다양한 돌연변이 관찰되며 SHV-1의 아형인 SHV-2는 K.

pneumonia, Klebsiella ozaenae, S. marcescens에서 발견 되었으며 bla

SHV-1

gene과 유사하지만 아미노산 Gly238 이 serine으로 바뀌어 oxyimino-cephalosporin (ex; cefo- taxime)에 저항을 나타낸다. SHV-5는 Glu240이 Lysine 으로 대체된 것으로 ceftazidime을 무력화 시킨다.

10,11

유럽과 미국 등 전세계적으로 분포해 있다.

2) Temoniera (TEM)

TEM-1은 1965년 penicillin에 저항하는 대장균에 서 발견된 이후 150개 정도의 많은 돌연변이가 보 고되고 있으며 SHV-1과 유사하다. Ampicillin에 대 한 내성을 보이는 대장균은 대부분 TEM-1 때문이 다. TEM-2는 39번 아미노산 위치에서 glutamine에 서 lysine로 돌연 변이된 균으로 TEM-1과 같은 penicillin을 가수분해하는 같은 성질을 가지고 있으 나 TEM-1과 다른 등전점을 가진다. 대부분의 TEM variant는 ESBL activity를 가지지만 몇몇 TEM 아형 은 β -lactamase inhibitor을 무력화 시키기도 한다.

Complex mutants of TEM (CMT)는 TEM-ESBL에서 보이는 아미노산 구조도 가지고 inhibitor-resistant TEM에서 보이는 아미노산도 같이 가지고 있어 oxyimino-cephalosporin과 inhibitor에 저항을 보인

다.

12,13

예를 들면 최근 발견된 TEM-125는 TEM-12

와 inhibitor-resistant TEM-39의 아미노산을 병행하 여 가지고 있어 ESBL을 진단하기 어렵다.

3) CTX-M

1989년 대장균에서 non-TEM, non-SHV ESBL이며 가수분해 현상은 TEM, SHV과 유사하지만 ceftazi- dime보다는 cefotaxime에 대한 가수분해 활성이 높 은 β-lactamase가 발견되었으며 이를 CTX-M으로 명 명하였다. SHV-ESBL과 TEM-ESBL은 부모 세균의 plasmid 점 돌연변이에 의해 다양성을 획득하지만 CTX-M은 horizontal gene transfer인 conjugative plas- mid와 transposon 형태로 유전자 교환이 이루어진다.

유전자 상동성을 조사해 CTX-M 유전자의 기원을

(5)

R O N

R O

O

-

E

R O N E

R

O HN HO

Acyl-Enzyme complex

-

O

HN

E-OH E-OH

Fig. 1. Substrate inactivation mechanism by serine-β

lactamase.

유추해 보면 CTX-M 유전자는 주위환경에 commen- sal bactrerial의 일종인 Kluvera spp.의 유전자와 매우 유사하여 이들 미생물에서 horizontal gene transfer을 통해 대장균에 들어 온 것으로 추정된다. 이러한 유 전자 교환에는 ISEcp1, ISCR1과 같은 genetic ele- ment가 관여하며 bacteriophage 또한 관여하는 것으 로 알려져 있다.

14-17

80가지 이상의 CTX-M enzyme 이 보고되고 있으며 아미노산 염기순서의 유사성에 따라서 CTX-M-1, CTX-M-2, CTX-M-8, CTX-M-9, CTX-M-25의 5개 군으로 나뉘어진다.

4) GES

Penicillin과 extended-spectrum cephalosporin을 가 수분해하지만 cephamycin 또는 carbapenem에 의해 억제되지 않는, 그러나 성향은 class A ESBL과 닮 은 β -lactamase가 발견되었으며 Gly170이 serine이나 asparagine으로 대체되었다.

18

5) OXA

대부분의 OXA β-lactamase는 플라즈미드에 의해 매 개 되며 cloxacillin, oxacillin에 대해서 50% 이상의 가 수분해 활성을 가지고 oxyimino-cephalosporin에 대해 서 미미한 저항을 보이지만 OXA-10, 13 등 몇몇 OXA type β-lactamase는 oxyimino-cephalosporins에 대 한 가수분해 작용을 가지고 있다.

19

Class D, functional group 2d에 속하며 프랑스와 터키 등에서 관찰된다.

6) 기타

PER, VEB, IBC β-lactamase 등은 대부분 P. aeru- ginosa에서 발견되고 PER-1은 터키, 프랑스, 이탈리 아, VEB-1, -2은 동남아, GES-1, -2는 한국, 터키에 서 관찰된다.

3. 내성기전

일반적으로 세균이 β-lactam 항생제에 내성을 보 이는 기전은 β -lactamase와 같이 효소를 생성하여 항생제가 세균으로 들어오더라도 작용을 못하도록 하는 방법과 PBP에 mutation을 일으켜 항생제가 결 합하지 못하도록 하여 역할을 못하도록 할 수 있으

며 porin channel의 숫자를 변화시키거나 특성을 변 화시켜 외막에서 β-lactam 항생제의 uptake를 감소 시키는 방법이 있다. Class A β-lactamase에서는 ac- tive site에서 항균제와 중요한 역할을 하는 아미노 산이 Lys73, Glu166, Ser70, Ser130이 중요한 아미노 산이며 class C에서는 Lys67, Tyr150, Ser64, class D 에서는 Lys70, Ser67이 중요한 아미노산으로 active site에서 항균제의 β-lactam ring을 가수분해한다. β -lactamase는 penicillin이나 cephalosporin의 β-lactam ring을 가수분해함으로써 항생제가 transpeptidase에 역할 하는 것을 방해한다. Class A β-lactamase는 3 차원 구조로써 각각의 특이한 형태를 가지고 있다.

α1-β1 strand, β5, Ω loop, β3-β4 lesion에서 많은 아 미노산의 point mutation이 발생하며 그 외에 104, 69 등에서도 mutation이 일어나 많은 변이형이 관 찰되고 있다. 각각의 lesion에서 아미노산이 치환되 면 그에 따른 특이한 성상이 관찰된다. α1-β1 strand에는 TEM-4, TEM-67, SHV-2A, TEM-130, TEM-2, SHV-7 등이 여기에 속하며 단백질의 구조 및 안정성에 영향을 미치고 Ω loop에서 mutation이 일어난 것은 TEM-7, -12, -29, -53, -115, -143 등이 여기에 속하고 대부분 oxyimino-cephalosporin에 대 한 가수분해능이 증가되어 있다.

20

이렇게 point mutation을 통해 다양한 형태의 ESBL을 생성하는 박테리아가 발견되고 있지만 β -lactam ring을 가수분해해서 항균제로써의 역할을 못하게끔 하는 것은 공통된 기전을 가지고 있다.

Serine β-lactamase의 가수분해 기전은 효소와 항균

제가 결합하여 β-lactam ring을 끊는 acylation과 끊

(6)

Lys73 Lys73 Lys73 Lys73

Lys73 Lys73

Lys73 Lys73

Ser70 Ser70

Ser70 Ser130

Ser70

Ser70 Ser70

Ser70 Ser70

Ser130

H H

H

N O

H H O

O

-

O

Glu 166 Glu 166 Glu 166 Glu 166

Glu 166 Glu 166 Glu 166 Glu 166

Asn 170

-

O NH

3+

N

O O

O

-

OH N

NH

3+

NH

2

O O

N H H O H

O

-

O H H O

O

-

O H H O

O

-

O

Asn 170 Asn 170 Asn 170

O NH

3+

O O

-

N OH

NH

3+

N O O

-

NH

3+

NH

3+

H O

O H H

O

-

O

Asn 170 Asn 170

O H H

OH O

H H O

Asn 170 OH

O

O H H

O

-

O

Asn 170 A

B O

N H

Fig. 2. Serine acylation mechanism involving either Lys73 (scheme (a)) or Glu166 (scheme (b)) as the general base.

어진 β-lactam이 효소에서 분리되는 deacylation 기 전을 통해 이루어진다 (Fig. 1). 각 β-lactamase의 내 성기전은 비슷하며 active site의 특징적인 아미노산 이 다를 뿐이며 이때 관여하는 아미노산의 상호작 용도 조금씩 차이가 나지만 기본적으로 acylation과 정 (Fig. 2 (a)~(c))에 의해 active site에 항균제가 binding된 후 다양한 수소결합과 이온결합으로 인 해 가수분해 과정을 거쳐 β -lactam ring이 끊어지게 된다 (Fig. 2 (c)~(d)).

1) Class A β-lactamase

(1) acylation

Ser70이 deprotonation되어 β-lactam ring의 carboxyl 기에 작용하여 acyl intermediate를 형성하여야 하는데 이때 Lys73과 Glu166, 물 분자가 중요한 역할을 하게

된다. 일단 Lys73이 Ser70으로부터 수소원자를 가지

고 와서 Ser73을 deprotonation시켜서 c7-carboxyl기에

붙은 뒤 Ser130의 hydroxyl group에서 수소원자를 빼

어서 acyl intermediate를 형성한다. 또 다른 기전으로

Lys73에서 Ser130, Asn132, Ser70의 산소분자와 hy-

drogen bonding을 형성하고 있어서 Ser70의 hydrogen

이 water molecule에 donation된다. 여기서는 Glu166이

general base로서 물 분자에서 수소원자 하나를 빼앗

고 Ser70의 hydroxyl group에서 수소원자가 물 분자로

이동하면서 Ser70이 C4-carboxyl 기에 binding한 후

Ser130의 hydroxyl에서 수소원자가 이동하면서 acyl

intermediate를 형성한다 (Fig. 2).

21,22

Neutral Lys73이

general base로써 Ser70을 deprotonation된 상태로 만들

거나 또는 음전하 된 Glu166이 water molecule과 함

께 Ser70을 deprotonation시켜 β-lactam substrate의

(7)

Lys73 Ser130 H

Glu 166 O H

R S

-

O O

O H H H H N

+

Ser70 O HN

Lys73 Ser130 Ser70

Glu 166 O

---

O

O O O O O O

R S

HN H

H

H

H H H

N

Glu 166 OH

O

O O O Ser70 O

HO HN

R S

H

H H H

N Ser130 Lys73

Glu 166 OH

O HO HN

R S

H O O

O H

O OH

H N H Ser130 Lys73 Ser70 HO HN

R S

O

---

Ser70 O

Glu 166 OH O

O

---

O

H H H H N

+

Lys73 O Ser130

O

---

Fig. 3. Deacylation mechanism by Class A β-lactamase.

C3-carbonyl기를 공격하여 acyl intermediate를 만든다.

그런 다음 β -lactam ring에 있는 nitrogen을 activation 시키는데 이때 Ser130에서 수소이온을 주고 β-lactam ring이 open된다.

(2) deacylation

이 과정에 관여하는 중요한 active site에 있는 아미 노산으로 Ser70, Lys73, Ser130, Glu166 등이 있다. 첫 번째로 Lys73-Ser130-C3 carboxylate간에 수소결합 net- work를 형성하며 Lys73에 있는 proton이 Ser130으로 다시 Ser130에서 substrate의 C3-carboxylate로 hydrogen 이 이동하면서 Lys73이 탈수소화된다. 이때 필요한 activation energy가 7.9 kcal/mol이다. 그런 다음 Lys73 의 deprotonation때문에 Glu166과 Lys73의 ionic inter- action의 감소는 Glu166의 general base로써의 역할을 강화시키고 따라서 물 분자의 수소를 받아들이면서 OH기가 C에 결합할 수 있도록 도움을 주고 Glu166의 도움으로 acyl-enzyme tetrahedral intermediate (TI)를 형 성한다. 이때 Lys73이 Glu166의 수소결합 형성에 중요 한 역할을 한다. 이 반응에서는 activation energy로 24.5 kcal/mol가 필요하다. C7-Ser70 사이가 떨어지기

위해서는 Ser70에 proton을 주어야 하는데 Glu166과 Ser70사이가 proton을 직접적으로 주기에는 너무 멀기 때문에 Lys73이 C3-carboxylate에서 Ser130으로 다시 Ser130에서 Lys73으로 수소이온을 전달받아 proto- nation된다. 이때 필요한 activation energy는 9.0 kal/mol 이다. Lys73의 protonation으로 인해 H

+

원자가 Ser70 으로 이동하고 마지막으로 Ser70이 C7 carboxylate와 detachment하게 되어 substrate으로부터 분리된다.

23

이 과정에서 필요한 activation energy는 3.92 kal/mol이다 (Fig. 3). C3-carboxyl group이 deacylation에 관여하지 않는다면 deacylation과정은 좀 더 단순하다. C7에 nu- cleophillic attack으로 인해 TI가 형성된다. 그런 다음 Lys73에서 Ser70으로 한 개의 수소가 이동하면서 C7-Ser70 결합이 끊어진다 (Fig. 4). 이때 필요한 acti- vation energy는 각각 26.8 kal/mol, 2.4 kal/mol이다.

24

2) Class C β-lactamase

Class A β-lactamase와 비슷한 deacylation과정을

거치는데 Tyr150과 Lys67, Ser64가 관여한다. Lys67

과 Lys315의 positively charged side chain간의 상호

(8)

Lys73 H O

Glu166 O

-

H

O

R S

O HN Ser70 O

O O

H O Ser130 H H

H N

+

R S

O HN

-

O O Ser70 O

HO

H O Ser130 Lys73

H H H N

+

OH O Glu166

R S

HN O O O Ser70

HO

H O Ser130 Lys73

H N H OH O Glu166

R S

O HN

-

O O Ser70 O

HO

H O Ser130 Lys73

H H H N

+

OH

O Glu166

Fig. 4. Substrate independent deacylation mechanism by Class A β-lactamase.

작용으로 인해 negatively charge를 띈다. 이러한 oxygen anion이 water molecule로부터 proton을 뺏고 Tyr150이 기능적으로 general base역할을 하게 되며 TI2는 TI1에 비해 Lys67이 Tys150보다는 Ser64쪽으 로 가까이 위치해 있다는 점이 다르고 Tyr150과 Lys135가 가까운 위치에 있어서 Lys67에서 Ser64로 hydrogen atom이 이동하면서 분리된다.

24

3) Class D β-lactamase

Lys70과 Ser67이 deacylation 과정에 중요한 역할 을 수행하며 deprotonated Lys70이 물 분자와 반응하 여 수소원자 하나를 가져오고 물 분자에서 만들어 진 hydroxyl ion이 substrate의 carbonyl group에 nucle- ophillic attack를 가해서 TI를 형성한다. 그런 다음 Lys70의 amino group에서 수소원자하나를 Ser67에 빼기면서 Ser67과 substrate간에 결합이 끊어진다.

23

4. 치료

Cephalosporin으로 치료하는 것은 in vitro에서 효과

가 있는 것처럼 보이는 경우에도 임상적으로 효과적 이지 않다. 또한 fluoroquinolone과 aminoglycoside과 같 은 항생제에서도 높은 내성을 보이고 있다. 원칙적으 로 ESBL균에 의한 감염 치료는 carbapenem (imipenem, meropenem, ertapenem) 계통 약물을 사용하 여야 한다. CTX-M type의 ESBL은 ceftazidime에 대한 내성이 약하기 때문에 매우 효과적이다. Cephamycin (cefoxitin, cefotetan) 계열의 항생제가 ESBL 치료에 이 론적으로 이용될 수 있으나 다중내성으로 세포벽의 약물통로를 막거나 AmpC β-lactamase의 발현으로 cephamycin에 대한 내성을 보일 수 있다. 그러므로 cephamycin은 ESBL에 의한 중한 감염의 일차치료제 로 추천되지는 않는다.

25,26

β-lactam/β-lactamase in- hibitor (amoxicillin/clavulanate, peperacillin/tazobactam)를 같이 사용할 수 있으나 다른 내성기전을 가지고 있을 수 있어 약제에 대한 내성을 보일 수 있다.

결 론

ESBL균의 출현은 전 세계적으로 문제가 되고 있

(9)

으며 특히 요로감염 치료에 사용되는 대부분의 경 험적 항생제를 무력화 시킬 수 있어 주의 깊은 접 근이 필요하다. ESBL의 항생제에 대한 내성기전은 항생제의 β -lactam ring을 acylation과 deacylation의 mechanism을 통해 가수분해함으로써 항생제가 transpeptidase에 작용을 하지 못하도록 하여 내성을 나타낸다. ESBL의 종류에 따라서 acylation, deacyla- tion에 관여하는 active site의 아미노산이 다르고 작 용기전 또한 차이가 있지만 기본적으로 β -lactam ring을 가수분해함으로써 항생제에 대한 내성을 보 인다. 이때 Ser70, Glu166, Lys73 등이 중요한 아미 노산으로써 역할을 한다.

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수치

Fig.  1.  Substrate  inactivation  mechanism  by  serine-β  lactamase.
Fig.  2.  Serine  acylation  mechanism  involving  either  Lys73  (scheme  (a))  or  Glu166  (scheme  (b))  as  the  general  base.
Fig.  3.  Deacylation  mechanism  by  Class  A  β-lactamase.
Fig.  4.  Substrate  independent  deacylation  mechanism  by  Class  A  β-lactamase.

참조

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