외독소

3. 분류

외독소는 다양한 기준으로 분류될 수 있다.^[2][3] 이 분류법은 포괄적이지만, 유일한 분류 체계는 아니다. 독소를 분류하거나 식별하는 다른 방법으로는 다음과 같은 것들이 있다.

• 독소를 만드는 미생물에 따른 분류
• 독소에 민감하게 반응하는 생물체에 따른 분류
• 독소를 분비하는 시스템에 따른 분류 (예: 제6형 분비 시스템의 독성 효과기)
• 독소가 영향을 주는 조직 유형에 따른 분류 (예: 신경독은 신경계, 심장독은 심장에 영향을 줌)
• 구조에 따른 분류 (예: AB5 독소)
• 독소의 도메인 구조에 따른 분류 (예: 다형성 독소)
• 열, 건조, 방사선, 염분 등 열악한 환경에서 독소가 견딜 수 있는 능력에 따른 분류 ("불안정성"은 민감성을, "안정성"은 민감성이 없음을 의미)
• 독소가 발견된 순서에 따라 "A", "B", "C" 등 문자로 분류

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| 슈퍼항원 (T세포 활성화 독소)^[16][14]

| 황색 포도상구균의 원인 물질^[19]

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3. 1. 작용 기전에 따른 분류

• 제1형: 세포 표면 활성 독소: 세포 표면에 있는 수용체에 결합하여 세포 내 신호 전달 경로를 자극한다.
• 제2형: 막 손상 독소: ''시험관 내''에서 용혈소 또는 세포 용해 활성을 나타낸다. 그러나 감염 과정에서 세포 용해가 독소의 주요 기능이 아닐 수도 있다. 낮은 농도에서는 세포 용해 없이 숙주 세포의 신호 전달을 조절하는 등 더 미묘한 효과가 나타날 수 있다.
• 제3형: 세포 내 작용 독소: 세포 침투 방식이나 세포 내 작용 기전에 따라 분류할 수 있다.

3. 1. 1. 제1형: 세포 표면 활성 독소

• '''슈퍼항원'''

• '''열안정성 장독소(ST)'''

3. 1. 2. 제2형: 막 손상 독소

• '''콜레스테롤 의존성 세포 용해 독소'''

• '''RTX 독소'''

3. 1. 3. 제3형: 세포 내 작용 독소

• 일부 박테리아는 바늘 모양의 구조를 통해 자신의 세포질에서 표적 세포의 세포질로 직접 독소를 전달한다. 예르시니아(''Yersinia'')의 제3형 분비 장치에 의해 표적 세포에 주입되는 이펙터 단백질이 그 예이다.
• 다른 세포 내 독소 그룹은 AB 독소이다. 'B' 서브유닛 ('''''b'''inding'', 결합)은 세포막의 표적 부위에 부착하고, 'A' 서브유닛 ('''''a'''ctive'', 활성)은 막을 통과하여 들어가 세포 내부의 생체 기전을 변화시키는 효소 기능을 갖는다. 이러한 A 서브유닛 활성의 일반적인 예는 ADP-리보실화로, A 서브유닛이 단백질의 특정 잔기에 ADP-리보스 그룹의 첨가를 촉매한다. 이러한 독소의 구조는 특정 백신 및 치료법 개발을 가능하게 한다. 일반적으로 해롭지 않은 B 유닛에 특정 화합물을 부착할 수 있으며, 이를 신체가 인식하고 면역 반응을 유도하도록 학습한다. 이를 통해 신체는 나중에 유해한 독소를 감지하고 숙주에게 해를 끼치기 전에 제거할 수 있다. 이러한 유형의 독소에는 콜레라 독소, 백일해 독소, 시가 독소 및 ''대장균''에서 생성되는 열에 약한 장독소가 포함된다.

• 일부 외독소는 리보솜에 직접 작용하여 단백질 합성을 억제한다. 예로는 시가 독소가 있다.
• 다른 독소는 신장 인자-2에 작용한다. 디프테리아 독소의 경우, EF2가 ADP-리보실화되어 단백질 연장에 참여할 수 없게 되어 세포가 죽는다. 녹농균 외독소도 이와 유사한 작용을 한다.

• 예를 들어, 콜레라 독소는 ADP-리보실화 반응을 일으켜 조직 아데닐산 시클라제를 활성화시켜 cAMP의 농도를 증가시킨다. 이로 인해 소장의 내벽에서 대량의 수분과 전해질이 이동하여 생명을 위협하는 설사를 유발한다.
• 또 다른 예는 백일해 독소이다.

3. 1. 4. 세포 외 기질 손상 독소

3. 2. 표적 세포 및 생성 세균에 따른 분류

• 독소를 생성하는 유기체별 분류
• 독소에 민감한 유기체별 분류
• 독소를 방출하는 분비 시스템별 분류 (예: 제6형 분비 시스템의 독성 이펙터)
• 독소에 민감한 조직 표적 유형별 분류 (신경독은 신경계에 영향을 미치고, 심장독은 심장에 영향을 미치는 등)
• 구조별 분류 (예: AB5 독소)
• 독소의 도메인 구조별 분류 (예: 다형성 독소)
• 열, 건조, 방사선 또는 염분과 같은 열악한 환경에서 독소가 견딜 수 있는 능력별 분류. 이 맥락에서 "불안정성"은 민감성을 의미하고, "안정성"은 민감성의 부재를 의미한다.
• 독소가 식별된 순서를 나타내기 위해 "A", "B", 또는 "C"와 같은 문자로 분류.

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| 슈퍼항원 (T세포 활성화 독소)^[16][14]

| 황색 포도상구균의 원인 물질^[19]

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4. 병원성

다음 실험 결과를 만족할 때 외독소가 병원성 인자로서 작용하고 있다고 여겨진다.

• 독소 생산량과 세균의 병원성의 강도가 비례한다. 또한 독소 생산 능력이 탈락한 변이주는 병원성이 소실되거나 약화된다.
• 정제된 독소가 개체, 세포, 분자 수준에서 작용을 발휘하여 세균의 병원성을 설명할 수 있다.
• 항독소 혈청으로 병원성이 억제된다.

5. 유전자

외독소 유전자의 대부분은 염색체 위에 코딩되어 있지만 파지나 플라스미드에 코딩되어 있는 것도 있다. 파지나 플라스미드에 코딩된 외독소 유전자는 독소를 생성하지 않는 균주로, 때로는 종을 넘어 이동할 수 있는 것이 특징이다. 또한 파지나 플라스미드를 잃은 세균은 독소를 생산할 수 없게 되어 병원성을 잃는다.

6. 구조

외독소는 구조에 따라 분류되는 경우가 있다. 독소의 구조에는 단일 사슬 단백질 독소 구조, 상동 서브 유닛 구조, 다종류 서브 유닛 구조, A-B형 독소, 이성분 독소, 삼성분 독소 등이 알려져 있다. 특히 특징적인 것이 A-B형 독소이다. A-B형 독소는 기본적으로 A 서브 유닛과 B 서브 유닛의 두 종류의 서브 유닛으로 이루어져 있으며, A 서브 유닛은 독소 작용을 담당하고 B 서브 유닛은 독소를 표적 세포로 유도하고 결합시키는 기능을 담당한다. 단일 사슬 폴리펩티드여도 구조 분석을 하면 독소 활성을 담당하는 부분과 수용체에의 결합을 담당하는 부분의 기능 분담이 있는 경우가 있다. 이러한 경우 독소 작용을 담당하는 부분을 A 도메인(플래그먼트), 수용체 결합을 담당하는 부분을 B 도메인(플래그먼트)이라고 부른다. 서브 유닛과 도메인을 구분하지 않고 독성을 발휘하는 부분(active site)과 세포의 수용체에 결합하는 부분(binding site)이라고 표현하는 경우도 있다.

두 종류의 독립적인 단백질이 공동으로 작용해야 독 작용을 발휘하는 독소를 이성분 독소라고 한다. 대표적인 예가 보툴리누스균의 C2 독소이다. C2 독소에서는 구성 요소 2(C2Ⅱ)가 막에 작용함으로써 구성 요소 1(C2Ⅰ)이 세포 내로 들어가 액틴을 ADP 리보실화하여 독소 작용을 나타낸다. 탄저균의 탄저 독은 PA(방어 인자), LF(치사 인자), EF(부종 인자)의 3가지 인자가 협조적으로 작용하여 강한 병원성을 나타낸다.

7. 분비

외독소의 분비는 ABC 수송체에 의해 분비되는 것과 Sec 분비계를 거치는 것으로 알려져 있다. ABC 수송체로 분비되는 것은 N 말단 부분에 신호 펩타이드가 존재하지 않고, C 말단 근처의 아미노산 서열이 분비 신호가 된다고 생각된다. 분비되는 단백질이 외막을 통과할 때에는 외막 단백질의 도움을 필요로 한다. Sec 분비계를 거치는 것은 N 말단에 신호 펩타이드를 가지며, Sec 분비계에 의해 단백질이 없는 막을 통과하여 일단 페리플라즘으로 수송된 후, 외막에 삽입된 링 형성 단백질을 거쳐 균체 밖으로 분비된다. 또한 Tat계라는 Sec계와는 다른 분비계도 알려져 있다.

8. 수용체 결합 및 세포 내 유입

슈퍼항원은 특정 Vβ 사슬을 가진 T 세포 표면의 T 세포 수용체와 항원 제시 세포의 MHC class II 단백질을 연결하여, T 세포를 대량으로 활성화시키고 염증성 사이토카인 분비를 유발한다. 일부 대장균 균주는 열안정성 장독소(ST)를 생성하는데, 이는 막 결합 구아닐산 사이클라제를 활성화시켜 세포 내 고리형 GMP 축적을 유도하고, 장 세포에서 전해질과 수분 손실을 초래한다.

대부분의 채널 형성 독소는 표적 세포 막에 공극을 형성하며, 콜레스테롤 의존성 세포 용해 독소 (CDC)와 RTX 독소로 분류된다. CDC는 표적 세포 내 콜레스테롤을 필요로 하며, 매우 큰 공극을 형성한다. CDC는 제2형 분비 시스템에 의해 분비되지만, 뉴모리신은 예외적으로 세균 용해 시 방출된다. CDC는 숙주 세포핵 내 히스톤 변형을 유발하여 염증 반응 관련 유전자를 하향 조절한다. RTX 독소는 단백질 내 특이한 반복 서열을 가지며, ''대장균''의 혈액 용해소 A (HlyA)가 대표적이다.

세포 내 독소가 표적 세포의 세포질에 접근하는 방법은 다음과 같다.

• 일부 세균은 제3형 분비 장치를 통해 독소를 직접 주입한다.
• AB 독소는 'B' 서브유닛이 세포막에 부착하고, 'A' 서브유닛이 막을 통과하여 ADP-리보실화 등을 통해 세포 기능을 변화시킨다. 콜레라 독소, 백일해 독소, 시가 독소, 장독소 등이 이에 속한다.

9. 작용 기전

슈퍼항원은 여러 세균에 의해 생성된다. 슈퍼항원은 특정 Vβ 사슬을 가진 T 세포 표면의 T 세포 수용체와 항원 제시 세포의 MHC class II 단백질을 연결한다. 그 결과, 모든 T 세포의 최대 50%가 활성화되어 염증성 사이토카인이 대량으로 분비되어 독성 쇼크의 증상을 유발한다.^[4]

일부 대장균 균주는 100 °C에서 열처리에도 견딜 수 있는 작은 펩타이드인 열안정성 장독소(ST)를 생성한다. 서로 다른 ST는 세포 표면의 고유한 수용체를 인식하여 서로 다른 세포 내 신호 전달 경로에 영향을 미친다. 예를 들어, STa 장독소는 막 결합 구아닐산 사이클라제에 결합하여 활성화시켜 세포 내 고리형 GMP가 축적되고 여러 신호 전달 경로에 영향을 미친다. 이러한 현상은 장 세포에서 전해질과 수분의 손실을 초래한다.^[4]

대부분의 채널 형성 독소는 표적 세포 막에 공극을 형성하며, 콜레스테롤 의존성 독소와 RTX 독소의 두 가지 계열로 분류할 수 있다.^[4]

• '''콜레스테롤 의존성 세포 용해 독소'''

• '''RTX 독소'''

• 일부 박테리아는 바늘 모양의 구조를 통해 자신의 세포질에서 표적 세포의 세포질로 직접 독소를 전달한다. ''예르시니아''(Yersinia)의 제3형 분비 장치에 의해 표적 세포에 주입되는 이펙터 단백질이 그 예이다.
• 다른 세포 내 독소 그룹은 AB 독소이다. 'B' 서브유닛 ('''''b'''inding', 결합)은 세포막의 표적 부위에 부착하고, 'A' 서브유닛 ('''''a'''ctive', 활성)은 막을 통과하여 들어가 세포 내부의 생체 기전을 변화시키는 효소 기능을 갖는다. 이러한 A 서브유닛 활성의 일반적인 예는 ADP-리보실화로, A 서브유닛이 단백질의 특정 잔기에 ADP-리보스 그룹의 첨가를 촉매한다. 이러한 독소의 구조는 특정 백신 및 치료법 개발을 가능하게 한다. 일반적으로 해롭지 않은 B 유닛에 특정 화합물을 부착할 수 있으며, 이를 신체가 인식하고 면역 반응을 유도하도록 학습한다. 이를 통해 신체는 나중에 유해한 독소를 감지하고 숙주에게 해를 끼치기 전에 제거할 수 있다. 이러한 유형의 독소에는 콜레라 독소, 백일해 독소, 시가 독소 및 ''대장균''에서 생성되는 열에 약한 장독소가 포함된다.^[4]

• 일부 외독소는 리보솜에 직접 작용하여 단백질 합성을 억제한다. 예로는 시가 독소가 있다.
• 다른 독소는 신장 인자-2에 작용한다. 디프테리아 독소의 경우, EF2가 ADP-리보실화되어 단백질 연장에 참여할 수 없게 되어 세포가 죽는다. 녹농균 외독소도 이와 유사한 작용을 한다.^[4]

• 예를 들어, 콜레라 독소는 ADP-리보실화 반응을 일으켜 조직 아데닐산 시클라제를 활성화시켜 cAMP의 농도를 증가시킨다. 이로 인해 소장의 내벽에서 대량의 수분과 전해질이 이동하여 생명을 위협하는 설사를 유발한다.
• 또 다른 예는 백일해 독소이다.

10. 장기 특이성

슈퍼항원은 여러 세균에 의해 생성된다. 가장 잘 알려진 슈퍼항원은 독성 쇼크 증후군을 유발하는 ''황색포도상구균''과 ''화농성 연쇄상구균'' 균주에 의해 생성되는 슈퍼항원이다. 슈퍼항원은 특정 Vβ 사슬을 가진 T 세포 표면의 T 세포 수용체와 항원 제시 세포의 MHC class II 단백질을 연결한다. 그 결과, 모든 T 세포의 최대 50%가 활성화되어 염증성 사이토카인이 대량으로 분비되어 독성 쇼크의 증상을 유발한다.^[1]

일부 대장균 균주는 100°C에서 열처리에도 견딜 수 있는 작은 펩타이드인 열안정성 장독소(ST)를 생성한다. 서로 다른 ST는 세포 표면의 고유한 수용체를 인식하여 서로 다른 세포 내 신호 전달 경로에 영향을 미친다. 예를 들어, STa 장독소는 막 결합 구아닐산 사이클라제에 결합하여 활성화시켜 세포 내 고리형 GMP가 축적되고 여러 신호 전달 경로에 영향을 미친다. 이러한 현상은 장 세포에서 전해질과 수분의 손실을 초래한다.^[1]

독소 작용의 장기 특이성은 세균의 침입 경로, 독소 수용체의 분포, 표적 분자의 분포 등에 의해 결정된다. 장기 특이성이 강한 독소도 알려져 있으며 장관 독소(장독소), 신경독, 심장 독소, 신장 독소, 피부 독소라고 불리는 경우가 있다. 장관 독소는 장관 상피 세포를 자극하여 분비를 항진시키는 세포 독성 작용을 가진 독소와 장관 상피 세포를 손상시키는 세포 독성 작용을 가진 독소로 나눌 수 있다. 신경독에는 파상풍 독소와 보툴리누스 독소가 알려져 있다.^[1]

11. 의학적 응용

외독소는 백신 생산과 암 치료 등 다양한 의학 분야에 응용된다. 특히 외독소의 강한 독성을 역이용하여 암세포만 선택적으로 제거하는 연구가 활발히 진행되고 있다.

11. 1. 백신

11. 2. 항독소 치료

11. 3. 암 치료

12. 내독소 및 에펙터 분자와의 관계

세균이 생산하는 독소에는 외독소, 에펙터 분자, 내독소의 세 종류가 있다.

내독소는 그람 음성균의 균체에 결합된 내열성 독소를 의미한다. 세균이 생산하여 균체 밖으로 분비하는 외독소와 구별하기 위해, 파이퍼(Pfeiffer)가 콜레라균에서 분리한 균체 결합성 독성 물질에 대해 내독소라고 명명하였다. 내독소는 화학적으로 리포다당류(LPS)이다^[13]。LPS는 간에서 유래된 LBP(LPS-결합 단백질)와 결합하여 세포상 또는 유리된 CD14 분자와 결합한다. 이 복합체는 CD14 분자를 통해 대식세포의 TLR4 수용체와 결합한다. TLR4는 MyD88, TRAF6을 거쳐 전사 인자 NF-κB를 활성화시킨다. 그 결과 대식세포의 활성화, 발열, 혈관 내피 손상 등이 일어난다.

참조

_[1] 서적 Sherris medical microbiology McGraw Hill Medical
_[2] 서적 Desk Encyclopedia of Microbiology Elsevier Academic Press
_[3] 웹사이트 Bacterial Pathogenesis: Bacterial Factors that Damage the Host - Producing Exotoxins http://student.ccbcm[...] 2008-12-13
_[4] 간행물 Cholesterol-dependent cytolysins, a family of versatile pore-forming toxins 2005-10
_[5] 간행물 Histone modifications induced by a family of bacterial toxins 2007-08
_[6] 간행물 Virulence factor rtx in Legionella pneumophila, evidence suggesting it is a modular multifunctional protein null 2008-01
_[7] 서적 Microbiology https://archive.org/[...] Pearson/Benjamin Cummings
_[8] 간행물 Reduced-antigen, combined diphtheria, tetanus, and acellular pertussis vaccine, adsorbed (boostrix(®)): a guide to its use as a single-dose booster immunization against pertussis 2013-02
_[9] 간행물 Primary immunization with a triple diphtheria-tetanus-whole cell pertussis vaccine in Iranian infants: an analysis of antibody response http://ijaai.tums.ac[...] 2009-06
_[10] 간행물 A randomised, double-blind, non-inferiority clinical trial on the safety and immunogenicity of a tetanus, diphtheria and monocomponent acellular pertussis (TdaP) vaccine in comparison to a tetanus and diphtheria (Td) vaccine when given as booster vaccinations to healthy adults 2012-08
_[11] 간행물 Immunotoxins in cancer therapy 1999-10
_[12] 간행물 A guide to taming a toxin--recombinant immunotoxins constructed from Pseudomonas exotoxin A for the treatment of cancer 2011-12
_[13] 간행물 細菌毒素と健康 (病原因子の解析)
_[14] 간행물 細菌毒素あれこれ
_[15] 문서 'Bacterial protein toxins' Human Press
_[16] 간행물 細菌性食中毒と毒素
_[17] 간행물 Edwardsiella tardaが産生する外毒素性物質
_[18] 간행물 エドワジエラ症
_[19] 간행물 スーパー抗原活性を有する細菌外毒素群
_[20] 서적 Sherris medical microbiology https://archive.org/[...] McGraw Hill Medical