Accessory-genome diversity and contrasting genotype–phenotype relationships in ten porcine Streptococcus suis isolates representing five serotypes
본 연구는 10종의 *Streptococcus suis* 분리주에 대한 비교 유전체학 및 실험적 표현형 분석을 통합하여, 특정 내성 유전자는 항생제 감수성을 강력하게 예측하는 반면 고전적인 병원성 표지자는 병원성을 정확하게 순위화하는 데 실패한다는 점을 밝힘으로써, 유전체 데이터와 표현형 분석을 결합하고 병원성 평가를 혈청형 2형 너머로 확장할 필요가 있음을 강조한다.
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박테리아의 세계에서 이름은 오해를 불러일으킬 수 있습니다. 수십 년 동안 과학자들은 돼지의 흔한 병원체이자 인간도 감염될 수 있는 Streptococcus suis(연쇄상구균 수이스)를 각 세포를 둘러싸고 있는 당 성분의 겉면, 즉 캡슐에 따라 분류해 왔습니다. 이 외피는 유니폼과 같은 역할을 하며, 서로 다른 유형을 세로타입(serotype)이라고 부릅니다. 가장 유명한 것은 세로타입 2로, 오랫동안 심각한 질병 발생의 주요 용의자로 취급되어 왔습니다. 하지만 사람의 옷차림이 그 사람의 인격을 정의하지 않듯, 박테리아의 외피가 그 행동의 전말을 말해주지는 않습니다. 박테리아 변종의 진정한 정체는 그 내부의 완전한 유전적 지침인 게놈(genome)에 있습니다. 외피는 같을지라도, 내부의 유전적 도구 상자는 항생제 저항성이나 질병을 일으키는 서로 다른 유전자를 보유하는 등 매우 다양할 수 있습니다. 이러한 숨겨진 유전적 차이를 이해하는 것은 매우 중요한데, 외피 유형에만 의존하면 특정 변종이 얼마나 위험한지 또는 어떻게 치료해야 하는지에 대해 잘못된 가정을 내릴 수 있기 때문입니다.
한 연구팀은 중국 전역의 돼지로부터 수집한 10개의 특정 Streptococcus suis 변종을 조사하여 이러한 가정들을 테스트하기로 했습니다. 이 10개 변종은 잘 알려진 세로타입 2와 연구가 덜 된 여러 다른 유형을 포함하여 총 다섯 가지의 서로 다른 외피 유형을 나타냈습니다. 과학자들은 단순히 외피를 보는 대신, 각 변종의 전체 유전적 청사진을 작성하고 이를 수백 개의 다른 박테리아 게놈이 담긴 방대한 데이터베이스와 비교했습니다. 그 후 연구진은 이 박테리아들을 일련의 실제 환경 테스트에 투입했습니다. 그들은 박테리아를 다양한 항생제에 노출시켜 성장을 멈추기 위해 얼마나 많은 양의 약물이 필요한지 확인했습니다. 또한 마우스(생쥐)에게 박테리아를 감염시켜 각 변종의 치사율을 측정했으며, 박테리아를 돼지와 마우스의 혈액과 혼합하여 박테리아가 살아있는 숙주 내에서 얼마나 잘 생존할 수 있는지 관찰했습니다. 목표는 과학자들이 보통 의존하는 유전적 표지가 실험실에서 박테리아가 실제로 어떻게 행동할지를 예측할 수 있는지 확인하는 것이었습니다.
결과는 박테리아가 서류상으로 보이는 모습과 실제 행동 사이의 극적인 괴리를 드러냈습니다. 항생제 저항성에 있어서 유전적 지도는 매우 신뢰할 수 있는 가이드였습니다. 연구진은 만약 어떤 변종이 *erm(B)*라고 알려진 특정 유전자를 보유하고 있다면, 린코마이신(lincomycin)이라는 흔한 항생제에 매우 강한 저항성을 보인다는 것을 발견했습니다. 실제로 이 유전자의 존재는 완전한 분기점을 만들었는데, 이 유전자를 가진 모든 변종은 성장을 멈추기 위해 32마이크로그램 이상의 약물이 필요했던 반면, 이 유전자가 없는 모든 변종은 그 아주 적은 양에 의해서도 성장이 멈췄습니다. 이 패턴은 다른 항생제에 대해서도 동일하게 나타났으며, 특정 유전자들이 높은 저항성 수준을 일관되게 예측했습니다. 그러나 과학자들이 박테리아가 얼마나 치명적인지를 살펴보았을 때 이야기는 완전히 달라졌습니다. 수년 동안 mrt, epf, sly라고 불리는 특정 세 가지 유전 세트가 어떤 변종이 가장 위험한지를 예측하는 체크리스트로 사용되어 왔습니다. 연구진은 이 체크리스트의 가장 완전한 버전을 가진 세 가지 변종이 실제로 치명적이긴 했지만, 가장 치사율이 높은 것은 아니라는 점을 발견했습니다. 마우스를 가장 빠르게 죽게 만든, 즉 사망을 초래하는 데 가장 적은 수의 박테리아를 필요로 했던 변종은 오히려 이 핵심 유전자 중 하나를 완전히 결여하고 있었습니다. 이 변종은 세로타입 4에 속했으며, "위험" 유전자 세트를 온전히 갖춘 전형적인 세로타입 2 변종들보다 훨씬 더 치명적이었습니다.
또한 연구는 박테리아의 혈액 내 생존 능력이 그 혈액이 어디에서 왔느냐에 따라 크게 달라진다는 것을 보여주었습니다. 연구진이 박테리아를 돼지 혈액과 마우스 혈액에 각각 혼합했을 때, 생존율은 예측 불가능한 방식으로 변화했습니다. 어떤 변종은 돼지 혈액에서 더 잘 번식했고, 다른 변종은 마우스 혈액에서 더 잘 번식했는데, 이러한 차이는 각 개별 변종마다 고유했습니다. 이는 박테리아의 성공이 단지 자신의 유전적 구성뿐만 아니라, 그 유전적 구성이 감염시키고 있는 특정 숙주의 면역 방어 체계와 어떻게 상호작용하느냐에 달려 있음을 시사합니다. 연구진은 유전적 검사가 항생제 저항성을 예측하는 데는 탁월하지만, 기존의 독성 유전자 체크리스트는 변종의 치사율 순위를 매기는 데 불충분하다고 결론지었습니다. 가장 위험한 박테리아는 항상 가장 유명한 유전적 표지를 가진 것들이 아니며, 가장 흔한 외피 유형인 세로타입 2에만 집중하는 것은 그만큼 혹은 그 이상으로 위험할 수 있는 다른 변종들이 초래하는 위협을 놓치는 일이 됩니다. 유전적 분석과 박테리아가 실제로 어떻게 행동하는지에 대한 직접적인 테스트를 결합함으로써, 과학자들은 이 병원균들이 초래하는 위험에 대해 훨씬 더 명확한 그림을 얻을 수 있습니다.
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