연세대 이인석 교수팀, 인체 장내 미생물 ‘지도’ 완성

▲HRGM 기반 대사모델(GEM) 설명 자료. 사진=연세대학교

연세대학교 생명시스템대학 이인석 교수 연구팀이 인간 장내에 서식하는 총 4824종의 미생물에서 확보한 15만여개의 고품질 유전체를 포함하는 '인체 장내 마이크로바이옴 참조유전체(HRGM)'를 구축했다.

장내 마이크로바이옴은 인체 대사, 면역, 신경계 등 다양한 생리 과정에 관여하지만, 이를 정밀하게 이해하기 위해서는 다양한 인구집단을 아우르는 고품질 참조 유전체 카탈로그가 필수적이다.

그러나 기존 장내 미생물 참조 유전체 자원은 서구권 중심, 제한된 지리적 편중, 낮은 품질의 유전체 비율 등으로 인해 분석 결과가 부정확하거나 편향이 발생할 수 있다는 한계를 지녔다.

연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 기존 참조 유전체 카탈로그에 포함되지 않았던 국가들의 데이터를 추가해 총 41개국의 장내 메타게놈 데이터를 통합 분석했다. 이를 통해 4824개 종을 아우르는 15만 개 이상의 고품질 참조 유전체를 확보하는 데 성공했다.

기존 인간 장내 미생물 참조 유전체 카탈로그는 유전체 완전성이 낮거나 오염도가 높은 유전체가 다수 포함되어 있어, 게놈 규모 대사모델 구축이나 세밀한 기능 분석에 제약이 있었다.

반면 이번 연구는 완전성 90% 이상, 오염도 5% 이하의 고품질 기준을 만족하는 유전체만으로 카탈로그를 구성해 기존 저품질 유전체 기반 분석에서 발생하던 오류를 바로잡고, 동일 종 내에서도 서구인과 비서구인 간에 유전적으로 구분되는 집단이 다수 존재함을 밝혔다. 또한 이러한 분리가 각 집단의 식생활 차이가 반영된 장내 환경에 특이적인 진화를 기반으로 함을 제안했다.

연구팀은 고품질 참조 유전체 카탈로그를 바탕으로 게놈 규모 대사모델(GEM)을 구축해 장내 미생물의 대사 능력을 정량적으로 예측할 수 있는 분석 프레임워크를 제시했다.

이를 통해 장내 마이크로바이옴에서 가장 풍부한 1000종 간의 대사적 협력 및 경쟁 관계를 지도화하고, 대사적 불완전성 때문에 집단 서식이 필수적인 인체 공생미생물들의 대사적 상호작용 네트워크를 구축하는 데 성공했다.

아울러 해당 네트워크를 활용해 염증성 장질환과 대장암에 관련된 장내 미생물들이 질환 특이적인 대사 네트워크를 보유하고 있음을 규명했다. 이러한 연구 결과는 HRGM이 향후 장내 미생물의 정밀 기능 예측과 대사 네트워크 분석을 가능하게 하는 핵심 자원임을 보여준다.

이인석 연세대 교수는 “인체 마이크로바이옴을 진정한 우리의 두 번째 게놈으로 연구하기 위해서는 미생물 관점을 넘어 고도화된 유전체 정보 분석 기술의 적용이 필요한 단계이며, 이를 위한 필수 요소가 바로 참조 마이크로바이옴 유전체"라며 “유전체는 모든 생체분자와 기능의 청사진을 담고 있어 이를 정밀하게 분석하면 마이크로바이옴과 질환 간의 연관성에 대한 방대한 정보를 얻을 수 있을 것으로 기대한다"고 말했다.

이어 “이번 장내 유전체 카탈로그와 대사모델 자원은 향후 정밀 영양의학, 대사질환 예측, 마이크로바이옴 기반 치료제 개발 등 다양한 분야에서 공용 인프라로 활용될 것"이라고 강조했다.

이번 연구는 한국연구재단 중견연구자지원사업과 구강마이크로바이옴 연구센터(K-OMRC)의 지원으로 수행됐으며, 연구 결과는 미생물학 분야의 세계적 권위지인 '네이처 마이크로바이올로지'에 12월 4일 온라인 게재됐다.

연구에는 생명공학과 마준영 박사과정생과 김나연 박사가 공동 제1저자로 참여했으며, 세브란스의 이용호·김한상·한윤대·용동은 교수가 공저자로 참여했다.

박주성 기자 wn107@ekn.kr