Streptococcus pyogenes 병인과 항균제 내성 의 최근 지견
Review
윤정숙*
현대의학의원연구소 미생물학검사실
The Current Opinion of Pathogenesis and Antimicrobial Resistance of Streptococcus pyogenes
Jeongsook Yoon*
Microbiology Laboratory, Hyundae Medical Clinic Research Center, Korea
Streptococcus pyogenes (GAS) is the most common cause of school aged bacterial pharyngitis and cause of the necrotizing fasciitis and streptococcal toxic shock syndromes. To classify GAS, serological T or M typing has been used, however now emm genotypes are used. Emm 78 was the most common type in Jinju, Korea, revealing 16.7%. Th e erythromycin resistant rate was 11.6%. In this review, we studied current opinions of GAS pathogenesis and antimicrobial resistance rate. Although decades of study, it is unclear how GAS virulence influences host. Although there had been reports that M protein is related to the disease type, complete genome sequencings revealed no diff erence of emm or M proteins in strains. Instead, about 10% of gene content heterogeneity in the same M serotype aff ects disease and virulence. Conclusively, insertion or deletion of prophage to the specifi c integration site decides virulence. In addition, extensive variability occurs by recombination events. Prophage and integrated conjugative element (ICEs) decide virulence. ICEs are mobile structure and have a capacity of acquirement exogenous genetic element by horizontal gene transfer. ICEs are chimeric structure composed of multiple antimicrobial resistance gene, horizontal gene transfer machinery, extracellular proteins. Until now 55 prophages and 12 ICEs and 21 integration sites have been discovered. Recently it has been studied in the nucleotide level, and there have been many theories of regulatory axis and hypothesis single base mutation or deletions increase or decrease the specifi c disease.
Keywords: Streptococcus pyogenes; Prophage; Integrated Conjugative Element
Streptococcus pyogenes (GAS)는 학동기 세균성 인두염의 가장 흔한 원인균이고, 치료하지 않을 경우 고열, 두통, 복통 등 전 신성 질환으로 진행한다. 합병증으로 성홍열, 류마티스열, 급 성사구체 신염이 있고, 치명적 감염으로 괴사성 근막염, 독성 쇼크증후군 등이 있다. 인두염이 괴사성 근막염, 피부감염이 독성 쇼크증후군의 후유증을 남길 수 있다. streptococcal toxic shock syndrome는 외독소 A (Spe A)가 원인이고, 한국에서 드 물게 나타나나 간과됨을 고려하여야 한다. GAS 감염은 매년 세계에서 6억 명이 발생하고 50만 명이 사망한다.2)
서론
Matrix-assisted laser desorption ionization-time of flight mass spectrometry로 Streptococcus 간 종 감별이 새로이 되고 있다.1)
Received: July 26, 2014, Accepted: July 26, 2014
*Corresponding Author: Jeongsook Yoon
Tel: 031-712-8400, Fax: 031-719-3744 E-mail: [email protected]
Korean Journal of Family Practice
Copyright © 2014 by Th e Korean Academy of Family Medicine
분류법
과거에는 혈청학적 방법, 제한효소법, polymerase chain reaction이 분류에 사용되었으나 근래는 emm 유전자형, pulsed- field gel electrophoresis (PFGE), multilocus sequence analysis가 주 로 사용된다.3) GAS 분류를 위해서 T형, M형 혈청형 검사가 이 용되어 왔다. 그러나 T형은 교차반응이나 응집반응이 약한 경우 판정하기 어려운 단점이 있고, M형은 항 M항체가 숫자 가 많고 상품화되어 있지 않으며, 단백질을 보관하고 유지하 는 데 어려움이 있으므로 2000년대 M형별 검사에서 M단백을 암호화하는 emm 유전자검사로 바뀌었다.4-7) 230개의 emm형 이 발표되어 있다.8) 국내 보고에 의하면 90년대 인제는 M78, 논산, 서울, 진주는 M12였으나 시기에 따라 변하는 패턴을 보 였다. 2006년 건강한 학동기 아동 147명을 대상으로 T형별과 emm 유전자 형별을 실시한 결과 T11이 19.7%, emm78이 16.7%
로 가장 많았다. 미국에서 제일 많은 emm은 emm75, emm12, emm58이고,9) 질병을 일으키는 혈청형은 M1, 3, 6, 18. 28이라 고 한다. 캐나다 Ontario의 2002–2010년 4,635 인두염 검체를 emm 검사한 결과 기간에 따른 변화는 없었고 지역적 차이가 있어 국내 연구와 차이가 있다.10) 2004년 국내 균혈증에서 분 류를 위해 제한효소 및 PFGE를 실시하였는데 각각 다른 emm 형에 따라 각각 다른 제한효소 및 PFGE 패턴을 보였다고 하였 다.11)
항균제 내성
GAS는 penicillin이 선택약제이다. 대용약으로는 narrow spectrum cephalosporin, erythromycin 등이 있다. Penicillin에 대 해서는 내성 보고가 없으나 페니실린 과민반응에 대한 우려 등으로 macrolide계 항균제가 많이 사용되는데 점차 내성이 증 가되어 penicillin과 cephalosporin을 제외하면 다른 계열의 항 균제에는 치료효과가 없을 수 있다.12) Penicillin 대신 ampicillin, amoxicillin/sulbactam 등 penicillin계 항생제, 또는 erythromycin, azithromycin, clarithromycin 등 macrolide계 항생제가 많이 이 용되고, 이들 약제에 효과가 없는 경우 1세대 cephalosporin이 나 clindamycin이 추천된다.5,13,14) 내성 표현형에 따라 항균제 의 최소 억제 농도가 달라진다.14) Macrolide 내성유전자는 23S rRNA를 methlylation시켜 macrolide, lincosamide, streptogramin B를 부착하지 못하게 하는 ermB, ermA 유전자와 배출 펌프 인 mefA 유전자가 있다.15) ermB는 MLSB에 구성형(cMLSB)을 나타내며, erythromycin과 clindamycin에 모두 고도내성이고, ermA는 erythromycin에 의해 clindamycin의 내성이 유도되는
유도형 내성(iMLSB)이다.15) Clindamycin을 사용하기 위해서 는 유도성 내성 여부를 확인하는 것이 중요한데, 액체 배지 희 석법에서는 감수성을 보이더라도 이중 디스크 확산법에서 erythromycin에 의해 유도 내성을 보이는 경우 생체 내에서는 세균억제효과가 없다. mefA 유전자는 erythromycin의 minimal inhibitory concentration가 낮고, clindamycin은 감수성인 M형 이 나타난다. M형은 14원환과 15원환 macrolide에는 내성이 고 16원환 및 lincosamide, streptogramin B 항균제에는 감수성이 다. 구성형인 경우는 chloramphenicol과 ofloxacin에 모두 내성 이었다는 보고도 있어 다른 항균제에도 내성을 나타내는 경 우가 많다.1) 1998–2003년 서울과16) 마산에서8) erythromycin 내 성률은 28.5%, 20.5%를 나타냈다. 진주지역의 연구에서 2002 년 macrolide 내성률이 51%에 달하다가 2년 후 9.8% 이하로 떨 어졌다고 하였다. 그러나 구성형이 대부분으로서 고도내성 균이 대부분임으로, 내성 균주에 대해서는 macrolide 계통 항 균제로는 치료에 실패할 가능성이 높다는 것을 나타냈다.14,17) 진주지역에서 내성률 감소의 원인이 항균제 사용량 감소와 는 상관없었으며, 면역의 획득에 의한 것인지, 감수성 균의 확산에 의한 것인지, emm형의 변화에 의한 것인지로 고려 되었다.14) 후속으로 2010년 내성률은 4.6.%로 감소되었는데 emm12 유전자형이 2002년 28%에서 2009년 3.4%로 감소했 기 때문으로 생각되었다.18) 따라서 emm의 변화가 항균제 내 성률의 감소를 가져왔다고 설명하였다. 그러나 항균제 남용 으로 항생제 내성률이 증가한다는 보고가 있으며,19) 미국지 역의 macrolide 내성률은 2006년 4.5%였고, 대체로 7–8%였고, 48%인 지역도 있었으며 항균제 사용 증가와 관련되었다.13,20) 항생제 사용을 감소시켜 내성률을 감소시킨 예가 있어,21) 일 본에서는 erythromycin 사용량을 줄여 내성률 감소의 효과 를 가져온 예가 있었다.22) 항균제 내성균의 역학적 연구결과 emm12가 macrolide 내성과 관련되고,8,16) emm28이 macrolide 중 erythromycin 내성과 관련된다고 하였다.8,18,23) 다른 연구에 서 erythromycin 집단 발생 내성균의 PFGE를 분석하여 emm12 가 ermB 양성이 많았다고 하였다.24) Angela 등25)은 PFGE 결과 macrolide 내성군의 유전적 유사성을 나타내(80%) 클론성임 을 나타냈다(80%). 그러나 erythromycin 내성균은 여러 균주로 구성되어 있었다는 보고도 있어 10균주 중 3균주의 cMLSB는 PFGE상 각각 다른 패턴이었고 각각 다른 emm형이었다. 5균 주의 iMLSB는 2종류의 PFGE와 emm 패턴을 나타냈고, 7균주 의 M형은 4종류의 emm 패턴을 나타내어,13) emm과 내성 간에 아무런 관련을 나타내지 않았다.
중국에서는 erythromycin 내성이 거의 100%에 가까우며 대부분이 cMLSb형으로, 여행을 통한 유입에 주의하여야 한
다.4) 미국의 경우 질병을 일으키지 않던 emm59 균주의 distinct subclone이 캐나다로부터 북동 요밍지역까지 급속히 전파, 유 입되어 hypervirulent clone으로 검출되었고, 단순형이 급속히 전파된 경험이었고, 클론성이었으며, 피부를 통해 전파되었 을 것이며, 단순한 인후염도 감시를 게을리할 수 없음을 나타 냈다.7,26,27)
GAS의 PATHOGENESIS
수십 년의 연구에서도 GAS 감염과 virulence의 기전은 확실 하지 않다. M단백이 질환의 종류와 관련된다는 보고가 있다.
M단백에 따라 경증과 침습성, 후유증 및 합병증, 질환의 종류 를 결정한다는 보고가 있다.5,28-30) M3이 necrotizing fasciitis, toxic shock syndrome과 관련되고,31) 중증 질환 중에는 M1이나 M3형 이 흔하다. M28은 주산기 패혈증과 신생아 감염, M2는 여성 비 뇨기계 감염, M4는 인후염, M12는 사구체신염과 관련된다고 한다.28) 그러나 어떤 M형은 clone성이 아니었고,28) M1 균주에 서 수평전이에 의해 생성된 virulent clone이 1980년대 급속히 증가하는 것을 관찰하였다.32) 최근은 M혈청형 내 유전자 내용 차이(heterogeneity)가 숙주-균주 간 작용에 큰 차이를 나타낼 수 있다고 하였다.32,33) 연쇄균 외독소가 더 쇽과 관련된 중증질 환과 직접적으로 관련된다고 설명한다.34) 전체 유전체 염기서 열 분석결과 emm과 M단백은 균주 간 차이가 없었고 균주 간 의 차이나 독성유전자를 표현하는 것에 별로 역할을 하지 못 한다고 하였다. emm28을 대상으로 한 연구에서 5’ 말단 300bp 영역이 거의 단일 패턴을 나타내어 emm 유전자가 균주 간 다 양성을 설명하지 못한다는 것을 확인했다. emm28 균주들에 서 검사한 결과 GAS의 유전자 내용의 차이는 prophage 유사물 질(prophage)의 삽입과 소실에 기인한다.15,35-37) Prophage 내용과 virulence 패턴은 큰 다양성을 나타낸다. 2–8개의 bacteriophage 가 존재하며 특정 삽입 위치에 존재한다. 또 recombination에 의해 다양성을 야기하게 된다. 이제까지 21 삽입 위치가 알려 져 있으며 여러 phage가 동일한 삽입 위치를 대상으로 하는 경 우가 대부분이다.28) 즉 virulence와 더불어 항균제 내성을 결정 하는 것은 유전자 내용(gene content)이라는 것이다. emm28 균 주들에서 prophage의 패턴은 총 46종류를 나타냈으며,3,15,35-37)
Prophage와 특정 질병 종류들이 발표되고 있다.38)
12개의 서로 다른 혈청형 균주들을 대상으로 완전 유전 체 염기서열 분석결과 더 많은 지식을 얻을 수 있었는데 유 전체의 크기는 1.9 Mb, G+C content는 38.5%, 유전자 외물질 (exogenous genetic element, prophage)은 10%였다. 대부분의 유 전체 85%는 유전자 내용이 보존되어 있었고 다른 유전체들과
유사하였고 균주 간 98%의 동일성을 나타냈다. 이들 중 3 혈청 형은 serum opacity factor 유전자 양성으로 신질환성이었고 나 머지 혈청형은 음성으로 류마토이드 질환성이어서 전체 GAS 질환은 피부/신질환성, 인두/류마토이드성 2개의 계열로 나 뉨을 암시했다.28) 이처럼 bacteriophage는 toxin, mitogen, enzyme 등을 암호화한다. 침습성 22균주, 비침습성 16균주를 대상으 로 실험한 결과 phage는 모든 균주가 포함하고 있었다.39) 이들 은 발열독소를 생성하고 세포 외 독성인자를 생성하고(SpeA, SpeC, SpeH, SpeI, SpeK, SpeL, SpeM, ssa), DNase를 생성하고 (Spd1, Spd3, Spd4, sdn, sda), phospholipase A2 (slaA), macrolide 내 성 유전자(mefA) 등을 생성한다.
INTEGRA TED CONJUGATIVE ELEMENT
균주 간의 차이를 나타내는 것은 전술한 대로 5kb-63kb의 유전자 내용이 다른 영역이며, prophage와 더불어 integrated conjugative element (ICEs)를 포함한다. ICE는 운동성이고 수평 유전자 전이를 하여 획득 가능성이 있다. ICE는 다수의 항균 제 내성 유전자, 즉 mef (A), erm (A), erm (B)의 erythromycin 내 성 유전자와 tet (O)의 tetracycline 내성 유전자, 유전자 수평전 이의 도구, 세포 외 단백들로 구성된 chimeric 구조이다.28,32,40-44)
ICE는 접합 transposon과 plasmid의 성격을 가지고 있었고, 총 12균주 중 55개의 prophage와 12개의 ICE 종류가 존재하였다.28) 다른 실험결과 ICE의 수평 유전자 전이로 인해 큰 외부 DNA 를 포함하고 있었는데 이것은 접합전이에 의한 유전자 획득을 의미하고, 따라서 재조합 mosaic에 의해 종간 allele의 다양성은 매우 광범위하게 됨을 시사하였다.32) 이렇게 질병은 유전자 차 이에 의해 이루어지고 prophage와 병적 islands들을 제시한다.
NUCLEOTIDE
최근에는 GAS에서 nucleotide 수준에서 질병과 유전자형 의 관련이 조명되고 있다.45) 그리고 이를 통한 vaccine의 개발 이 진행되고 있다.46,47) 이 설명은 균이 질병을 전파하기 위해 부착, 집락화, 면역반응, 조직 방어막 붕괴, 숙주 간 전파가 필 수적인데 이들 과정의 많은 요소들 중 nucleotide 수준에서 영 향을 미친다는 것이다.12,48) Nucleotide 수준에서 영향을 미치 는 몇 가지 예들을 살펴보면, 먼저 세균이 부착하면 protease, DNase, pyrogenic toxin이 전신반응을 야기시키고, 다음으로 면역반응을 불활성화시키게 되는데 ScpA는 complement C5a 를, SpeB는 C3b를 분해하거나 불활성화시킨다.3) 쥐의 예에서 는 mtsR 유전자의 불활성화는 PrsA를 과표현하고 SpeB를 감
소시켜 괴사성 근막염을 감소시키고 wild type이 질병을 일 으킨다고 한다.45) 다음의 예는 hyaluronic acid 인데 100년 전 부터 Bordet49)에 의해 hyaluronic capsule이 발견된 후 계속 주 요 관심사였으나 401 M4 혈청형, 76 M22 균주를 대상으로 했 을 때 hyaluronic acid를 암호화하는 hasABC 유전자를 생성하 지 않음을 확인하였다. 균주가 human blood에서는 잘 성장하 는 것을 관찰했을 때 M4와 M22에는 hyaluronic acid가 없어도 다른 virulence 기전이 있는 것으로 설명되었다.50) 또 다른 예 는 SpyCEP는 IL-8, chemokine, chemotactic factor를 분해한다.
DNase는 균을 dissemination시키고 neutrophil extracellular trap으 로부터 도피시킨다. SpeL, K, M, C, I, A, H, G, J, SmeZ, ssa는 전신 독성반응을 일으킨다.
그러므로 분자생물학적 mechanism에 관한 연구들이 많으 며, multiple gene virulence axis로 설명하는 경우가 있는데,45,51,52) regulatory axis를 찾는 연구들과 이 axis들에서 돌연변이나 결 여가 질병을 증가시키거나 감소시켜 영향을 미친다는 가설 들이 있다. M3 GAS를 전체 유전체 염기서열 분석결과 regular protease B (RpoB)가 매우 다형성이었고 1,178균주를 염기 서열 분석결과 돌연변이 RpoB가 조절대상(regulatory target) SpeB의 활동성을 감소시켜 인두염을 더 잘 일으키는 것으 로 확인되었다. RpoB는 매우 다형성으로 RpoB가 질환 종류 와 virulence를 결정할 것이라고 주장했다.51,52) 또한 M3균주는 fasC와 rivR regulatory axis가 있는 것이 발견되었으며 이 체계 는 thrombolytic agent streptokinase, the protease-inhibitor-binding protein, G-related α2-macroglobulin-binding (GRAB) protein, hyaluronic acid capsule에 영향을 미친다. 이 regulatory axis의 deletion이나 inactivation으로 인한 붕괴가 streptokinase의 감소 와 GRAB의 증가를 나타내어 virulence에 관여한다.53)
결론
국내에서 macrolide 내성은 심각하지 않으나 중국에서는 erythromycin 내성이 거의 100%이며 대부분이 구성형으로서 여행을 통한 유입에 주의하여야 한다. 병인론으로서 여태까 지는 M 단백과 emm이 질환의 종류를 결정한다고 생각되어 왔으나 근래의 많은 연구들에 의하면 prophage의 삽입과 소실 이나 ICE에 의해 질환의 종류가 결정된다고 생각된다.
요약
Streptococcus pyogenes (GAS)는 학동기 세균성 인두염의 가장 흔한 원인균이고, 치명적 감염으로서 괴사성 근막염, 독성 쇼
크증후군 등이 있다. GAS 분류를 위해 T형이나 M형 혈청형 검사가 이용되어 왔으나 최근에는 emm 유전자형으로 바뀌었 다. 국내의 emm형은 emm78이 16.7%로 가장 많았다. 항균제 내 성은 erythromycin 내성이 11.6%였다. 이번 review에서는 GAS 병인론 및 항균제 내성의 최신 지견을 살펴보고자 하였다. 수 십 년의 연구에서도 GAS 감염과 virulence의 기전은 확실하지 않다. M단백이 질환의 종류와 관련된다는 보고가 있으나, 전 체 유전체 염기서열 분석결과 emm과 M단백은 균주 간 차이 가 없었고 M혈청형 내 전체 유전체의 10% 정도의 유전자 내용 차이(heterogeneity)가 virulence에 관여한다고 한다. 즉 특정 삽 입 위치에 prophage의 삽입과 소실이 virulence를 결정한다. 또 recombination에 의해 다양성을 야기하게 된다. Prophage와 더 불어 integrated conjugative element (ICEs)를 포함한다. ICE는 운 동성이고 수평 유전자 전이로 획득 가능성이 있는 것이다. ICE 는 다수의 항균제 내성 유전자, erythromycin 내성 유전자와 tetracycline 내성 유전자, 유전자 수평전이 체계, 세포 외 단백 들로 구성된 chimeric 구조이다. 이제까지 발견된 것은 55개의 prophage와 12개의 ICE, 21개의 삽입 위치이다. 또한 근래에는 GAS에서 nucleotide 수준에서 질병과 유전자형의 관련이 조명 되고 regulatory axis를 찾는 연구들과 이 axis들에서 돌연변이나 결여가 질병을 증가시키거나 감소시켜 영향을 미친다는 설명 들이 있다.
중심단어: 화농성 연쇄알균; Prophage; Integrated Conjugative Element
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