Maternal transmission and limited virulent phage replication shape early infant gut virome maturation

인간의 장 내부에서는 미세한 생명체들의 번성하는 생태계가 끊임없이 형성되며, 특히 아기의 생후 첫 몇 달 동안 그러합니다. 마이크로바이옴이라고 알려진 이 공동체는 주로 박테리아로 구성되어 있지만, 그 안에는 박테리아를 구체적으로 겨냥하는 거대하고 보이지 않는 바이러스 층도 포함되어 있습니다. 박테리오파지 또는 단순히 파지라고 불리는 이 바이러스들은 특정 박테리아 숙주를 사냥하는 포식자 역할을 하거나, 나중에 깨어나기 위해 박테리아 안에 숨어 있을 수 있습니다. 과학자들은 오랫동안 신생아에게서 나타나는 이러한 바이러스의 행동 방식이 성인과는 다르다고 믿어 왔으며, 이 초기 바이러스 활동을 이해하는 것이 건강한 장이 어떻게 발달하는지를 아는 핵심이라고 생각했습니다. 수년 동안 지배적이었던 생각은 영아의 장이 박테리아 안에 숨어 있다가 자주 깨어나는 특정 유형의 바이러스에 의해 지배된다는 것이었으며, 더 공격적인 사냥꾼 바이러스는 드물다는 것이었습니다. 그러나 이 관점은 다양한 바이러스의 비율을 보는 대신, 실제로 얼마나 많은 바이러스가 존재하는지를 세는 것보다는 부족한 측면에 의존했습니다.

핀란드와 아일랜드의 연구팀은 실제 숫자를 훨씬 더 자세히 살펴봄으로써 이 오랜 관점에 도전했습니다. 그들은 32쌍의 어머니와 아기를 연구하였으며, 출산 시점의 어머니 대변 샘들과 생후 6개월 동안 정기적으로 채취한 아기들의 대변 샘플을 수집했습니다. 바이러스를 정확하게 세기 위해, 그들은 분석하기 전에 각 샘플에 알려진 양의 무해한 바이러스를 추가하는 영리한 방법을 사용했습니다. 이를 통해 그들은 단순히 비율을 바탕으로 추측하는 것이 아니라, 장 내의 절대적인 바이러스 입자 수를 측정할 수 있었습니다. 그들의 연구 결과는 영아의 장이 이전에 생각했던 것처럼 숨어 있는 바이러스들로 가득 차 있지 않다는 것을 보여주었습니다. 대신, 장은 공격적인 사냥꾼 바이러스가 매우 비어 있는 상태입니다. 숨어 있는 바이러스들은 성인에게서 발견되는 것과 유사한 수로 존재하지만, 신생아에게서 사냥꾼 바이러스가 매우 희귀하기 때문에 숨어 있는 바이러스들이 단순히 기본적으로 지배적인 것처럼 보이는 것입니다. 아기가 성장함에 따라 사냥꾼 바이러스의 수는 서서ها 증가하며, 특히 아기가 어머니로부터 물려받은 Bacteroidaceae라고 불리는 특정 박테리아 그룹을 표적으로 하는 바이러스들이 증가합니다.

연구는 대변 샘플로부터 방대한 양의 유전 데이터를 수집하는 것으로 시작되었습니다. 연구진은 아주 작은 바이러스 입자들을 나머지 물질로부터 분리하고 그들의 유전 코드를 시퀀싱하여 어떤 바이러스들이 존재하는지 식별했습니다. 그들은 어머니와 아기의 바이러스 공동체가 상당히 다르며, 아기들은 전체적으로 훨씬 적은 종류의 바이러스를 가지고 있다는 것을 발견했습니다. 바이러스 입자의 총수를 살펴보았을 때, 연구진은 어머니들이 신생아보다 훨씬 높은 농도를 가지고 있음을 발견했습니다. 아기들은 매우 낮은 수치에서 시작했으며, 이 수치는 6개월 동안 꾸준히 증가했지만, 연구가 끝날 때까지 성인의 수준에는 도달하지 못했습니다. 이는 영아의 장이 여전히 바이러스 인구의 초기 형성 단계에 있음을 확인시켜 주었습니다.

가장 놀라운 발견은 연구진이 바이러스를 두 가지 주요 그룹, 즉 박테리아를 즉시 사냥하고 죽이는 바이러스와 박테리아를 즉시 죽이지 않고 그 안에 숨어 있는 바이러스로 나누었을 때 나타났습니다. 상대적인 비율만을 살펴보았던 이전 연구들은 영아기에 숨어 있는 바이러스의 수가 폭발적으로 증가한다고 제안했습니다. 하지만 연구진이 실제 입자 수를 세었을 때, 아기들에게서 숨어 있는 바이러스의 수는 실제로 꽤 안정적이며 어머니에게서 발견되는 수와 유사하다는 것을 발견했습니다. 진짜 이야기는 사냥꾼 바이러스의 부재였습니다. 신생아의 장에서 이러한 공격적인 바이러스들은 믿기 힘들 정도로 희귀했습니다. 숨어 있는 바이러스들이 매우 지배적으로 보였던 것은 바로 이 강력한 사냥꾼 바이러스의 결핍 때문이었지, 숨어 있는 바이러스의 폭발적 증가 때문이 아니었습니다. 아기가 나이가 들면서 사냥꾼 바이러스의 수도 증가하기 시작했지만, 6개월 시점에서도 여전히 성인 수준보다는 훨씬 낮았습니다.

연구진은 또한 이 바이러스들이 어디에서 왔는지 조사했습니다. 그들은 아기들에게 나타난 사냥꾼 바이러가 종종 어머니에게서 발견된 것과 동일하다는 것을 발견했습니다. 이는 어머니가 출산이나 밀접한 접촉을 통해 이러한 특정 바이러스를 자녀에게 직접 전달한다는 것을 시사합니다. 어머니와 아기 사이에서 공유된 바이러스들은 대부분 Bacteroidaceae 박테리아를 표적으로 하는 사냥꾼 종류였습니다. 아기가 공유된 이러한 바이러스를 더 많이 가질수록, 장 내의 총 사냥꾼 바이러스 수도 더 많았습니다. 이는 아기가 어머니로부터 바이러스 '스타터 키트'를 물려받고, 그 후 아기의 장 환경이 그들에게 더 적합해짐에 따라 이들이 천천히 증식한다는 과정을 시사합니다. 반면, 숨어 있는 바이러스들은 직접적으로 공유될 가능성이 낮았는데, 이는 이들이 다른 출처에서 오거나 다른 방식으로 자리 잡을 수 있음을 시사합니다.

바이러스의 수를 세는 것을 넘어, 연구팀은 바이러스 집단이 장에서 생성되는 화학 물질들과 어떻게 상호작용하는지 살펴보았습니다. 그들은 사냥꾼 바이러스와 신체의 음식 소화를 돕는 일차 담즙산(primary bile acids)이라는 특정 지방 사이의 명확한 연결 고리를 발견했습니다. 사냥꾼 바이러스의 수가 낮을 때 담즙산의 수치는 높았습니다. 이 연결은 바이러스가 직접적으로 화학 물질을 변화시켜서 발생한 것이 아닌 것으로 보였습니다. 대신, 바이러스가 담즙산을 분해하는 박테리아를 추적하고 있는 것처럼 보였습니다. 담즙산을 소화하는 박테리아가 활성화될 때, 그들을 표적으로 하는 사냥꾼 바이러스도 함께 증가했습니다. 이는 바이러스가 화학적 변화를 직접 주도하는 것이 아니라, 자신들의 박테리아 숙감의 상승과 하락을 단순히 따르고 있음을 시사합니다.

연구팀은 또한 바이러스가 장 공동체의 전반적인 기능에 어떻게 영향을 미칠 수 있는지 조사했습니다. 그들은 사냥꾼 바이러스의 수가 매우 적은 아기들의 경우, 장 박테리아가 방어와 유전자 이동을 위한 더 많은 유전적 도구를 보유하고 있다는 점을 주목했습니다. 이는 사냥꾼 바이러스가 희귀할 때 박테리아가 방어력을 구축하거나 유전 물질을 교환할 수 있는 더 많은 시간을 가질 수 있음을 의미할 수 있습니다. 그러나 연구진은 사냥꾼 바이러스의 수와 박테리아가 보유한 총 방어 체계 사이에 직접적인 연관성은 발견하지 못했습니다. 이 결과는 초기 장이 서로 다른 바이러스 전략이 독특한 방식으로 펼쳐지는 곳임을 시사하며, 공격적인 사냥꾼들은 자리를 잡기 위해 고군분투하는 반면 숨어 있는 바이러스들은 꾸준한 존재감을 유지한다는 것을 보여줍니다.

이러한 발견은 장 바이로옴(virome)이 어떻게 성숙해지는지에 대한 새로운 그림을 제시합니다. 초기 영아의 장은 혼란스러운 바이러스의 폭발이 일어나는 곳이 아니라, 가장 공격적인 포식자들이 빠져 있는 조용한 환경입니다. 숨어 있는 바이러스의 지배력은 사냥꾼들의 희소함에 의해 만들어진 환상입니다. 아기가 성장하고 고형식을 먹기 시작하면서 환경이 변하고, 이는 어머니로부터 물려받은 특히 사냥꾼 바이러스들이 서서히 자리를 잡을 수 있게 합니다. 이 연구는 장의 진정한 역학을 이해하기 위해 단순히 비율을 보는 것이 아니라 실제 바이러스의 숫자를 살펴보는 것이 얼마나 중요한지를 강조합니다. 이는 우리가 어머니로부터 물려받는 바이러스가 이전의 생각보다 우리의 초기 장 건강을 형성하는 데 더 큰 역할을 하며, 아이가 발달함에 따라 서서히 쌓여가는 기초적인 층으로서 작용한다는 것을 시사합니다.