Association between the presence of CRISPR-Cas system genes and antibiotic resistance in Klebsiella pneumoniae - CRISPR-Cas 유전자 존재와 항생제 내성 간의 상관성 분석

14min-ag0 2025. 4. 27.

본 리뷰는 2024년 BMC Infectious Diseases에 게재된 논문을 바탕으로, 중동 지역 병원 감염의 주요 원인균 중 하나인 Klebsiella pneumoniae의 임상 분리주에서 CRISPR-Cas 시스템의 존재 유무가 항생제 내성과 어떤 관련이 있는지를 분석한 연구 내용을 소개한다. CRISPR-Cas 시스템은 외부 유전자의 침입을 방어하는 세균의 적응 면역 체계로 알려져 있으며, 항생제 내성 유전자 전달에 관여하는 플라스미드의 안정성에도 영향을 미치는 것으로 알려져 있다. 이 연구에서는 cas1, cas3 및 CRISPR1~3 유전자 검출과 함께 ESBL 및 카바페넴 내성 여부를 검사하여 상호 관계를 통계적으로 분석하였다. 결과적으로, CRISPR/Cas 시스템이 존재하는 K. pneumoniae는 그렇지 않은 균주보다 항생제에 덜 저항적이며, MDR, XDR, PDR 균주의 다수는 CRISPR/Cas 시스템이 결핍된 상태임이 밝혀졌다. 이는 CRISPR 시스템이 항생제 내성 유전자의 획득을 억제할 수 있음을 시사한다.

연구 배경 및 중요성

Klebsiella pneumoniae는 병원 내 감염을 유발하는 주요 세균 중 하나로, 다양한 항생제에 대한 다제내성(MDR), 광범위내성(XDR), 전반적 내성(PDR)을 가진 균주들이 보고되고 있다. 이러한 내성 균주는 기존 치료제를 무력화시키며, 환자의 치료 실패 및 사망률을 증가시키는 주요 요인이 된다. 최근 CRISPR-Cas 시스템이 세균의 외부 유전자 흡수, 특히 내성 유전자의 획득을 방해하는 역할을 할 수 있다는 연구 결과들이 발표되며, 그 기능적 역할에 대한 관심이 높아지고 있다. 하지만 이러한 상관관계는 아직 확실히 규명되지 않았으며, 특히 중동 지역의 임상 균주에 대한 연구는 부족한 상황이다.

연구 목적 및 배경

본 연구는 이란 아흐바즈 지역의 4개 주요 교육 병원에서 분리된 임상 K. pneumoniae 균주를 대상으로 CRISPR-Cas 시스템 유전자의 존재 빈도를 조사하고, 이와 항생제 내성 간의 상관관계를 분석하는 것을 주요 목적으로 한다. 연구팀은 cas1, cas3 유전자와 I-E 및 I-E* 하위형에 속하는 CRISPR1, CRISPR2, CRISPR3 유전자를 PCR로 확인하였으며, 이들 유전자가 내성 유전자의 존재 및 항생제 감수성과 어떤 연관이 있는지를 통계적으로 분석하였다.

연구 방법

2021년부터 2023년까지 이란 아흐바즈 지역 병원에서 106개의 K. pneumoniae 임상 균주 채취
생화학적 검사 및 PCR로 K. pneumoniae 확인
Kirby-Bauer 디스크 확산법 및 E-test를 통한 항생제 감수성 검사
ESBL 및 carbapenemase 생성 여부 이중디스크 검사와 mCIM 테스트로 확인
CRISPR/Cas 유전자 (cas1, cas3, CRISPR1~3) 검출을 위한 PCR 수행
통계적 분석은 SPSS를 사용하고, Pearson 카이제곱 및 Fisher 정확 검정 적용

연구는 비반복성 임상 샘플을 기반으로 크로스섹션 방식으로 진행되었으며, 균주 분리 후 PCR 기반 유전자 검출 및 표준화된 감수성 시험으로 항생제 반응을 측정하였다.

주요 발견 및 결과

총 106개의 균주 중 53.7%가 CRISPR/Cas 시스템을 보유하지 않았으며, 46.2%는 carbapenemase를, 19.8%는 ESBL을 생성하였다. CRISPR/Cas 시스템이 존재하는 균주는 항생제 감수성이 높은 경향을 보였으며, 특히 carbapenem 계열 항생제에 대해 더 민감하였다. MDR, XDR, PDR로 분류된 균주의 다수는 CRISPR/Cas 시스템이 결핍된 상태였고, CRISPR 양성 균주는 대부분 감수성이 높았다. CRISPR1은 감수성 균주에서, CRISPR2는 내성 균주에서 높은 비율로 확인되었다.

실험 결과 요약

구분	CRISPR/Cas 양성	CRISPR/Cas 음성
총 균주 수	49 (46.2%)	57 (53.8%)
MDR 비율	63%	88%
XDR/PDR 비율	12%	8%
Carbapenemase 생성	42.8%	57.2%
ESBL 생성	4.08%	95.9%

이 결과는 CRISPR/Cas 시스템이 존재할 경우 내성 유전자 획득이 줄어들며, 감수성이 상대적으로 높음을 보여준다.

한계점 및 향후 연구 방향

이 연구는 단일 지역 병원군에서 수집된 균주를 기반으로 하며, 지역적 편향 가능성이 존재한다. 또한 CRISPR 유전자의 발현 수준이나 기능적 활성을 분석하지 않고 존재 여부만을 확인하였기 때문에, 기능적 인과 관계를 확정하기엔 부족하다. 향후에는 대규모 다지역 연구 및 RNA 수준의 유전자 발현 분석, CRISPR 활성도 기반의 내성 조절 기전 규명이 필요하다. CRISPR 기반의 항생제 내성 억제 치료법 개발도 유망한 후속 연구 분야이다.

결론

CRISPR/Cas 시스템은 K. pneumoniae의 항생제 내성과 밀접한 관련이 있으며, 특히 내성 유전자 보유를 억제하는 기능을 할 수 있음이 본 연구를 통해 확인되었다. CRISPR/Cas 시스템이 존재하는 균주는 항생제에 더 민감하고, ESBL 및 carbapenemase 생성 비율도 낮았다. 따라서 CRISPR 유전자의 존재는 항생제 내성의 생물학적 마커로 활용될 수 있으며, 향후 감염 제어 및 치료 전략 수립에 중요한 유전학적 정보로 사용될 가능성이 있다.

개인적인 생각

이 논문은 CRISPR/Cas 시스템과 항생제 내성 간의 상관관계를 임상적 현실에 접목시켜 연구한 드문 사례로, 특히 중동 지역 데이터를 바탕으로 한다는 점에서 더욱 가치가 있다. 내성 균주 확산을 제어하는 데 있어 CRISPR 시스템이 가진 잠재적 역할을 새롭게 조명하였으며, 실제 진단 및 치료 전략에도 영향을 줄 수 있는 유전자 마커로의 가능성을 확인하였다. 다만, 유전자 존재 여부만으로 내성 여부를 판단하기보다는, 향후 유전자 발현량, CRISPR의 기능 활성도 등을 함께 고려한 종합적 접근이 필요하다고 생각한다. 본 논문은 감염병 제어 및 항생제 정책 수립에 있어 중요한 방향성을 제시한다.

자주 묻는 질문(QnA)

Q1. CRISPR/Cas 시스템이란 무엇인가요?
A1. 세균이 외부 유전자를 인식하고 파괴하는 적응 면역 체계로, 항생제 내성 유전자 흡수를 억제할 수 있습니다.
Q2. CRISPR 시스템이 항생제 내성과 어떤 관계가 있나요?
A2. CRISPR 시스템이 존재할 경우 외부 플라스미드 유입이 억제되어 내성 유전자의 획득이 줄어듭니다.
Q3. 모든 Klebsiella pneumoniae가 CRISPR을 가지고 있나요?
A3. 아닙니다. 본 연구에서는 약 46%만 CRISPR/Cas 시스템을 보유하고 있었습니다.
Q4. 어떤 유형의 CRISPR이 K. pneumoniae에서 발견되었나요?
A4. I-E형과 I-E*형이 주로 발견되었으며, 특히 I-E*형이 우세했습니다.
Q5. CRISPR 시스템이 항생제 치료에 직접 활용될 수 있나요?
A5. 현재는 연구 단계지만, 미래에는 항생제 내성 억제나 진단 마커로 활용될 수 있습니다.
Q6. 이 연구의 지역적 한계는 없나요?
A6. 특정 지역(이란 아흐바즈)에 국한된 데이터이므로 다른 지역과의 비교 연구가 필요합니다.

용어 설명

CRISPR/Cas 시스템: 세균의 유전 면역 체계로, 외부 DNA를 인식하고 절단하여 면역 반응을 수행함
Klebsiella pneumoniae: 병원 내 폐렴, 요로감염 등을 유발하는 그람음성균
항생제 내성(MDR/XDR/PDR): 여러 항생제에 내성을 가지는 세균의 특성
ESBL: β-lactam계 항생제를 분해하는 효소로, 내성의 주요 원인
Carbapenemase: 카바페넴 항생제를 분해하는 효소로, 고위험 내성균의 특징
cas1/cas3: CRISPR 시스템의 구성 유전자로, 외부 DNA 절단과 삽입에 관여함
I-E, I-E*: CRISPR 시스템의 유형으로, cas 유전자의 위치와 조합에 따라 분류됨
Kirby-Bauer 검사: 디스크를 이용해 항생제에 대한 균주의 감수성을 측정하는 방법
mCIM: 카바페넴 분해 효소 여부를 확인하는 검사법
PCR: 유전자 증폭 기술로, 특정 유전자의 존재를 확인하는 데 사용됨