이번 글에서는 어제 읽은 논문인 'Integrative analysis of single-cell RNA-seq and gut microbiome metabarcoding data elucidates macrophage dysfunction in mice with DSS-induced ulcerative colitis(2024)'에서 흥미롭게 다가왔던 부분 몇 가지만 살짝 정리하고 가겠습니다.
특히 제가 졸업논문으로 장내미생물(GM) 관련 SNP 데이터로 장내미생물 사이의 상호 연관성을 분석하는 연구를 진행해본지라 더 흥미롭게 다가왔네요. 제 졸업논문에서는 알츠하이머병(AD) 유발과 연관된 장내미생물(AD risk GM)인 bactroides와 불면증(insomnia)에 positive casual effect를 갖는다고 알려진 Lachnostridium 사이의 positive correlation이 나타남을 확인했는데요. 다시말해서, SNP 데이터를 활용해 bacteroides가 존재하기 유리한 조건에서 Lachnostritidum도 존재할 가능성이 높고, 역의 관계도 성립함을 확인했습니다. 그렇게 해서 장내 미생물 사이의 상호작용 가능성을 확인해보았습니다.
그때 선행 연구를 찾아보니까 insomnia와 AD가 연관이 있다고 알려져 있었고, 장내미생물이 장뇌연결축(MGBA)을 통해 이 insomina와 AD 질환에 영향을 주고, 장내미생물의 상호작용이 장뇌연결축을 망가뜨릴 수 있다고 알려져 있었던 만큼 두 질환과 관련된 장내 미생물 사이의 상호작용이 이 두 질환 발병에 시너제틱하게 영향을 줄 수 있지 않을까 하는 생각에 분석을 진행해보았습니다.
그러면서 장내 미생물 사이의 상호작용이 AD, insomnia, 혹은 그들의 시너제틱한 발병 효과에 영향을 미치는 분자적 메커니즘 및 경로를 밝혀내는 것이 이러한 뇌 질환들의 진단, 치료, 예방에 있어 도움이 되지 않을까?하는 생각도 하게 되었던 것 같습니다.
그런 생각을 가지면서 최근에 기존 치료법 개선과 신약후보물질발굴에 효과적인 툴로 알려진 개별세포분석(single cell analysis)에 대해 공부하던 중, single-cell transcriptimics와 gut microbiota metagenomic을 통합적으로 분석해 궤양성 대장염(ulcerative colitis)의 immunomeabolism에 대한 새로운 insight를 제공하는 논문을 접하게 되었습니다.
그 논문이 바로 2024년 6월에 퍼블리시된 논문인 'Integrative analysis of single-cell RNA-seq and gut microbiome metabarcoding data elucidates macrophage dysfunction in mice with DSS-induced ulcerative colitis'입니다.
본 논문에서는 장내 미생물(gut microbes)에 대한 면역 반응에 의해 발병한다고 알려진 inflammatory bowel disease(IBD)의 일종인 ulcerative colitis(UC)에 대해 다루고 있는데요.
궤양성 대장염
대장을 침범하는 원인 불명의 만성 염증성 질환. [정의] 궤양성 대장염이란 대장의 점막 또는 점막하층에 국한된 염증을 특징으로 하는 원인 불명의 만성 염증성 장 질환이다. 직장에서부터 연
terms.naver.com
연구팀은 "어떻게 장내미생물(GM)에 의한 immune & metabolic change가 UC로 이어지는 걸까?"라는 질문을 던지면서, UC의 immunometabolism을 scRNA-seq(for UC colon), 16s rRNA-seq(for GM), 그리고 scRNA-seq 데이터 분석을 위한 여러 툴로 UC 진행동안 숙주의 면역계와 장내미생물의 complex dysregulation을 조사했습니다.
UC로 인한 장내 미생물 및 면역계 변화를 확인하기 위해선 쥐에 다른 time points마다 dextran sodium sulfate (DSS, UC 유도에 주로 사용) induction을 수행했다고 합니다.
이때 연구팀은 UC를 disease siverity에 따라 acute colities (AC)와 chronic colitis (CC)로 구분하고 질병 진행정도에 따른 intestinal environment에서의 microbiome alterations를 비교했는데요.
DSS-insuded colitis에서 intestinal epithelial barrier를 확인한 결과, AC에선 tissue damage로 epithelial population의 상당한 감소가 나타났고, CC에선 AC와 비교했을 때 epithelial cell functionality의 부분적인 회복이 나타났다고 합니다.
문제는 이렇게 epithelial barrier가 파괴되면 macrophage, CD8+ T cell과 같은 면역세포들과 장내미생물이 lamina propria로 infiltration될 수 있다는 건데요. 본 연구팀은 CellphoneDB를 활용해 cell-cell interaction을 분석(ligand-receptor pairs 분석)하여 epithelial barrier 손상이 심한 AC 조건에서 면역세포(macrophages)들이 해당 벽을 통과하여 fibroblast, B cell, T cell 등과 intercellular interactions을 수행함을 밝혀냈습니다. CC의 경우에서는 macrophage와 epithelial cells 사이의 상호작용, macrophages와 fibroblasts 사이의 상호작용이 주로 나타나났다고 합니다.
전반적으로 UC 진행동안 상피세포(epithelial cells)와 섬유아세포(fibroblasts) 사이의 향상된 상호작용이 관찰되었다고 하는데요, 그 이유가 궁금해서 챗GPT에게 물어보니까 UC는 대장 점막의 과도한 면역반응, 염증성 사이토카인 분비로 특징 지어지고, 염증성 사이토카인이 분비되면 상피세포와 섬유아세포가 더 활발하게 신호를 주고 받게 되는데, UC로 상피가 손상되면 섬유아 세포는 상피세포의 증식 및 이동을 도와주는 성장인자(TGF-베타, FGF)를 분비하고, 상피세포는 섬유아세포의 활성을 조절하는 신호를 보내며 사이토카인 분비로 상호작용이 활발해지게 되고, 이를 통해 ECM 단백질(콜라겐, 라미닌)이 생성된다고 합니다.
참고로 본 연구에서 밝힌 CC와 AC에서 나타난 특이적인 차이로는 macrophage heterogeneity가 있는데, AC의 경우엔 macrophage phentoype 중 M2B가 CC에 비해 높게 나타나고, CC는 AC에 비해 M1 phenotype이 높게 나타났다고 합니다. 여기서 M1 macrophage는 inflammation을 증가를 암시한다고 하는데요, 이후 연구에서 장내미생물의 dysbiosis(불균형)가 나타난 CC의 macropage에서 eNAMP and NOX2 complexs가 활성화되고 이는 nicotina and nicotinamide (NAD+) levels를 높여 chronic inflammation에 기여함을 밝혀냈습니다. open access 논문이니 자세한건 논문 링크에 들어가서 확인하시길 추천드립니다.
논문 내용 중 저에게 흥미로웠던 내용은 장내미생물이 T cell differentiation과 같은 면역계를 조절하는 주요 역할을 하고, 장내 면역계와 GM의 상호작용은 T cells의 development와 function에 영향을 미칠 수 있다는 내용이었는데, 장내미생물이 면역계에 영향을 미치는 만큼 과도한 면역반응이 특징인 UC와 같은 IBD에 중요한 적용성을 가진다고 합니다.
특히, 건강한 intestinal environment 속 epithelial cell barriers에서는 면역계(immune system)와 장내 미생물(gut microbiota) 사이의 항상성(homeostasis)의 유지가 촉진된다고 하는 만큼 건강하지 않은 장 환경에서 나타나는 UC, 뇌질환(치매, 불면증 등 via MGBA)의 예방 및 치료를 위해 면역계와 장내 미생물 사이의 균형을 유지할 수 있는 전략을 발굴하는 것이 중요할 듯 합니다.
앞으로 언젠가 기회가 된다면 면역계(면역 세포 등)와 장내미생물 사이의 상호작용이 뇌질환에 미치는 영향을 개별 세포 수준에서 다중 오믹스 분석을 통해 밝혀내는 연구도 해보고 싶어지네요. 다음에 또 논문을 읽다가 소개할 논문이 있다면 찾아오겠습니다. 감사합니다!
- 참고자료
1) Hong, D., Kim, H.K., Yang, W. et al. Integrative analysis of single-cell RNA-seq and gut microbiome metabarcoding data elucidates macrophage dysfunction in mice with DSS-induced ulcerative colitis. Commun Biol 7, 731 (2024). https://doi.org/10.1038/s42003-024-06409-w
