퀘럼 센싱

박테리아_쿼럼센싱_시스템의_합성생물학적_응용_02_권오석.pdf

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Quorum Sensing 

 

박테리아는 다양한 형태 커뮤니티의 구성원으로서 끊임없이 변화하는 외부 환경에 효율적으로 적응하기 위하여 신호전달물질, 센서, 신호전달 메커니즘을 포함하는 신호전달 시스템을 활용한다. 특히 AHL 이나 AIP 와 같은 신호전달 물질을 매개로 하는 쿼럼센싱 기반의 유전자 발현 조절기구는 다양한 형태의 커뮤니티를 형성하는 박테리아의 생존에 있어서 필수적인 세포간 신호전달 체계로 인식되고 있다. 따라서 여기서 언급한 대표적인 시스템들에 대한 연구 외에도 새로운 쿼럼센싱 신호전달계를 발굴하고 분석하기 위한 연구도 계속해서 활발히 진행되고 있다. 또한 최근에는 쿼럼센싱 시스템 정보를 활용하기 위한 연구도 부상하기 시작하였는데 신호전달 물질과 유사한 구조를 갖는 물질을 개발하기 위한 생명공학 연구가 그 예이다. 특히 이런 물질은 쿼럼센싱을 통해 병원성을 조절하는 세균을 제어하기 위한 새로운 항생제로 개발될 수 있는 가능성 때문에 주목 받고 있다. 아울러 세균의 쿼럼센싱 시스템 연구는 세포 내 혹은 세포간 신호전달, 혹은 동일 종 내 혹은 이종간 신호전달에 대한 정보와 나아가 다세포 생명체의 진화에 관한 정보를 제공할 수 있다는 점을 고려할 때 박테리아의 쿼럼센싱 시스템에 관한 정보와 모듈 소재는 합성생물학적으로 설계하고 제작하는 지능형 시스템의 효율적 운용을 위한 자가 조절 및 네트워크 조절 기구로 유용하게 활용될 수 있을 것이다.

 

 

 

 

그람 음성 세균의 쿼럼센싱 신호-반응 체계

 

1. 서론
쿼럼센싱은 미생물 주변에 미생물 종과 세포 밀도의 변화에 반응하여, 집단으로 세균의 행동 양식을 변화시키는 일종의 세포 간 의사소통 체계이다. 쿼럼센싱은 세포 외 신호전달 물질인 자가유도물질(autoinducer)을 생성, 분비, 그리고 집단 수준으로 감지하는 과정을 포함한다. 미생물이 증식함에 따라 그들이 분비하는 자가유도물질의 농도 또한 증가한다. 세균은 이러한 자가유도물질의 농도 변화를 감지함으로써 주변 세포 수가 얼마인지, 어떠한 유전자 패턴을 집단적으로 발현할지 결정한다. 쿼럼센싱에 의해 조절되는 행동 양식으로는 발광, 독성물질 분비, 바이오필름 형성, 공공재(公共財)의 생성 등이 포함된다. 이러한 행동들이 한 세균에 의해서 시행한다면 매우 비생산적이고 비효율적이지만, 집단적으로 시행하면 매우 효율적이다.
그람 양성균과 그람 음성균 모두 쿼럼센싱을 사용한다. 일반적으로 그람 양성균은 펩타이드로 이루어진 자가유도물질을 사용하고, 세포막에 위치한 kinase 수용체와 세포질 전사인자로 이루어진 two-component systems으로 구성된다. 그람 양성균의 쿼럼센싱의 생물학적 역할은 다른 리뷰논문 통해 자세히 소개되어 있다. 이 리뷰 논문은 그람 음성균의 쿼럼센싱에 주목하고, 신호 전달 분자, 조절인자, 쿼럼센싱의 불균일한 반응 등을 소개하겠다. 현재까지 알려진 그람 음성균의 쿼럼센싱은 공통된 4가지 특징이 있다. 첫째, 자가유도물질은 acyl-homoserine lactones (AHLs)이거나, S-adenosylmethionine (SAM)로부터 만들어진 분자들이다. 그리고, 세균의 세포막을 자유롭게 통과할 수 있다. 둘째로, 자가유도물질은 세포질이나 내막에 존재하는 특이적인 수용체에 부착된다. 셋째로, 쿼럼센싱은 다양한 생물학적 기능을 하는 수십 개에서 수백 개의 유전자의 발현을 변화시킨다. 넷째로, 자가유도(autoinduction)의 일환으로, 쿼럼센싱을 활성화하면, 자가유도물질의 생성을 증가시킨다. 이것은 그 집단에서 유전자 발현을 동시적으로 촉진하며, 피드백 루프를 형성한다.
그람 음성균은 여러 종류의 자가유도물질을 사용한다. 그리고 최근 연구는 쿼럼센싱 수용체가 구조가 비슷하고 관련 있는 분자들을 분자 수준으로 구별해내는 대단한 특이성을 갖는다고 보고했다. 일반적으로 쿼럼센싱의 정보는 피드백 루프의 역할을 하거나, 특정 표적 유전자 발현을 조절하는 sRNA에 의해 통합된다. 쿼럼센싱에 관한 중요한 질문들은 다음과 같다: 어떻게 세균들은 다른 종류의 자가유도물질보다 특정한 자가유도물질을 우선적으로 처리할까? 어떻게 쿼럼센싱의 유전자 네트워크는 최상의 성과가 나오도록 디자인되었을까? 그리고, 변화되는 자극에 반응하여 쿼럼센싱의 input-output 관계를 조정할 필요조건은 무엇일까?
쿼럼센싱은 값비싼 공공재 생산을 조절하는 집단 행동을 주관한다. 그러한 공공재 생산을 집단 행동으로 조절하면, 그것을 생산하지 않은 구성원으로부터 공공재의 착취를 피해야 한다. 그런데도, 최근 발표된 논문에 의하면, 쿼럼센싱에 의해 제어되는 유전자 경로에 기인하는 표현형적 이질성은 박테리아 개체군의 구성 구성원들 사이에서 분할 산란 전략(bet-hedging) 및 분업을 가능케 해준다. 어떻게 개별적인 이질성이 동시적으로 집단 수준에서 실행될 수 있는지에 대한 연구가 집중적으로 진행되고 있다. 또한, 장내 세균의 예와 같이, 쿼럼센싱의 이질성은 주변에 있는 세포 모두에게 매우 중요할 수 있다. 미생물이 만들어 내는 자가유도물질과 진핵세포가 만들어 내는 다른 화학물질들이 일방적, 상호적, 또는 여러 방향의 커뮤니케이션의 도구로 쓰일 수 있기 때문이다. 여러 생물체가 분비하여 이루어진 화학 분자 혼합물들에 포함된 정보의 올바른 해석은 개별 세포의 생존에 중요하며, 다른 박테리아, 곰팡이 또는 바이러스 침입자로부터 숙주와 장내 미생물을 보호하는데 매우 중요할 수 있다. 실제로, 진핵세포 숙주에서 박테리아가 만들어내는 자가유도물질은 프로바이오틱 기능을 제공하고, 장내 미생물의 구성을 변화시키고, 병원균의 독성작용에 필요한 유전자 발현을 조절하고, 병원균의 바이오필름을 해체하도록 한다.
이 리뷰 논문은 그람-음성 세균의 새로운 자가유도물질, 그에 대한 수용체, 이에 대한 유전자 조절 네트워크의 원리, 그에 의해 조절되는 반응 양식에 관해 기술한다. 여기서, 새로 발견된 쿼럼센싱에 의해 매개되는 기능을 기술하고, 또 그것과 집단 행동과의 관련성, 쿼럼센싱의 표현학적 이질성, 숙주와 미생물의 관계를 강조할 것이다.

2. 자가유도물질, 수용체, 그리고 특이성
다른 종들이 섞여 있는 개체군에 사는 박테리아는 본인, 자신과 같은 클론들, 유전학적으로 가까운 종, 그리고 치열한 경쟁자가 될 수 있는 다른 종의 이웃 박테리아에 의해 생산되는 자가유도물질의 복잡한 혼합물을 접하게 된다. 따라서, 박테리아는 본인과 관련된 분자와 무관한 분자가 모두 섞여있는 혼합물로부터 정보를 추출해야 하는 문제에 직면해있다. 게다가 한 박테리아가 여러 가지 종류의 자가유도물질을 생산하고 검출하기에 문제가 더욱 복잡해진다. 박테리아가 자신과 주변의 다른 종에 의해 생성된 분자의 혼합물을 정확하게 어떻게 해석하는지, 그리고 이러한 혼합물에 대한 반응으로 유전자 발현의 적절하고 조정된 변화를 어떻게 유도하는 지가 중요하다.

2.1 자가유도물질
그람 음성 세균에서 AHL (acyl-homoserine lactones)은 자가유도물질 중에서 가장 흔한 유형이다. 이것은 구조 중간에 N-acylated homoserine-lactone의 링 구조와 구조상의 일부 변화가 포함된 4-18 탄소의 아실사슬(acyl chain)으로 이루어져 있다(그림 1A). 수백 가지의 박테리아 종은 이러한 AHL들을 생산하는 LuxI형 합성효소를 포함하고 있다. 아실 사슬의 길이는 분자구조의 안정도에 영향을 주어서 자가유도물질에 의한 신호 동력학에 영향을 미친다. LuxI 효소는 SAM (S-adenosylmethionine)으로부터 lactone 부분 합성을 유도함으로써 AHL을 생산하고, 예외도 간혹 있지만, 대부분의 경우에 특정 길이의 아실 사슬은 지방산 생합성의 중간체로부터 얻어진다.
식물과 관련된 박테리아인 Ralstonia solanacearum과 Xanthomonas campestris은 비전형적인 자가유도물질을 만들어낸다. 균주에 따라 R. solanacearum의 PhcB 단백질은 3-hydroxypalmitic-acid-methylester (3-OH PAME) 또는 (R)-methyl-3-hydroxymyristate ((R)-3-OH MAME; 그림 1B) 중의 하나를 합성한다. 이 자가유도물질은 독성인자 형성을 조절하고, 바이오필름 형성을 제어한다. 또한, X. campestris는 확산성 신호 인자(diffusible signal factor (DSF); 그림 1C)로 알려진 cis-11-methyl-2-dodecenoic acid를 사용하여 부유형과 바이오필름 사이의 전이를 조절한다.
Pseudomonas aeruginosa 및 Burkholderia cenocepacia와 같은 병원균을 포함한 일부 박테리아가 DSF와 구조적으로 동일한 계열의 자가유도물질을 생산한다는 것이 최근 발견되었다. 모든 DSF 타입 분자는 RpfF 단백질에 의해 합성된다(그림 1C). 흥미롭게도, 한 종류의 박테리아는 여러 종류의 DSF를 생성할 수 있으며, 이들 모두는 단일 RpfF 단백질에 의해 합성된다.
많은 박테리아는 여러 가지 종류의 자가유도물질을 생성하고 검출한다. 발광 해양 박테리아인 Vibrio harveyi는 여러 종류의 자가유도물질을 사용하는 것으로 밝혀진 최초의 박테리아였으며, 박테리아가 자가유도물질 혼합물을 어떻게 처리하는지를 연구하는데 쓰이는 박테리아 모델이다. V. harveyi는 같은 종 간에, 같은 속 간에, 그리고 다른 종 간의 커뮤니케이션에 쓰이는 3종류의 자가유도물질을 사용하여 대략 600개의 표적 유전자를 조절한다. V. harveyi는 LuxM 합성효소를 사용하여 전형적인 AHL인 3OH-C4-HSL (HAI-1; 그림 1A)을 생성한다. 놀랍게도 LuxM은 LuxI의 동족체(homologue)가 아니지만, SAM과 지방산 중간체를 기질로 사용하여 유사한 반응을 한다. 알려진 바에 따르면, V. harveyi와 가장 가까운 친척 종인 Vibrio parahaemolyticus만이 HAI-1을 생산하며, 이것은 HAI-1이 같은 종 간의 커뮤니케이션에 사용됨을 의미한다.
또한, V. harveyi는 자가유도물질로서 (Z)-3-aminoundec-2-en-4-one을 사용한다(그림 1D). 그와 관련된 분자인 (S)-3-hydroxytriecan-4-one은 Vibrio cholerae에서 자가유도물질로써 처음 발견되었다(그림 1D). 일반적으로 이들 분자는 콜레라 자가유도물질(CAI-1)이라고 부른다. V. cholerae에서 CAI-1 자가유도물질을 합성하는 효소인 CqsA는 SAM과 decanoyl-CoA에 작용하여 Ami-no-CAI-1을 생산하며, 그것은 즉시 자발적으로 CAI-1으로 전환된다. Amino-CAI-1과 CAI-1은 모두 생물학적으로 활성이지만, CAI-1은 무세포 배양액에서 더 많이 발견된다. Amino-CAI-1은 CAI-1보다 구조적으로 안정적이며, 이것은 CAI-1이 자가유도물질 농도 변동에 신속하게 반응할 가능성을 높인다. CqsA 효소는 모든 비브리오 종에 존재하고, 각 비브리오 종들은 다른 길이의 아실 사슬 길이 및 구조 변형을 갖는 다양한 CAI-1를 생성할 수 있다. 비브리오 종은 자신이 만들어내는 CAI-1과 다른 비브리오 종이 만들어내어 다른 정도의 친화성을 가진 CAI-1에 반응한다. 이것은 CAI-1이 비브리오 종간의 커뮤니케이션에 사용됨을 의미한다. 흥미롭게도 cqsA 유전자 동족체가 비브리오균과 관련이 적은 박테리아인 Legionella pneumophila과 Janthinobacterium sp. HH01에도 존재한다. L. pneumophila에서는 그 유전자에 의해 만들어지는 3-hydroxypentadecane-4-one (LAI-1)이 세포 외 DNA 흡수와 숙주 세포와의 상호 작용을 조절한다. 이것은 LAI-1이 숙주와 미생물간의 커뮤니케이션에 사용됨을 의미한다.
V. harveyi의 마지막 자가유도물질은 autoinducer-2 (AI-2)로, 이것은 모두 4,5-dihydroxy-2,3-pentanedione (DPD; 그림 1E)로부터 유도되고, 상호 변환이 가능한 자가유도물질 분자로 구성된다. DPD 합성 효소인 LuxS는 500종 이상의 박테리아 종에 존재하며, 따라서 현재까지 알려진 자가유도물질 중 AI-2가 가장 흔한 박테리아 자가유도물질로 밝혀졌다. DPD는 매우 큰 반응성이 있으며, 자발적으로 다양한 furanone으로 고리화(cyclization)된다. 특정 박테리아 종은 그들의 AI-2 신호로서 DPD의 다른 형태들을 검출한다. 예를 들어, V. harveyi의 AI-2는 붕소 원자를 포함하는 반면, Escherichia coli 및 Salmonella spp.의 AI-2는 붕소 없이 고리화된 DPD이다(그림 1E). 서로 다른 DPD가 빠르게 상호 변환됨에 따라 AI-2는 다른 종 사이의 커뮤니케이션을 위한 수단을 제공한다. P. aeruginosa와 같은 특정 박테리아는 LuxS 효소가 없으므로 AI-2를 만들지 않는다. 그럼에도 불구하고 P. aeruginosa는 다른 박테리아 종에 의해 생성된 AI-2를 검출할 수 있으며, P. aeruginosa의 AI-2 검출은 많은 유전자 발현을 변화시킨다.
P. aeruginosa는 두 종류의 전형적인 AHL 자가유도물질(그림 1A)과 비전형적인 AHL 자가유도물질을 사용한다. 구체적으로, tRNA-의존성 cyclodipeptide 합성효소에 의해 2,5-diketopiperazines (DKPs)이 만들어지고, 비리보솜(non-ribosomal) 펩타이드 합성효소 유전자 클러스트인 ambBCDE에 의해 발현되는 단백질에 의해 2-(2-hydroxyphenyl)-thiazole-4-carbaldehyde (IQS)이 만들어진다(그림 1F). 또한, Quinolone (2-heptyl-3-hydroxy-4-quinolone, PQS; 그림 1G)은 P. aeruginosa의 자가유도물질로써 사용된다. PQS는 pqsABCDH 유전자에 의해 encoding된 단백질에 의해 생성되며, 두 AHL과 함께 바이오필름의 형성과 독성 인자의 생성을 조절한다. Quinolone은 항생제와 항암제로 널리 알려져 있으며, 이는 특정한 자가유도물질의 다양한 기능을 보여준다.

2.2 수용체와 특이성
일반적으로 그람 음성 세균은 LuxI 합성 효소에 의해 생성된 AHL을 검출하는데 세포질 전사인자인 LuxR 수용체를 사용한다. LuxR 단백질은 N 말단에 위치한 리간드와 결합하는 도메인과 C 말단에 위치한 DNA 결합 도메인으로 두 개의 기능적인 도메인으로 구성된다. 자가유도물질이 없는 경우, 대부분의 LuxR형 수용체는 단백질 접힘(protein folding)이 되지 않고 분해된다. 대조적으로, 자가유도물질에 결합된 LuxR 단백질은 안정적이며, 이합체화(dimerization)하여 DNA에 결합한다. LuxR-autoinducer 복합체는 표적 유전자의 상류에 위치한 'lux boxes'라고 불리는 짧은 DNA 서열과 결합한다. 흥미롭게도, Pantoea stewartii의 LuxR형 단백질인 EsaR은 자가유도물질이 없는 경우 전사 억제자로서 작용하고, 자가유도물질과 결합할 경우에는 DNA를 방출하여 전사를 시작한다.
현재까지 4종류의 LuxR형 수용체의 전체 구조가 밝혀졌다: Agrobacterium tumefaciens 및 Rhizobium sp. NGR234의 TraR, P. aeruginosa의 QscR, Chromobacterium violaceum의 CviR. 또한 전체구조는 아니지만, P. aeruginosa의 LasR 및 E. coli의 SdiA의 리간드 결합 도메인의 구조도 밝혀졌다. 모든 LuxR형 수용체는 동종이량체(homodimer)를 형성한다. LuxR형 수용체의 N 말단영역은 신호 전달 과정의 잘 알려진 매개체인 GAF 및 PAS 도메인과 유사하다. C 말단영역은 박테리아 전사 인자의 특징인 DNA-binding helix–turn–helix 도메인을 갖는다. 세 개의 많이 보존된 트립토판 잔기를 포함한 N 말단의 극성 잔기들은 자가유도물질의 HSL 부분과 접촉하여 결합 방향을 결정한다. 반면에 아실 사슬 잔기와 반 데르 발스(van der Waals) 상호 작용을 제공하는 잔기는 덜 보존된다. 아실 사슬은 길이에 따라 서로 다른 방향성을 가지고 결합한다. 짧은 AHL은 사슬이 펴지고, 세포질 쪽의 바깥 방향으로 결합하는 반면 길이가 긴 AHL은 구부러져 결합 포켓(binding pocket)의 내부를 향하게 된다. LuxR 단백질은 결합 포켓에서 다양한 조합의 아미노산과 구조적 유연성을 모두 사용하여 AHL 결합 특이성을 달성한다.
LuxR 단백질의 약 76%는 소위 LuxR-solo 전사 인자에 속한다. 즉, LuxI 합성 효소가 수반되지 않는다. 이것은 LuxI가 아닌 다른 합성효소에 의해 자가유도물질이 생성되거나 다른 박테리아에 의해 합성된 자가유도물질이 이들 수용체에 결합하여 활성을 조절하는 것을 의미한다. P. aeruginosa의 QscR은 LuxR-solo 수용체의 대표적인 예이다. LuxR-solo가 아닌 LuxR 수용체인 LasR 및 RhlR과 비교하여 QscR은 리간드 결합 특이성이 약화되었다. 실제로, QscR은 C8-HSL, C10-HSL, 3-oxo-C10-HSL, C12-HSL, 3-oxo-C12-HSL 그리고 C14-HSL(그림 1A)을 나노 몰 농도에서 검출하여 표적 유전자 발현을 활성화시킨다. 따라서, P. aeruginosa의 QscR은 Burkholderia cepacia의 예처럼 같은 공간에 서식하는 다른 박테리아 종에 의해 생성되는 자가유도물질을 검출할 수 있다.
그람 음성 세균이 쿼럼센싱 수용체로 사용하는 두 번째 주요 부류는 two-component mem-brance-bound histidine kinases이다. 이것은 인산화를 통해 세포질 전사 인자에 신호를 보낸다. 가장 많이 연구된 사례는 V. harveyi와 V. cholerae이다. HAI-1, CAI-1 및 AI-2(그림 1A, D, E)는 각각 LuxN, CqsS 및 LuxQ에 의해 검출된다. LuxN은 V. harveyi에만 특이적으로 존재하는 반면 다른 두 수용체(CqsS 및 LuxQ)는 V. cholerae에도 존재한다. 또한, periplasmic 단백질인 LuxP에 의해 AI-2가 검출된다. LuxN과 CqsS는 각각 9개 및 6개의 막통과 나선(transmembrane spanning helices)을 가지고 있을 것으로 예측된다. 수용체 돌연변이유발(receptor mutagenesis) 방법과 AHL과 CAI-1 리간드를 이용하여, LuxN과 CqsS 결합 포켓의 존재를 발견하였고, 또한 자가유도물질들을 구별하는데 중요한 '게이트 키퍼' 아미노산을 존재를 발견했다. 두 수용체는 그것이 인식하는 리간드에 대해 엄격한 특이성을 나타낸다. 예를 들어, LuxN은 그것이 인식하는 자가유도물질이 아닌 AHL 변이형(variant)에 의해 활성화되지 않으며, 훨씬 더 긴 AHL은 오히려 강력한 길항제(antagonist)로서 작용한다. 이 사실은 V. harveyi가 경쟁자가 생산하는 다른 종류의 자가유도물질을 검출하고, 이에 대한 반응으로 쿼럼센싱을 끔으로써 경쟁자에 의한 공공재 착취를 피할 수 있음을 암시한다. CqsS의 경우에도, 변형된 아실 사슬을 갖는 CAI-1 변이형은 CqsS를 활성화시키지 못하고, 변형된 헤드 그룹을 갖는 CAI-1 변이형은 길항제로서 작용한다.
LuxQ의 periplasmic 도메인과 복합체를 이루는 LuxP의 결정 구조가 밝혀졌다. AI-2가 없는 경우에 두 개의 LuxPQ 복합체는 대칭적인 heterotetramer를 형성한다. 반면에 AI-2와 결합을 한 후에는 엄청난 입체 구조 변화를 일으킨다. 자세히 말해서, Periplasmic 도메인에서 protomer의 회전은 tetramer인 LuxPQ-LuxPQ의 대칭성을 파괴하고, 이것은 세포질 도메인의 인산화를 막는다. V. harveyi의 경우, LuxP의 결합 포켓에 위치한 2개의 양전하를 띤 아르기닌 잔기가 붕소화되고, 음전하를 띈 AI-2를 안정화시키고, 더욱이 LuxP의 5개의 또 다른 아미노산들도 AI-2와의 수소 결합을 촉진한다. 흥미롭게도, AI-2 결합은 LuxPQ-LuxPQ tetramers의 클러스터링(clustering)을 촉진하고, 이것은 AI-2 감도와 이에 대한 반응 역학에 영향을 미친다.

3. 쿼럼센싱 네트워크의 구성
쿼럼센싱 행동을 정확하게 실행하려면 박테리아가 세포 외 화학 정보를 감지하고, 해석하고, 통합하여 해당 정보를 유전자 발현의 변화로 이끌어야 한다. 여러 종류의 자가유도물질이 존재한다거나 여러 종의 생물체가 혼합된 군락에서의 박테리아가 어떻게 이것을 성취하는지는 특히 흥미로운 주제이다. 더욱이 내부 노이즈(전사 또는 단백질 수의 변동), 외부 변화(온도, pH, 삼투압 등)은 이러한 정보를 교란시키며, 경쟁하는 박테리아가 자가유도물질을 만들어내거나 소비하는 경우에도 정보가 손상될 수 있다. 이러한 모든 예의 경우에 적절한 정보의 보상체계가 필요하다. 이러한 문제를 극복하기 위해서 시스템 생물학 접근법을 이용하여 쿼럼센싱 시스템에서 발생하는 일반적인 유전자 네트워크 설계 원칙을 밝혔다. 아래에서는 슈도모나스균(Pseudomonas spp.)과 비브리오균(Vibrio spp.)을 사용하여 가장 일반적인 두 가지 표준 네트워크 구성에 관해 설명한다.

3.1 슈도모나스균
슈도모나스 종(Pseudomonas spp.) 중에서 P. aeruginosa는 쿼럼센싱 수용체 및 조절 인자의 조밀한 네트워크를 이용한다. P. aeruginosa의 주요 쿼럼센싱 수용체는 LuxR형 수용체로 세포질 내에서 자가유도물질과 결합하면, 이것이 DNA 결합 전사 활성제로 작용한다. P. aeruginosa에는 현재 4개의 잘 알려진 쿼럼센싱 경로가 있다. 두 개의 LuxR, LuxI 유형인 LasR, LasI 시스템 및 RhlR, RhlI 시스템, 그리고 PqsR에 의해 조절되는 퀴놀론(quinolone) 시스템, 마지막으로 인산염(phosphate)의 제한 조건에서 기능하는 IQS 시스템이 있다.
이 4개의 쿼럼센싱 시스템은 최상위에 LasR을 갖는 연쇄, 계층 구조로 구성된다. 3-oxo-C12-HSL와 결합한 LasR 복합체는 자가유도(autinduction)를 이끄는 lasI 합성 유전자를 포함하여, 많은 유전자를 활성화시킨다. 또한, LasR-autoinducer 복합체는 두 번째 쿼럼센싱 경로를 encoding하는 rhlR, rhlI을 활성화시키고, PQS 시스템을 encoding하는 pqsR과 pqsABCDH 유전자의 발현을 활성화시킨다. RhlR은 LasR과 유사하게 작용하는데, RhlR이 C4-HSL(그림 1A)에 결합하여 복합체를 형성하여 rhlI를 포함하는 자체 레귤런(regulon)을 활성화시킴으로써 두 번째 자가 유도 피드백 루프를 이룬다. PqsR-PQS 복합체는 다시 rhlRI을 활성화시킨다. 또한, RhlR은 pqsR과 pqsABCD의 유전자 발현을 억제하며, 이 루프는 3-oxo-C12-HSL 대 C4-HSL의 정확한 비율을 보장하기 위함이며, 이것은 다시 PQS의 활성화를 조절한다. 최근 연구에 따르면 P. aeruginosa의 쿼럼센싱에 영향을 미치는 조절자가 13개의 전사인자가 있으며, 이 중 10개는 Rhl 또는 Las 유전자를 억제하고, 3개는 활성화시킨다고 보고되었다. 이러한 고도의 상호 연결성은 세포 내 및 세포 외 신호가 어떻게 통합되어 쿼럼센싱 출력을 변화시킬 수 있는지 설명한다. 아마도 여러 피드백 조절을 통해 쿼럼센싱 반응을 미세 조정함으로써 다양한 조건에서 강력한 세포 간 커뮤니케이션을 수행할 수 있다.
흥미롭게도 RhlR은 P. aeruginosa의 중요한 쿼럼센싱 구성원으로, 독성 유전자의 발현을 조절한다. rhlI는 LasR 또는 PqsR에 의해 활성화될 수 있고, RhlR-C4-HSL 복합체에 의해서 발현이 조절되므로, 적어도 한 종류의 자가유도물질이 P. aeruginosa의 병원성을 나타내는데 필요하다. 일반적으로 야생형 P. aeruginosa에서는 Las 시스템의 자가유도물질이 사용된다. 반면에, 낭포성 섬유증 환자의 P. aeruginosa 균주는 종종 lasR에 결실돌연변이가 있다. 이 경우 인산염 제한 단백질인 PhoB의 IQS 생산 활성화를 통해 LasR에 대한 필요성을 무시할 수 있다. 자세히 말해서, IQS는 pqs 유전자의 발현을 활성화시키고, 이는 rhl 발현의 활성화를 통해 추가로 필요한 자가유도물질을 생성한다. 이 By-pass 메커니즘은 P. aeruginosa가 LasR의 돌연변이에 구애 받지 않고 독성 유전자 발현을 시킬 수 있고, 이는 만성 감염 시 특히 관련이 있다.


그림 1. 다양한 합성효소(노란 타원형), 자가유도물질의 구조, 수용체(녹색의 전사인자 및 막수용체)를 보여준다. A. 그람 음성 박테리아에 의해 생성되는 HSL자가유도물질들과 그 수용체. B. Ralstonia spp.에 의해 생성되는 3-hydroxypalmiticacid-methyl-ester (3-OH PAME) 및 (R)-methyl-3-hydroxymyristate ((R) 3-OH MAME) C. Xan-thomonas campestris의 쿼럼센싱에 사용되는 Diffusible Signal Factor (DSF)와 그 수용체. D. CAI-1 자가유도물질을 합성하는 효소 (CqsA)와 그것을 인식하는 CqsS 수용체. Vibrio harveyi와 Vibrio cholerae 의 CAI-1 분자를 각각 표시함. E. 4,5-dihydroxy-2,3-pentanedione (DPD)은 모든 LuxS 효소에 의해 합성되며, AI-2로 통칭되는 광범위한 쿼럼센싱 자가유도물질의 전구체다. 붕소 존재하에, AI-2는 비브리오균의 자가유도물질인 (2S, 4S)-2-methyl-2,3,3,4-tetrahydroxytetrahydrofuran-borate (S-THMF-borate)를 형성한다. 붕소가 없는 경우, AI-2는 장내 세균의 자가유도물질인 (2R,4S)-2-methyl-2,3,3,4-tetrahydroxytetrahydrofuran (R-THMF) 으로 존재한다. F. Pseudomonas aeruginosa에 의해 합성되는 2-(2-hydroxyphenyl)-thiazole-4-carbaldehyde (IQS). IQS 수용체는 현재 알려지지 않았다. G. P. aeruginosa의 여러 쿼럼센싱 중 하나인 2-heptyl-3-hydroxy-4-quinolone (PQS) 시스템.

3.2 비브리오균
V. harveyi와 V. cholerae는 쿼럼센싱 회로의 두 번째 표준적인 예이다. 이 예에서, 쿼럼센싱 시스템은 막결합 수용체에 의존한다. 슈도모나스의 예처럼 세포질 DNA 결합 전사인자 수용체와 비교하여, 막결합 수용체의 장단점은 완전히 이해되지는 않았다. 하지만, 한 가지는 분명하다: 두 가지 유형의 시스템 모두 '정족수'(쿼럼센싱)를 달성하기 전에 내부적으로 생산된 자가유도물질에 반응하는 것을 피해야 한다. 먼저, 자가유도물질이 없는 LuxR형 단백질의 급속한 분해는 슈도모나스형 시스템의 조기 쿼럼센싱 활성화를 방지한다. 반면에 비브리오형 시스템에서는 수용체가 세포막에 국부적으로 위치하기 때문에 세포질 내부에서 생성된 자가유도물질은 감지되지 않는다.
V. harveyi와 V. cholerae는 CAI-1과 AI-2와 각각 특이적으로 작용하는 쿼럼센싱 수용체로서 CqsS와 LuxPQ를 가지고 있다. 게다가 V. harveyi는 제3의 HAI-1 결합 수용체인 LuxN을 가지고 있다. 두 종 모두 신호 전달은 병렬로 배열된다. 자가유도물질이 없는 경우, LuxN, LuxPQ 및 CqsS는 kinase 효소로, 자기인산화(autophosphorylation)하여 LuxU에 인산기을 전달하고, 다시 그 인산기을 반응조절자인 LuxO에 최종적으로 전달한다. 인산화된 LuxO는 σ54와 함께 쿼럼센싱 조절자인 quorum regulatory sRNA (Qrr sRNAs)를 encoding하는 유전자의 전사를 활성화한다(V. cholerae는 4개의 상동 Qrr sRNA, V. harveyi는 5개의 상동 Qrr sRNA이 있다.). Qrr sRNA는 Hfq에 의존하여, 표적 mRNA와 염기쌍을 형성하여 번역을 조절함으로써 유전자 발현을 통제한다. Qrr sRNA는 20개의 mRNA의 번역을 활성화하거나 억제한다. 특히, 낮은 세포 밀도의 최고 조절인자인 AphA를 encod-ing하는 mRNA의 번역을 활성화시키고, 높은 세포밀도의 최고 조절인자인 V. harveyi의 LuxR과 V. cholerae의 HapR을 encoding하는 mRNA의 번역을 억제한다.
높은 세포 밀도에서 자가유도물질의 수용체 결합은 수용체의 자기인산화를 억제하여, 수용체가 phosphatase 효소로서 작용하도록 한다. 탈인산화된 LuxO는 불활성화되어, qrr 유전자의 발현을 종결시킨다. Qrr sRNAs가 없는 경우, luxR 또는 hapR은 활성화되고, 반대로 aphA는 억제된다. 따라서, 이 조건에서는 LuxR 또는 HapR이 생성되고, 쿼럼센싱 집단행동을 조절하는 많은 유전자를 활성화시킨다.
또한, Qrr sRNA는 자가유도물질 합성효소 및 수용체를 코딩하는 luxMN을 억제하고, luxO의 번역을 억제한다. Qrr sRNAs는 mRNA의 촉매 분해를 통해 luxR 또는 hapR을 억제하고, mRNA와의 결합 분해에 의해 luxMN을 억제하고, luxO mRNA를 격리(sequestration)함으로써 luxO의 번역을 억제하며, 리보솜 결합자리를 드러냄으로써 aphA를 활성화시킨다. Qrr sRNA에 의한 luxR 또는 hapR mRNA의 촉매 분해가 Qrr 풀을 변화시키지 않지만, 결합된 분해 및 격리는 Qrr sRNA의 수를 줄인다. 이러한 메커니즘은 적절한 Qrr 풀을 유지하고, 전체 쿼럼센싱 역학을 관리하는 데 중요한 역할을 한다. 이 모든 피드백 루프는 쿼럼센싱 상태 간의 최적의 동적 특성 및 원활한 전환을 보장한다.

4. 쿼럼센싱의 기능
전통적으로 쿼럼센싱은 전사인자 활성의 변화, 이는 곧 유전자 발현의 변화를 일으킬 수 있는 박테리아의 세포 간 커뮤니케이션으로 정의된다. 쿼럼센싱에 조절되는 행동은 집단에 속한 모든 박테리아가 동시에 수행함으로써 최상의 결과를 달성하는 행동으로 정의된다. 숙주-미생물간의 쿼럼센싱에 의한 커뮤니케이션, 세포 내 화학 신호에 의한 반응, 그리고 쿼럼센싱에 의해 제어되는 유전자 발현의 이질성 등 최신 연구는 이러한 전통적인 정의를 더욱 넓힌다.
쿼럼센싱은 독성 인자의 생성과 바이오 필름의 형성을 제어하는 것으로 오랫동안 알려져 왔다. 유사하게 바이오필름과 독성은 cyclic dimer guanosine monophosphate (c-di-GMP)와 cyclic adenosine monophosphate (cAMP)을 포함하여 세포 내 second-messenger 신호 분자에 의존하는 것으로 알려져 있다. B. cenocepacia에서 이러한 관계를 가장 잘 살펴볼 수 있다: DSF 계열 자가유도물질인 cis-2-dodecenoic acid (BDSF)는 GGDEF와 EAL 도메인을 포함하는 단백질인 RpfR에 결합한다. RpfR과 BDSF의 결합은 세포 내에서의 c-di-GMP의 농도를 감소시키며, 이는 swarming 운동성, biofilms 및 virulence의 형성에 영향을 미친다. 비브리오균, 슈도모나스균 및 기타 그람 음성 병원성 미생물에서 c-di-GMP 및 cAMP에 대한 쿼럼센싱의 관계에 대한 예들이 있다. 쿼럼센싱을 뉴클레오타이드 기반의 second-messenger 신호 분자에 연결함으로써 자가유도물질의 혼합물 복합 정보를 단일의 일반적인 세포 내 신호 전달 분자로 전환할 수 있다.
일반적으로 쿼럼센싱 행동에 관한 연구는 잘 혼합된 배양액 조건이나, 협력하거나 경쟁하는 다른 미생물이 없는 상태에서 진행된다. 그러나, 불균일한 성장 조건이나 혼합된 집단 군락 조건은 쿼럼센싱 기능에 영향을 준다. 예를 들어, 복잡한 구조에서의 유체 흐름은 V. cholerae의 쿼럼센싱에 의해 제어되는 바이오필름 형성 유전자의 시간적 및 공간적 활성화에 영향을 미치므로 복잡한 성장 패턴을 초래한다. 또 다른 예로, 불균일한 구조와 유체 흐름이 있는 구강 내에서 다수 종으로 구성된 바이오필름의 형성과 플라그의 형성을 위해 AI-2 기반의 커뮤니케이션이 필요하다. 다른 바이오필름의 예에서는 쿼럼센싱이 다른 종 간에 경쟁을 촉진한다. 예를 들어, V. cholerae에서 쿼럼센싱은 type VI secretion을 활성화시켜, 인접한 다른 종의 세포 용해를 일으키며, 용해된 세포에서 DNA를 수거하고, 수평 유전자 전달을 촉진한다.
장내에서 항생제 치료 후, AI-2에 의한 신호전달은 Bacteroidetes보다 Firmicutes의 성장을 촉진하는 것으로 최근에 보고되었는데, 이것은 쿼럼센싱이 부분적으로 장내세균의 구성을 영향을 미친다는 것을 시사한다. 흥미롭게도, Bacteroidete보다 훨씬 더 많은 Firmicutes 종이 AI-2 신호 체계를 encoding한다. 게다가 장내 세균인 Blautia obeum(이전에는 Ruminococcus obeum으로 알려짐)에 의해 생산된 AI-2는 V. cholerae의 병독성 형성을 제한하는데, 이는 콜레라로부터의 회복과 관련이 있다. 흥미롭게도, 이러한 조건에서 AI-2 감지와 관련된 V. cholerae 수용체는 LuxPQ이 아닌 LuxR-solo 전사 인자인, VqmA이다.
장내세균과 그들의 활동은 숙주-미생물 간의 자가유도물질 신호 전달로도 발생할 수 있다. 예를 들어, 포유류 상피 세포를 AI-2에 노출 시키면 염증성 사이토카인 IL-8의 생성을 유도한다. P. aeruginosa에 의해 생산된 AI-2는 일부 포유동물 세포에서 세포 사멸을 일으킨다. 반대로, 장내 세균은 수용체 kinase인 QseC와 QseE를 사용하여 숙주가 생산한 호르몬인 아드레날린과 노르아드레날린을 검출한다. 가장 최근에, 포유류의 상피 세포는 박테리아에 의해 반응하거나, tight junction의 파괴 때문에 AI-2 모방물질을 방출하는 것으로 밝혀졌다. AI-2 모방물질은 박테리아 AI-2 수용체인 LuxP 또는 LsrB에 의해 검출되며, 이는 곧바로 쿼럼센싱 관련 유전자 발현을 활성화시킨다. AI-2를 신호물질로 이용하는 것은 숙주가 장내세균과의 커뮤니케이션을 최대로 할 수 있고, 장내세균의 전체적인 유전자 발현 변화를 일으킬 수 있는 전략이 될 수 있다. 유사하게, 다양한 식물과 조류 역시 자가유도물질을 모방한 물질을 만들어 박테리아 쿼럼센싱 관련 행동에 영향을 미치는데, 많은 경우 이러한 상호 작용의 중요성은 아직 불분명하다.
마지막으로, 모든 쿼럼센싱 경로가 그룹 구성원들 사이에서 유전자 발현의 동기화(synchronization)를 촉진하는 것은 아니다. 이러한 표현형적 이질성은 분할 산란 전략(bet-hedging)으로 간주된다. 쿼럼센싱의 이질성은 V. harveyi에서 광범위하게 연구됐으며, LuxO의 인산화 상태에 기인할 수 있으며, 이는 바이오 필름의 형성에 영향을 미친다. Pseudomonas putida를 이용한 최근 연구에 따르면 미성숙 바이오필름에서 자가유도물질의 생산 이질성이 있을 수 있으며, 이렇게 형성된 자가유도물질은 개별 세포에서 쿼럼센싱 기능의 자기 유도를 유발할 수 있다. 이 사실은 쿼럼센싱 신호의 생물학적 기능이 성장에 따라 달라질 수 있음을 보여준다.

5. 결론
쿼럼센싱을 통한 세균간 화학적 커뮤니케이션은 전수 조사를 수행하고, 주변 이웃을 식별하여 친구인지 적인지를 구별할 수 있게 하는 특징을 갖는다. 그리고, 쿼럼센싱은 박테리아의 집단행동을 조율한다. 이 리뷰에서는 자가유도물질에 포함된 물리화학적 특성, 해당 수용체 및 조절인자에 포함된 쿼럼센싱의 작동 원리를 요약하였다. 쿼럼센싱은 많은 박테리아의 생체 과정에서 중요하기 때문에, 필요에 따라 박테리아의 행동을 조절하기 위해 쿼럼센싱을 조작하기 위한 물질을 합성하는 연구가 한창 진행 중이다. 또한, 박테리아에 보여진 쿼럼센싱 네트워크의 기본 원리는 고등 생물의 집단행동을 이해하는 데 중요할 수 있다. 예를 들어, 꿀벌과 개미와 같은 사회성 곤충은 둥지 위치를 결정하기 위해 쿼럼센싱을 사용한다. 동물의 모낭은 인접한 모낭과 관계하여야만 재생될 수 있으며, 이러한 집단행동 과정은 쿼럼센싱과 같은 논리를 따른다. 이러한 연구와 많은 새로운 연구는 쿼럼센싱이 미생물에게만 국한된 것이 아니라 모든 생명체에 적용되는 일반적인 메커니즘일 가능성을 제안한다.

출처: [BRIC View, 그람 음성 세균의 쿼럼센싱 신호-반응 체계, 김민영],

https://www.ibric.org/myboard/read.php?Board=report&id=2913