Enterobacteriaceae 장내세균과 세균 Dongwoo Shin Department of Molecular Cell Biology Sungkyunkwan University School of Medicine Rm 6115, e-mail: dshin@med.skku.ac.kr Hello everyone. I am Dongwoo Shin~ This lecture will take~. As you might imagine from the title of this lecture, I am working on bacteria, especially a human pathogen Salmonella. Thus,today, I am going to talk about gene expression progams that are importatn for Salmonella virulence.

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

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

Enterobacteriaceae 장내세균 감염부위

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

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

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

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

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

Virulence factors: Various proteins with different functions

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)

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

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

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)

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

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)

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)

[참고] Generation of pedestals by EPEC and EHEC

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

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

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 biofilm 형성

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

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

Pathogenic Mechanisms of NMEC

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