Analysis of the Mitochondrial Genome and Anthelmintic Resistance-Associated Genes of Trichuris trichiura from South Korea = 국내 편충의 미토콘드리아 유전체 및 구충제 저항성 관련 유전자 분석

국문 초록 (Abstract)

인간 편충(Trichuris trichiura)은 전 세계적으로 구충제 투여가 광범위하게 시행되고 있음에도 불구하고 여전히 지속적인 감염을 유발하는 토양매개성 장내 기생충이다. 국내에서도 산발적인 감염 사례가 보고되고 있어, 기생충의 유전적 다양성과 약제 내성 가능성을 이해하기 위한 분자 역학적 감시가 필요하다. 본 연구에서는 2020년부터 2025년까지 국내 환자에게서 채집된 T. trichiura 개체의 미토콘드리아 유전체와 항구충제 표적 유전자인 β-tubulin 유전자를 분석하여, 계통유전학적 관계를 규명하고 벤즈이미다졸계 약물 내성과 관련된 분자적 표지를 탐색하였다. Oxford Nanopore 롱리드 시퀀싱을 이용하여 세 개의 완전한 미토콘드리아 유전체—TTK1(ON646012), TTK2(ON711246), TTK3(ON682760)—를 조립하였으며(14.4–14.5 kb, AT 함량 약 69%), 숏리드 기반 분석에서는 단편화되기 쉬운 고반복 AT 풍부 영역을 명확히 해석할 수 있었다. 미토콘드리아 유전자의 계통분석(cox1, rrnL, nd1 기준)은 국내 편충이 동아시아 계통군에 속하며 중국 및 우간다의 인체 유래 계통과 밀접한 연관성을 가짐을 보여주었다. 보완적인 ITS2 분석에서는 한국 개체들이 단일계통(monophyletic) 군집을 형성하였고, 코트디부아르 유래 T. incognita 일부 염기서열이 해당 군집 내에 위치하여 불완전한 계통 분리 또는 숙주 관련 분화의 가능성을 시사하였다. 18개의 한국 편충 샘플의 β-tubulin 유전자 분석 결과, 총 244개의 변이(이 중 2개는 비동의적 변이 G308W 및 A352D)가 확인되었으나, 알려진 내성 관련 변이(F167Y, E198A, F200Y)는 검출되지 않았다. 알벤다졸 옥사이드, 메벤다졸, 옥펜다졸을 대상으로 한 단백질-리간드 도킹 시뮬레이션에서 야생형 및 변이형 β-tubulin 모두 유사한 결합 친화도(−5.3 ~ −6.7 kcal/mol)를 보였으며, 관찰된 변이가 약물 결합에 실질적인 영향을 미치지 않음을 확인하였다. 이상의 결과는 한국 T. trichiura의 미토콘드리아 및 β-tubulin 유전적 특성을 규명하였으며, 현재의 벤즈이미다졸계 약물 효능이 유지되고 있음을 시사한다. 또한 향후 약제 내성 감시와 분자진단기술 개발을 위한 기초 유전체 자료를 제공하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Trichuris trichiura remains one of the most persistent soil-transmitted helminths despite decades of global mass drug administration. Although South Korea achieved remarkable nationwide control of helminthiases, sporadic whipworm infections continue to be identified, highlighting the need for high-resolution genomic surveillance. This study characterized mitochondrial genomes and the full-length β-tubulin gene of T. trichiura collected from Korean patients (2020–2025) to examine lineage origins, population structure, and potential benzimidazole resistance markers.
Using Oxford Nanopore long-read sequencing, three complete mitochondrial genomes—TTK1 (ON646012), TTK2 (ON711246), and TTK3 (ON682760)—were assembled (14.49–14.51 kb; ~69% AT), fully resolving long repetitive AT-rich regions that are typically truncated in short-read datasets. Mitochondrial phylogenies (cox1, rrnL, nd1) consistently placed the Korean isolates within the East Asian T. trichiura lineage, clustering with Chinese and Japanese references while showing broader connections to African human-derived sequences. Complementary ITS2 analysis confirmed the species identity of the Korean isolates but also revealed that several T. incognita sequences from Côte d'Ivoire nested within the T. trichiura clade, suggesting incomplete lineage sorting or recent introgression among human- and non-human–associated Trichuris lineages.
Whole-gene β-tubulin sequencing of 18 Korean isolates identified 244 variants, including two nonsynonymous substitutions (G308W, A352D). Notably, none of the canonical benzimidazole-resistance mutations (F167Y, E198A, F200Y) were detected. Structural modeling and docking of albendazole oxide, mebendazole, and oxfendazole against wild-type and mutant β-tubulin showed consistent binding affinities (–5.3 to –6.7 kcal/mol) across all variants, indicating that the newly observed substitutions do not measurably disrupt benzimidazole-binding interactions.
Together, these findings provide the first integrated mitochondrial and nuclear genomic baseline for T. trichiura in South Korea. The results support the continued efficacy of benzimidazoles against Korean whipworm populations, clarify the evolutionary context of local infections, and establish a framework for future genomic surveillance and resistance monitoring in low-transmission settings.

목차 (Table of Contents)

• Abstract i
• Contents iii
• List of Figures iv
• List of Tables vi
• List of Abbreviations vii
• Introduction 1
• Materials and Methods 7
• Results
• Study I: Analysis of the Mitochondrial Genome 14
• Study II: Analysis of Anthelmintic Resistance-Associated Genes 27
• Discussion 54
• References 59
• Abstract in Korean 67