Dongwoo Shin Department of Molecular Cell Biology Sungkyunkwan University School of Medicine

1. Enterobacteriaceae 장내세균과 세균 Dongwoo Shin Department of Molecular Cell Biology Sungkyunkwan University School of Medicine Rm 6115, e-mail: dshin@med.skku.ac.kr

2. Enterobacteriaceae • Enterobacteriaceae (장내세균과 세균) • 의학적으로 중요한 가장 큰 세균의 과 • 40개 속(genera) 150여 종(species) 중 20여 종들이 전체 장내세균 감염병의 95%를 일으킴 • 토양, 물, 초목 등에 서식 할 수 있으며 사람을 비롯한 대부분 동물의 장내 정상 균총(normal intestinal flora) • 전체 패혈증(septicemia)의 30~35%, 요로 감염(UTI)의 70% 이상의 원인, 다수의 장내감염

3. Enterobacteriaceae • 장내세균과 전형적 병원균 (Classical pathogen): Salmonella Typhi (장티푸스균), Shigella (이질균), Yersinia pestis 기회감염균 (Opportunistic pathogen): E. coli (대장균), Klebsiella pneumoniae (폐렴막대균) 병원성 유전자가 도입된 정상 공생균: Pathogenic E. coli (병원성 대장균) • 장내세균 감염 - 동물 병원소 (animal reservoir)나 사람 보균자로부터 전염되거나 감수성 환자의 체내에서 내인성으로 전파되어 거의 모든 인체 장기를 침범

4. Enterobacteriaceae • 장내세균 감염부위

5. Enterobacteriaceae 1. 구조와 생리 (Structure and Physiology) • Gram (-)막대균, 0.3~1.0×1.0~6.0 µm • 공통항원 (enterobacterial common antigen)으로 편모 (flagella)를 가짐 → 운동성 (motility) • 포자를 형성 하지 않음 • 통성혐기성균 (facultative anaerobe) • 포도당 (glucose) 발효 • 질산염 (nitrate) 환원 • Catalase 양성, oxidase 음성

6. Enterobacteriaceae • Lipopolysacchride (LPS) • 주요 세포벽 항원으로서 장내세균의 중요한 발병인자 • Somatic O polysacchride + Core polysaccharide + Lipid A

7. Enterobacteriaceae • 장내세균의 혈청학적 분류 (serologic classification) • Somatic O antigen, capsule (협막) K antigen, flagella (편모) H antigen을 기초로 분류 e.g. 장출혈성 대장균 (Enterohemorrhagic E. coli): E. coli O157:H7

8. Enterobacteriaceae 2. 병인 (Pathogenesis): Common virulence factors • 내독소 (endotoxin) • 모든 그람 음성균에서 발병인자로 작용 • 균체의 파괴 → Lipid A of LPS • 전신감염 (systemic infection) : 발열, 보체 활성화, 사이토카인 방출, 백혈구 증가증, 혈소판감소증, 파종혈관내 응고, 저혈압, 쇼크, 사망

9. What is virulence (pathogenicity)? • -The capacity of a pathogen to cause damage or disease in the host • -Virulence factors: Cell wall components, DNA, Proteins

10. Virulence factors: Various proteins with different functions

11. Enterobacteriaceae • 장독소 (Enterotoxin) • 균체 밖으로 분비되는 단백질 • 협막 (Capsule) • 포식세포 (macrophage)의 포식 작용으로부터 보호 • Antibody의 결합 방해 • 항원의 변이 (Antigenic phase variation) • 유전자 발현 조절 작용에 의해 K antigen, H antigen을 변형 (alternative or no expression)

12. Enterobacteriaceae • Type III secretion system (TTSS) • 세균의 pathogenicity island (PAI)에서 발현되는 단백질 분비 시스템; pathogenic E. coli, Salmonella, Yersinia

13. Enterobacteriaceae • Growth factor의 포획 • e.g. Siderophore를 이용하여 철 이온 획득 • 혈청살균작용에 대한 저항성 (Resistance to serum killing) • 항생제 내성 (Antimicrobial resistance) • Plasmid 등에 의해 다른 종, 속 간에 전파 • LPS modification

14. Escherichia coli (대장균) • 병원성 대장균 (Pathogenic E. coli) E. coli K-12 (비병원성, 정상균총) 병원성 유전자 (Virulence genes) 수평전달 (Horizontal gene transfer) Pathogenic E. coli 한 가지 균종이 다양한 질병을 일으킴: 장염 (gastroenteritis), 패혈증 (sepsis), 요로감염 (UTI), 뇌수막염 (meningitis)

16. Escherichia coli (대장균) 1. 병인 (Pathogenesis) • 부착소 (Adhesins) • 장관이나 요로점막의 상피 세포에 부착 • Colonizition factor antigen: CFA/I, CFA/II, CFA/III • Aggregative adherence fimbriae: AAF/I, AAF/II • 외독소 (Exotoxins) • Shiga toxin: Stx-1, Stx-2 • 열저항성 독소: STa, STb • 열민감성 독소: LT-I, LT-II • 용혈소: HlyA

17. Escherichia coli (대장균) 2. 역학 (Epidemiology) • G(-) 세균 중 패혈증 환자에서 가장 많이 분리 (아래 그림) • 요로감염의 80% 이상을 차지 • 장염 (gastroenteritis) • 주로 내인성으로 발병 (신생아 수막염, 장염 제외)

18. Escherichia coli (대장균) 3. 임상 특성 (Clinical diseases) • 장염 (Gastroenteritis) (1) Enteropathogenic E. coli (EPEC) • 유아 설사의 주요 원인균 • 소장 상피세포에 흡착 (attachment) → 미세융모 (microvilli) 파괴 (effacement) → A/E histopathology • 미세융모 파괴 → 흡수장애로 인한 수양성 설사 (watery diarrhea)

19. [참고] Generation of pedestals by EPEC and EHEC

20. Escherichia coli (대장균) (2) Enterotoxigenic E. coli (ETEC) • 유아 설사, 개발도상국의 여행자 설사 • 분변에 오염된 음식이나 물을 섭취함으로써 감염 • 장독소 생산: 열민감성 독소 (LT-I, LT-II), 열저항성 독소 (STa, STb) • LT-I: 콜레라 독소와 유사, 장상피세포의 cAMP 증가 → 전해질과 수분의 장관 내 분비 → 수양성 설사 • STa: cGMP 농도를 증가 시켜 체액의 과분비 • 전파 가능한 plasmid: • 독소생산 유전자 • Colonization factor adhesins (CFA/I, CFA/II, CFA/III) 유전자

21. Escherichia coli (대장균) (3) Enterohemorrhagic E. coli (EHEC) • 오염된 덜 익힌 육류, 물, 살균처리 되지 않은 우유 및 과일 쥬스, 익히지 않은 채소 섭취를 통해 감염 • 100개 이하의 개체에 의해서도 질병이 나타남 • 가벼운 설사 / 출혈성 장염, 용혈요독증후군 (Hemolytic Uremic Syndrome, HUS) • 3~4일 정도의 잠복기 → 초기증상: 혈변 없는 설사, 복통, 구토 • 10세 이하의 어린이의 5~10%에서 HUS 발생 (치사율 5%) • E. coli O157:H7 • Attaching and effacing activity • Shiga toxin (Stx-1, Stx-2): • Produced from lysogenic phages • Stx-2: 사구체 혈관내피세포 파괴

22. Escherichia coli (대장균) (4) Enteroinvasive E. coli (EIEC) • Shigella와 거의 동일한 발병 기전 • 장 상피세포를 침투하여 파괴 → 수양성 설사 • pInv plasmid에서 생산되는 단백질 (5) Enteroaggregative E. coli (EAEC) • 개발도상국 영아의 지속적 수양성 설사의 원인균 • Plasmid에서 aggregative adherence fimbriae I, III (AAF/I, AAF/II) 생산 → stacked brick 형태의 자가 응집 • 소장 상피세포에 biofilm형성

23. Escherichia coli (대장균) • Extraintestinal Infections (1) 요로감염 (Urinary tract infection, UTI) • 대장에서 유래한 대장균이 요도를 오염시키고 방광으로 거슬러 올라가면서 전립선이나 신장으로 이동 • 대부분의 대장균이 UTI를 일으키지만, 주된 특정 serogroup이 존재(Uropathogenic E. coli, UPEC) • UPEC • 부착소 (Adhesins): P pili, AAF/I, AAF/III →방광이나 상부 비뇨기의 내벽에 결합 • HlyA (hemolysin): lysis of erythrocytes and other cell types

25. Escherichia coli (대장균) (2) 신생아 뇌막염 (Neonatal meningitis) • -생후 1개월 이하의 신생아에서 중추신경계 (CNS)를 감염: 뇌막염의 가장 주된 그람 음성 세균 • - 치사율 ~40%, 회복 후에도 심각한 후유증 • 주로 K1 capsular antigen을 갖는 대장균: Neonatal meningitis E. coli (NMEC), a common inhabitant of GI tract • Complex pathogenesis: NMEC, acquired perinatally from the mother, enters the bloodstream through the intestine → cross the blood-brain barrier into the CNS → meningeal inflammation

26. Pathogenic Mechanisms of NMEC

27. Escherichia coli (대장균) (3) 패혈증 (Septicemia) • 요로 또는 위장관 감염 (e.g. 장천공에 의한 복강 내 감염)에서 유래 • 면역장애가 있거나 복강이나 중추신경계에 1차 감염이 있는 사람에서 사망률이 매우 높음