성인과 노인 천식 환자의 상기도 마이크로바이옴 연구 = Study of upper airway microbiome in adult and elderly with asthma

국문 초록 (Abstract)

천식은 폐의 가장 흔한 염증성 질환이다. 천식은 다양한 특징을 가진 질병으로 연령에 따라 차이가 존재한다. 천식의 원인은 다 요인적이며 환경적, 숙주의 면역학적 및 유전인자를 포함한다. 천식은 쌕쌕거림, 호흡 곤란, 흉부 압박감 및 기침과 같은 호흡기 증상의 과거력과 시간 및 강도에 따라 다양하며, 다양한 호흡 기류 제한과 운동 및 흡입 자극제와 같은 다양한 자극에 대한 기도 과민 반응을 수반한다. 최근 연구에서 건강한 사람과 천식 환자의 폐 미생물 사이에 차이가 존재한다고 제안되었다. 이전에는 호흡기에 미생물이 존재하지 않는 것으로 여겨졌는데, 많은 연구자들이 건강한 사람의 호흡기에서 미생물 DNA를 검출하였다. 최근에 상기도에 미생물 차이가 천식과 관련있다는 보고가 있었다. 따라서, 우리는 성인과 노인을 대상으로 건강한 그룹과 천식 환자 사이에 존재하는 상기도 미생물을 분석하였다. 성인 정상인 10 명, 성인 천식 환자 30 명과 노인 정상인 10 명, 노인 천식 환자 29 명으로부터 비 인두 샘플은 454 GS FLX Titanium pyrosequencing 장비를 사용하여 분석되었다. 추가적으로, 성인 정상인 6 명, 성인 천식 환자 6 명과 노인 정상인 6 명, 노인 천식 환자 6 명에 대한 미생물의 잠재적 기능성 유전자 차이를 Illumina Hiseq 2500 sequencing을 이용하여 분석하였다. 성인과 노인 그룹 안에서 Actinobacteria, Firmicutes, Proteobacteria, Bacteroidetes 는 가장 우점하는 문 (Phylum)으로 확인되었다. 성인과 노인 그룹 간에 중요한 차이가 확인되었는데, Staphylococcus, Propionibacterium, Uncultured Corynebacteriales, Finegoldia 속은 성인 그룹에서 높게 확인되었다. Uncultured Corynebacteriales 의 경우 성인 천식 환자에서 감소하였고, Moraxella의 경우 노인 천식 환자 안에서 감소하였다. 성인 천식과 관련이 있는 잠재적 미생물 기능성 유전자는 ABC transpoters와 pentose phosphate pathway이고, 성인 정상군과 관련이 있는 잠재적 미생물 기능성 유전자는 peroxisome proliferator-activated receptors(PPAR) signaling pathway, phospholipase D signaling pathway, arachidonic acid metabolism을 포함하는 것으로 확인되었다. 성인과 노인 간에 미생물의 군집 구성과 기능성 유전자는 중요한 차이를 보였다. 또한, 성인과 노인의 정상인과 천식 환자에서 상기도의 미생물의 차이는 이 질환의 면역학적 특징과 관련이 있다. 확인된 특정 차이점은 천식 치료 또는 예방에 대한 향후 접근이 가능한 미생물을 제안한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Asthma is a very common inflammatory disease of the lungs. The causes of asthma are multifactorial and include a complex mix of environmental, immunological and host genetic factors. Asthma involves a history of respiratory symptoms . including wheeze, shortness of breath, chest tightness and cough . that vary over time and in intensity, variable expiratory airflow limitation and airway hyper-responsiveness to a range of stimuli, such as exercise and inhaled irritants. Recent studies demonstrate differences between the lung microbiomes of healthy and asthmatic subjects. Lung has been considered as sterile for a long time, however, numerous Studies reported that a lot of microbes presents in the respiratory tract of healthy individuals. Recently, compositional differences in the upper airway microbiota have been associated with asthma. Therefore, i analyzed the composition of upper airway microbiota differs between asthmatic patient and healthy in adult and elderly. The microbiota in nasopharyngel samples from 10 adult control subjects, 30 adult asthmatic patients and 10 elderly control subjects, 29 elderly asthmatic patients were analyzed using 454 GS FLX Titanium pyrosequencing. In addition, the potential functional gene changes of the microbiota from 6 adult control subjects, 6 adult asthmatic patients and 6 elderly control subjects, 6 elderly asthmatic patients were analyzed using Illumina Hiseq 2500 sequencing. Actinobacteria, Firmicutes, Proteobacteria, Bacteroidetes were the predominant phylum in adult and elderly. The airway microbiome differed significantly among the adult and elderly. Staphylococcus, Propionibacterium, Uncultured Corynebacteriales, Finegoldia were higher in adult group than elderly group. The relative abundances of Uncultured Corynebacteriales were lower in adult sthmatic patients than adult control, and the relative abundances of Moraxella were lower in elderly asthmatic patients than elderly control. Functional genes related to ABC transporters and pentose phosphate pathway were higher in adult asthmatic patients, whereas genes related to peroxisome proliferator-activated receptors (PPAR) signaling pathway, phospholipase D signaling pathway, arachidonic acid metabolism were higher in healthy subjects of adults. The composition and functional gens profiles of the microbiota differed significantly among the adult and elderly. Even in asthmatic patients and control subjects of adult and elderly, differences in the airway microbiome are associated with immunologic features of the disease. The specific differences identified suggest possible microbiome for future approaches to asthma treatment or prevention.
Keyword: Metagenome; Asthma; Adult; Elderly; Microbiota

목차 (Table of Contents)

• 목차 1
• Table LIST 2
• FIGURE LIST 3
• ABSTRACT 4
• Ⅰ.서론 6
• 1. 천식의 특징 6
• 2. DNA 염기서열 분석 기술 8
• 3. 기도마이크로바이옴의 특징 10
• Ⅱ.재료 및 방법 13
• 1. 연구 집단 및 시료 채취 13
• 2. 메타게놈 DNA 추출과 16S rRNA 유전자 중합효소 연쇄반응 13
• 3. 454 pyrosequencing과 메타게놈 샷건 염기서열 분석 14
• 4. Data Processing과 분석 16
• 5. 통계 분석 17
• Ⅲ. 결과 18
• 1. 연구 그룹 특징 18
• 2. 성인과 노인의 상기도 마이크로바이옴 비교 20
• 3. 성인 정상군과 천식 환자의 상기도 마이크로바이옴 비교 분석 30
• 4. 노인 정상군과 천식 환자의 상기도 마이크로바이옴 비교 분석 35
• 5. 정상군과 천식 환자의 마이크로바이옴 기능성 유전자 비교 분석 41
• Ⅳ.고찰 52
• Ⅴ.참고문헌 57