아토피 피부염은 최근 몇 십 년간 산업화된 국가를 중심으로 전세계적으로 빠르게 증가되고 있는 염증성 질환으로서 최근 조사에 의하면 아이들의 10~20%정도가 아토피 피부염을 앓는 것으로 알려져 있다. 이 수치는 산업화되지 않은 지역과 비교하면 매우 높은 것이다. 이와 같은 차이를 설명하기 위하여 Hygiene theory나 Old friends hypothesis라는 이론이 대두되어 왔는데 이는 인간에 공생하는 ...
아토피 피부염은 최근 몇 십 년간 산업화된 국가를 중심으로 전세계적으로 빠르게 증가되고 있는 염증성 질환으로서 최근 조사에 의하면 아이들의 10~20%정도가 아토피 피부염을 앓는 것으로 알려져 있다. 이 수치는 산업화되지 않은 지역과 비교하면 매우 높은 것이다. 이와 같은 차이를 설명하기 위하여 Hygiene theory나 Old friends hypothesis라는 이론이 대두되어 왔는데 이는 인간에 공생하는 미생물군집이 인간의 면역조절에 중요한 역할은 한다는 것을 전재로 하고 있다. 인간과 공생하는 미생물들 중 대부분은 장내에 존재하고 있는데 이들 장내세균은 인간의 생리에 아주 중요한 역할들을 수행하고 있으며 특히 면역시스템의 발달에 필수적인 것으로 알려져 있다. 지금까지 여러 염증성 질환이 장내세균군집과 관련이 있는 것으로 알려졌으며 아토피 피부염도 장내세균군집과 밀접한 관련이 있을 것으로 생각되고 있다. 이에 본 연구에서는 아토피 피부염 환자와 대조군 간의 장내세균군집 차이를 비교 분석하여 아토피 피부염과 장내세균군집의 관계를 알아보고자 한다. 본 연구에서는 90명의 아토피 피부염환자와 42명의 대조군에서 추출한 대변샘플을 이용하여 각각의 장내세균군집의 프로필을 알아보았다. 대변샘플에서 전체 장내세균의 DNA를 추출하였고 추출된 DNA에서 16S rRNA 유전자의 V1-V2 부분을 PCR 증폭하여 분류 표지자로 이용하였다. 증폭된 DNA는 454 FLX 기기를 이용하여 시퀀싱하였고 그 염기서열을 이용하여 각 132명의 장내세균군집의 프로필을 알아보았으며 아토피 피부염 환자와 대조군간의 차이를 비교 분석해 보았다. 기본적인 미생물 군집 분석방법인 미생물 문(門, phylum)이나 속(屬, genus)간의 차이나 다양성 분석방법 (α-diversity, β-diversity)으로는 아토피 피부염 환자와 대조군 간의 장내세균군집 차이를 발견할 수는 없었다. 하지만 머신러닝(machine learning) 분석 방법인 RFE-SVM (recursive feature elimination-support vector machine) 알고리즘을 이용하여 1세부터 5세사이의 아동의 장내세균을 비교분석 하였더니 상위 50개의 OTU(operational taxonomic unit)를 이용하여 아토피 피부염 환자와 대조군을 높은 정확도로 구분할 수 있었으며 이들 50개의 OTU중 15개는 Faecalibacterium에 속하는 OTU로 나타났다. 그리하여 특정 Faecalibacterium에서 아토피 피부염 환자와 대조군간에 차이가 날 것으로 예상하였으며 Faecalibacterium에 속하는 OTU들간의 관계를 multiple sequence alignment방법으로 분석하여 보았더니 Faecalibacterium은 총 7개의 cluster로 구성되어 있는 것을 알아내었고 이중 6번 cluster (FC06)이 아토피 피부염 환자의 장내세균군집에서 현저히 증가되어 있는 것을 찾아내었다. 이 FC06은 다른 Faecalibacterium과는 다른 특이한 16S rRNA 유전자의 V1부위 염기서열을 가지고 있으며 지금까지 그 genome이 알려진 5 strain의 Faecalibacterium중 F. prausnitzii L2-6 만이 FC06에 속하는 것으로 나타났다. 이 L2-6는 다른 Faecalibacterium들이 가지고 있지 않는 특이적인 유전자들을 많이 가지고 있으며 실제 이들 유전자들을 아토피 피부염 환자들의 장내세균군집에 많이 존재하는 것으로 나타났다. FC06 특이적인 대사 기능으로는 여러 금속물질 (iron (III), zinc, nickel)을 미생물 내로 이동시키는데 필요한 ABC transporter들과 citrate fermentation에 필수적인 citrate lyase 유전자들, Fe-S cluster assembly 단백질을 만드는데 필요한 유전자들, N-acetylgalactosamine을 미생물내로 가지고 오는데 필요한 PTS system과 그와 관련된 galactose metabolism에 속하는 유전자들이 FC06이 다른 Faecalibacterium과는 다르게 가지고 있는 것으로 나타났고 Histidine biosynthesis에 필요한 여러 가지 유전자들이 FC06이 다른 Faecalibacterium과는 다르게 가지고 있지 않은 것으로 나타났다. 이러한 FC06이 대한민국이 아닌 다른 나라의 장내세균군집에서 어떠한 분포를 나타내는지를 알아보기 위하여 2010년에 발표된 원시적인 생활상을 가진 아프리카의 아이들과 유럽의 도시에서 나고 자란 아이들의 장내세균군집을 비교한 자료에서 FC06의 분포를 알아보았다. 그 결과 유럽의 아이들이 아프리카의 아이들보다 FC06을 월등히 많이 가지고 있다는 것으로 나타났으며 한국사람은 그 사이의 분포를 보이고 있었다. 이는 FC06이 서구화, 산업화된 생활양식과도 밀접한 관련이 있다는 것을 나타낸다. 우리는 이번 연구로 아토피 피부염에서 특이적으로 증대된 특정 Faecalibacterium sub-species cluster를 발견하였다. 이 아토피 피부염 특이 Faecalibacterium은 다른 Faecalibacterium과는 다른 V1부위 염기서열을 가지고 있었으며 여러 가지 metabolic function에서 차이를 보이는 것으로 나타났다. 그리고 이 아토피 피부염 특이 Faecalibacterium은 서구화된 생활양식과도 밀접한 관련이 있다는 것을 알아내었으며 이는 FC06이 아토피 피부염과 서구화된 생활양식과의 관계를 설명할 수 있는 연관고리가 될 수 있을 것으로 생각된다. 이번 연구로 장내세균 중에서 Faecalibacterium 속 내의 미생물간의 균형이 아토피 피부염과 밀접한 관련을 가진다는 것을 알아내었으며 이는 장내세균군집과 여러 염증성 질환과의 관계를 설명하는데 좋은 단서가 될 것이다.
아토피 피부염은 최근 몇 십 년간 산업화된 국가를 중심으로 전세계적으로 빠르게 증가되고 있는 염증성 질환으로서 최근 조사에 의하면 아이들의 10~20%정도가 아토피 피부염을 앓는 것으로 알려져 있다. 이 수치는 산업화되지 않은 지역과 비교하면 매우 높은 것이다. 이와 같은 차이를 설명하기 위하여 Hygiene theory나 Old friends hypothesis라는 이론이 대두되어 왔는데 이는 인간에 공생하는 미생물군집이 인간의 면역조절에 중요한 역할은 한다는 것을 전재로 하고 있다. 인간과 공생하는 미생물들 중 대부분은 장내에 존재하고 있는데 이들 장내세균은 인간의 생리에 아주 중요한 역할들을 수행하고 있으며 특히 면역시스템의 발달에 필수적인 것으로 알려져 있다. 지금까지 여러 염증성 질환이 장내세균군집과 관련이 있는 것으로 알려졌으며 아토피 피부염도 장내세균군집과 밀접한 관련이 있을 것으로 생각되고 있다. 이에 본 연구에서는 아토피 피부염 환자와 대조군 간의 장내세균군집 차이를 비교 분석하여 아토피 피부염과 장내세균군집의 관계를 알아보고자 한다. 본 연구에서는 90명의 아토피 피부염환자와 42명의 대조군에서 추출한 대변샘플을 이용하여 각각의 장내세균군집의 프로필을 알아보았다. 대변샘플에서 전체 장내세균의 DNA를 추출하였고 추출된 DNA에서 16S rRNA 유전자의 V1-V2 부분을 PCR 증폭하여 분류 표지자로 이용하였다. 증폭된 DNA는 454 FLX 기기를 이용하여 시퀀싱하였고 그 염기서열을 이용하여 각 132명의 장내세균군집의 프로필을 알아보았으며 아토피 피부염 환자와 대조군간의 차이를 비교 분석해 보았다. 기본적인 미생물 군집 분석방법인 미생물 문(門, phylum)이나 속(屬, genus)간의 차이나 다양성 분석방법 (α-diversity, β-diversity)으로는 아토피 피부염 환자와 대조군 간의 장내세균군집 차이를 발견할 수는 없었다. 하지만 머신러닝(machine learning) 분석 방법인 RFE-SVM (recursive feature elimination-support vector machine) 알고리즘을 이용하여 1세부터 5세사이의 아동의 장내세균을 비교분석 하였더니 상위 50개의 OTU(operational taxonomic unit)를 이용하여 아토피 피부염 환자와 대조군을 높은 정확도로 구분할 수 있었으며 이들 50개의 OTU중 15개는 Faecalibacterium에 속하는 OTU로 나타났다. 그리하여 특정 Faecalibacterium에서 아토피 피부염 환자와 대조군간에 차이가 날 것으로 예상하였으며 Faecalibacterium에 속하는 OTU들간의 관계를 multiple sequence alignment방법으로 분석하여 보았더니 Faecalibacterium은 총 7개의 cluster로 구성되어 있는 것을 알아내었고 이중 6번 cluster (FC06)이 아토피 피부염 환자의 장내세균군집에서 현저히 증가되어 있는 것을 찾아내었다. 이 FC06은 다른 Faecalibacterium과는 다른 특이한 16S rRNA 유전자의 V1부위 염기서열을 가지고 있으며 지금까지 그 genome이 알려진 5 strain의 Faecalibacterium중 F. prausnitzii L2-6 만이 FC06에 속하는 것으로 나타났다. 이 L2-6는 다른 Faecalibacterium들이 가지고 있지 않는 특이적인 유전자들을 많이 가지고 있으며 실제 이들 유전자들을 아토피 피부염 환자들의 장내세균군집에 많이 존재하는 것으로 나타났다. FC06 특이적인 대사 기능으로는 여러 금속물질 (iron (III), zinc, nickel)을 미생물 내로 이동시키는데 필요한 ABC transporter들과 citrate fermentation에 필수적인 citrate lyase 유전자들, Fe-S cluster assembly 단백질을 만드는데 필요한 유전자들, N-acetylgalactosamine을 미생물내로 가지고 오는데 필요한 PTS system과 그와 관련된 galactose metabolism에 속하는 유전자들이 FC06이 다른 Faecalibacterium과는 다르게 가지고 있는 것으로 나타났고 Histidine biosynthesis에 필요한 여러 가지 유전자들이 FC06이 다른 Faecalibacterium과는 다르게 가지고 있지 않은 것으로 나타났다. 이러한 FC06이 대한민국이 아닌 다른 나라의 장내세균군집에서 어떠한 분포를 나타내는지를 알아보기 위하여 2010년에 발표된 원시적인 생활상을 가진 아프리카의 아이들과 유럽의 도시에서 나고 자란 아이들의 장내세균군집을 비교한 자료에서 FC06의 분포를 알아보았다. 그 결과 유럽의 아이들이 아프리카의 아이들보다 FC06을 월등히 많이 가지고 있다는 것으로 나타났으며 한국사람은 그 사이의 분포를 보이고 있었다. 이는 FC06이 서구화, 산업화된 생활양식과도 밀접한 관련이 있다는 것을 나타낸다. 우리는 이번 연구로 아토피 피부염에서 특이적으로 증대된 특정 Faecalibacterium sub-species cluster를 발견하였다. 이 아토피 피부염 특이 Faecalibacterium은 다른 Faecalibacterium과는 다른 V1부위 염기서열을 가지고 있었으며 여러 가지 metabolic function에서 차이를 보이는 것으로 나타났다. 그리고 이 아토피 피부염 특이 Faecalibacterium은 서구화된 생활양식과도 밀접한 관련이 있다는 것을 알아내었으며 이는 FC06이 아토피 피부염과 서구화된 생활양식과의 관계를 설명할 수 있는 연관고리가 될 수 있을 것으로 생각된다. 이번 연구로 장내세균 중에서 Faecalibacterium 속 내의 미생물간의 균형이 아토피 피부염과 밀접한 관련을 가진다는 것을 알아내었으며 이는 장내세균군집과 여러 염증성 질환과의 관계를 설명하는데 좋은 단서가 될 것이다.
The prevalence of atopic dermatitis has considerably increased over the last few decades in westernized countries. The microbiota in the human gastrointestinal tract exerts important influences on the development of the host immune system and is also considered to be relevant with the development of...
The prevalence of atopic dermatitis has considerably increased over the last few decades in westernized countries. The microbiota in the human gastrointestinal tract exerts important influences on the development of the host immune system and is also considered to be relevant with the development of atopic dermatitis. In order to investigate the dysbiosis pattern of gut microbiota in atopic dermatitis, we compared the gut microbiota composition between patients with atopic dermatitis and healthy controls using 16S rRNA-based community profiling. Whereas we could not find any differences between AD patients and healthy controls using traditional methods (differences at phylum or genus level, differences in α- and β-diversity), RFE-SVM model could discriminate the AD patients from controls with high accuracy. We found that the overpopulation of specific sub-species cluster in Faecalibacterium prausnitzii (FC06) is associated with atopic dermatitis. One of the five F. prausnitzii strains, 16S rRNA sequence of F. prausnitzii L2-6 was matched with the FC06. To figure out metabolic characteristics of this FC06, we analyzed the metagenome shotgun sequences of AD patients and healthy controls and revealed that the most unique genes of F. prausnitzii L2-6 genome were enriched in gut metagenome of AD patients. The FC06 has distinctive gene contents encoding several important metabolic functions which were not harbored in the other genomes of F. prausnitzii strains including citrate fermentation, iron (III) ABC transport system, zinc ABC transport system, Fe-S cluster biogenesis and galactose metabolism (with PTS system for GalNAc). On the other hand, the FC06 loses some important functions that used in histidine synthesis pathway. Our findings suggest that the bias of specific cluster of Faecalibacterium may be derived from westernized lifestyle and this bias can be associated with the development of atopic dermatitis or other immune disorders.
The prevalence of atopic dermatitis has considerably increased over the last few decades in westernized countries. The microbiota in the human gastrointestinal tract exerts important influences on the development of the host immune system and is also considered to be relevant with the development of atopic dermatitis. In order to investigate the dysbiosis pattern of gut microbiota in atopic dermatitis, we compared the gut microbiota composition between patients with atopic dermatitis and healthy controls using 16S rRNA-based community profiling. Whereas we could not find any differences between AD patients and healthy controls using traditional methods (differences at phylum or genus level, differences in α- and β-diversity), RFE-SVM model could discriminate the AD patients from controls with high accuracy. We found that the overpopulation of specific sub-species cluster in Faecalibacterium prausnitzii (FC06) is associated with atopic dermatitis. One of the five F. prausnitzii strains, 16S rRNA sequence of F. prausnitzii L2-6 was matched with the FC06. To figure out metabolic characteristics of this FC06, we analyzed the metagenome shotgun sequences of AD patients and healthy controls and revealed that the most unique genes of F. prausnitzii L2-6 genome were enriched in gut metagenome of AD patients. The FC06 has distinctive gene contents encoding several important metabolic functions which were not harbored in the other genomes of F. prausnitzii strains including citrate fermentation, iron (III) ABC transport system, zinc ABC transport system, Fe-S cluster biogenesis and galactose metabolism (with PTS system for GalNAc). On the other hand, the FC06 loses some important functions that used in histidine synthesis pathway. Our findings suggest that the bias of specific cluster of Faecalibacterium may be derived from westernized lifestyle and this bias can be associated with the development of atopic dermatitis or other immune disorders.
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