Abstract

Current trends of Wolbachia for vector control

Ha Young-Ran, Chang Kyu-Sik, Cho Shin-Hyeong
Division of Vectors and Parasitic Diseases, Center for Laboratory Control of Infectious Diseases, KCDC

Insect-borne diseases such as dengue, Zika, yellow fever, and chikungunya pose threats to global health. These are particularly transmitted by mosquitoes in tropical and subtropical regions. Despite efforts to control them, existing methods for controlling these diseases, such as the application of insecticides or physical removal of breeding sites, have several limitations. Therefore, novel vector control approaches are needed. The transinfection of mosquitoes with the bacterial endosymbiont Wolbachia has emerged as a novel strategy to limit mosquito populations and their subsequent ability to transmit pathogens. Various Wolbachia strains affect the populations, and reproduction of mosquitoes, and the replication ability of pathogens. Wolbachia-infected mosquitoes have been released in several countries where outbreaks of vector-borne diseases occur. Wolbachia transinfection is a prospective solution for vector control and vector-borne diseases.

Keywords: Wolbachia, Insecta, Insect control, Mosquito vectors


들어가는 말

지구온난화에 따른 매개체 발생분포 확대 및 해외유입 매개체의 국내 유입가능성이 높아짐에 따라 쯔쯔가무시증, 말라리아, 일본뇌염 등 토착성질환의 발생 증가 및 뎅기열, 웨스트나일열, 지카바이러스감염증과 같은 해외 매개모기감염질환의 유입이 예상되고 있다. 따라서 감염병 매개모기의 밀도, 분포조사 등 감시와 더불어 감염병 차단을 위한 효과적인 방제대책을 수립하는 것이 국민보건 향상에 매우 중요하다. 국내 감염병 매개모기 방제의 경우 살충제에 의한 의존도가 매우 높은 실정이며, 반복적인 오남용으로 매개모기의 저항성이 증가하여 모기 방제에 부작용으로 나타나고 있다[1]. 따라서 살충제 등 화학적 방제의 부작용을 줄이기 위하여 새롭고 효과적인 모기방제 방법을 개발할 필요성이 대두되고 있다.
영국, 미국, 호주 등 선진국에서는 공생 미생물을 이용한 방제 연구를 수행하고 있다. 2017년 미국환경보호청(Environmental Protection Agency, EPA)에서는 Wolbachia를 흰줄숲모기의 방제수단으로 야외 방사를 허가하기도 하였다. Wolbachia는 곤충 내부공생 박테리아로 모기 방제 및 모기 매개 감염병 억제를 위한 혁신적 매개모기 방제법으로 부상하고 있으며, 친환경적이고 저비용인 장점을 가지는 것으로 알려져 있다. 60% 이상의 곤충이 Wolbachia에 감염되어 있으며 세포질 불일치(cytoplasmic incompatibility, CI)를 통하여 곤충의 생식에 영향을 미쳐 개체수를 조절하는 기능을 가지고 있다[2]. 또한 Wolbachia는 모기를 포함한 곤충 내에서 바이러스 및 기생충의 발달을 억제하는 것으로 보고되어 왔다. 이러한 특성을 이용하여 호주 Monash대학 연구팀은 퀸즈랜드의 66 ㎢에 달하는 열대 도시인 타운즈빌에서 뎅기바이러스 전파 억제를 막는 생물학적 방제 성공에 대한 연구를 발표하였다. Wolbachia는 뎅기바이러스뿐만 아니라 지카, 치쿤구니아, 황열바이러스 등을 차단하는데도 효과가 있다고 알려져 있어 향후 곤충 방제 및 매개 감염병을 억제하기 위한 도구로써의 활용이 매우 기대 된다. 이 글에서는 Wolbachia를 이용한 감염병 매개체 방제 및 감염병 억제에 미치는 영향에 관한 연구 동향을 정리하여 방제 도구로서의 활용에 기초자료를 제공하고자 한다.


몸 말

Wolbachia와 감염병 방제 연구 소개

Wolbachia는 1924년 집모기류(Culex mosquitoes)의 난소에서 발견된 알파-프로테오박테리아 (α-proteobacterium)인 공생미생물이다[3]. Wolbachia의 크기는 0.5-1 µm이며 암컷에서 자손으로 직접 전파(maternal transmission)되기 위하여 Wolbachia에 감염된 숙주 암컷의 생식을 조절하는 것으로 알려져 있다. 또한 일부 Wolbachia 종류(strain)는 숙주의 수명을 감소시키는 방향으로 영향을 미치기도 하는데, Wolbachia 종류 중에 하나인 wMelPop은 초파리류(Drosophila spp.) 성충의 수명을 50%까지 감소시킨다. 모기가 Wolbachia에 감염되었을 때 모기의 수명이 단축되면 모기 체내에서 병원균 성장에 필요한 시간을 충분히 갖지 못하여 전파되지 못하게 할 수도 있다. 병원체가 모기로부터 사람을 포함한 숙주로 전파되기 위해서는 침샘관으로 도달하기 전 외잠복기(extrinsic incubation period)인 모기 체내 증식과정을 필요로 하는데, 뎅기열의 경우 모기 체내에서 잠복기는 대개 10일에서 14일 정도 소요되며, Wolbachia에 의한 모기의 수명이 줄어든다면 모기에 의한 감염병의 전파 가능성이 감소될 수 있을 것으로 보인다.

Wolbachia 종류(strain)와 감염 후 표현형(phenotype)

Wolbachia는 집모기(Culex spp.)나 숲모기(Aedes spp.)에 감염이 보고되어왔으며, 말라리아 전파 모기인 얼룩날개모기류(Anopheles spp.)에서는 감염이 보고된 바가 거의 없다. Wolbachia를 이용한 모기매개 감염병 전파를 억제하기 위해서는 Wolbachia 감염 세포질 또는 감염 곤충으로부터 분리한 Wolbachia를 Wolbachia 비감염 모기에 배아 미세주입(embryonic microinjection)하여 형질감염(transinfection)을 유도하는데 Wolbachia를 배아 내의 생식 세포(germline)로 감염되도록 하여 다음 세대에도 전파되도록 한다. 자연적 Wolbachia 감염은 면역반응에 영향을 미치지 않지만, 인공적인 감염은 Wolbachia가 숙주의 면역 및 증식에 영향을 미칠 수 있으며, 개체에 따른 Wolbachia에 형질감염이 반응 차이가 나타날 수 있다. Wolbachia는 숙주의 생식에 영향을 미치며 일부 곤충에서는 감염이나 감염 후 유지가 되지 않는다. Table 1에서는 Wolbachia 종의 종류 및 형질 감염이 새로운 숙주에서 보이는 표현형을 정리하였다. 예를 들면, wMelPop-CLA 종의 경우 이집트숲모기(Aedes aegypti)내의 머리, 가슴, 복부에 걸쳐 감염되며 세포질 불일치 및 뎅기, 치쿤구니아 바이러스의 감염을 억제하는 효과를 가진다. wAlbA와 wAlbB 종의 경우 대부분의 흰줄숲모기(Aedes aegypti) 내에 자연적으로 감염되어 있으며, 국내 흰줄숲모기 또한 90% 이상이 감염되어 있다. wAlbA와 wAlbB는 흰줄숲모기에서는 뎅기 및 치쿤구니아 바이러스 발달 억제 효과를 보이지 않았지만, 이집트숲모기에서는 부분적 세포질 불일치를 유발하기도 한다. wPip 종의 경우 흰줄숲모기에서 세포질 불일치를 유발하며 번식력에도 영향을 미치며 열대집모기(Culex quinquefasciatus)에서 웨스트나일 바이러스의 억제 효과를 보인다.



Wolbachia 감염은 다양한 범위의 절지동물에서 생식에 나타나는 기능적 형질 특성인 생식 표현형(reproductive phenotype)을 유발한다(Figure 1). 첫 번째는 세포질 불일치이다. 세포질 불일치는 Wolbachia에 감염된 거미류(Arachnids), 등각류(Isopods), 곤충류(Insect)에서 발견되며, Wolbachia에 감염된 수컷의 정자는 암컷의 난자가 같은 Wolbachia type이 아닐 경우 배아 발생을 방해하게 된다. 세포질 불일치는 많은 연구에도 불구하고 분자적 메커니즘은 밝혀진 바가 없다. 그러나 세포질 불일치의 유사한 세포학적 징후(cytological manifestations)는 다양한 숙주 분류군에서 나타나며, 이들의 공통된 특성으로는 숙주의 세포 주기(cell cycle)를 방해하며 초기 배아의 유사분열(mitosis)의 결함을 유도하여 생식을 방해한다. 두 번째로, Wolbachia는 단위생식(parthenogenesis)을 유발한다. Wolbachia에 의한 암컷의 단위생식은 진드기(Mites), 벌목류(Hymenopterans), 총채벌레류(Thrips) 등에서 나타나며 미수정란(unfertilized eggs)에서 수컷의 발생 없이 Wolbachia 감염 암컷만 생산되는 특성을 보이는 표현형이다. 단위생식은 오직 반배수성 곤충에서만 나타나며 Wolbachia에 의한 단위생식도 세포질 불일치와 유사하게 초기 배아의 발달 동안 세포 주기를 방해하며 미수정란에서 이배체(diploid) 발달을 유발하여 생식을 방해한다. 세 번째로, Wolbachia는 여성화(feminization)를 유발한다. 쥐며느리아목(Oniscidea)에서부터 등각류(Isopods) 등에서 나타나며 Wolbachia는 웅성화선(androgenic gland; 수컷 생식기관에 부속된 내분비선)내에서 증식하며 웅성화선의 비대 유발 및 기능을 억제하여 유전적 수컷이 암컷으로 발달된다. 여성화의 메커니즘은 정확히 밝혀지지 않았지만, Wolbachia가 남방노랑나비(Eurema hecabe)에서는 성 결정(sex-determination) 경로를 교란시켜 완전히 암컷으로의 발달을 유도하는 것으로 보인다. 마지막으로 Wolbachia는 웅성사망(male-killing; 수컷사망)을 유발하는데, 딱정벌레목(Coleoptera), 파리목(Diptera), 나비목(Lepidoptera), 의갈류 (Pseudoscropiones)에서 나타나며 배아발생(embryogenesis) 동안 수컷을 죽여 암컷의 생존을 위한 더 많은 먹이를 공급할 수 있도록 한다. 웅성사망의 메커니즘은 콩줄기명나방(Ostrinia scapulalis)을 통해서 Wolbachia에 의한 여성화의 결과로 처음 알려졌다. 그러나 추후 연구를 통해 웅성사망의 효과임을 확인하였다. 처음에는 Wolbachia를 제거하기 위해 암컷에 테트라사이클린(tetracycline; 항생제의 일종)을 처리하였을 때 수컷만 태어났다. Wolbachia에 감염되지 않았을 때 암컷으로 태어난 모기는 유충 발달 단계 동안 죽었으나 Wolbachia에 감염된 경우 유전적 수컷은 암컷화되고 유충 발달 단계 동안 죽게 됨을 확인하였다. 따라서 Wolbachia에 의한 웅성사망은 치명적 여성화를 통하여 발생되는 것처럼 보이기도 한다. Wolbachia에 의한 모기의 단위생식 및 여성화는 밝혀진 바가 거의 없으며 세포질 불일치에 의한 특성 연구가 가장 많은 양상을 보인다.



Wolbachia의 바이러스 및 기생충 억제 효과(기작 연구)

Wolbachia에 형질감염은 다양한 범위의 병원체를 저해하는 것으로 알려져 있다. 자연적으로 Wolbachia에 감염된 모기가 바이러스에 저항성을 보이기도 하는데 열대집모기의 경우 웨스트나일 바이러스에 저항성을 가지고 있는 것으로 알려져 있다. 형질 전환된 Wolbachia의 병원체 저해기작으로 제기되는 하나의 가설은 Wolbachia가 항균펩티드(antimicrobial peptides)를 증가시키고 곤충의 내제 면역반응을 사전에 활성화 한다는 것이다. wMelPop-CLA 종의 경우 이집트숲모기의 세크로핀(cecropin; 나방의 항미생물 단백질), 디펜신(defensin; 항세균성 단백질), 티오에스테르(thioester containing proteins), C형 렉틴(C-type lectins) 등 여러 면역 효과 물질의 발현을 유발하는 것으로 알려져 있다. 또한 Wolbachia의 감염은 이집트숲모기와 초파리의 내제면역시스템의 핵심 구성 요소를 유발하는 등 면역 반응에 영향을 미친다. 그럼에도 Wolbachia에 의한 뎅기바이러스 감염 저해 작용은 세포 모델에서도 확인 가능한 것으로 보아 숙주인 곤충의 면역 시스템 유발이 유일한 요소는 아닌 것으로 보인다.
Wolbachia에 의한 바이러스 저해 작용은 Wolbachia의 밀도와도 관련이 있는 것으로 보고된다. 초파리의 경우 wMel과 wRi 종에 높은 밀도로 감염되어 있을 경우 바이러스 저해작용 또한 커지나, 낮은 밀도의 wNo와 wHa 종에 감염될 경우 저해작용을 보이지 않는다. 또한, 이집트숲모기에서 높은 밀도의 wMelPop-CLA 종에 감염될 경우 거의 완벽하게 병원체의 저해 작용을 하는 것으로 알려져 있다. Wolbachia의 조직 내 밀도나 부위는 종에 상관없이 공통적인 특성을 보이며 숙주뿐만 아니라 병원체 저해 작용에도 영향을 미친다고 알려져 있다.

Wolbachia를 이용한 야외실험 연구 동향

현재 호주 Monash대학의 오닐 박사에 의해 World Mosquito Program(WMP)이 진행되고 있으며, 이는 Wolbachia에 감염된 이집트숲모기를 여러 국가에 적용중이다. 2011년 호주 퀸즈랜드 북쪽 지역에 wMel 종류의 Wolbachia에 감염된 모기를 방사하였고, 지역 모기 개체군 내에서 wMel 종의 90%가 넘는 감염 확산을 확인하였다. 호주에서의 방사실험은 작은 도시에서 적은 비용으로 성공할 수가 있었으며, 일단 지역 모기 개체군에서 Wolbachia 감염 모기 종의 서식이 확립되면서 뎅기 전파는 더 이상 관찰되지 않았다. 2015년 미국 미시건 주립대학의 Zhiyong Xi 박사 연구팀은 자연적 개체군을 조절하기 위해 Wolbachia에 감염된 5백만 마리의 흰줄숲모기를 광저우 지역 내 작은섬에 방사하였다. Wolbachia 감염 수컷모기를 방사시켜 모기 개체수를 줄인 후 Wolbachia 감염 암컷으로 감염병의 전파를 억제하고자 하였으며 야외 방사 실험으로 모기 개체수의 90%가 감소되었다. 2017년 미국 플로리다 키스제도의 모기퇴치기구(Florida Keys Mosquito Control District)에서는 2만 마리의 Wolbachia 감염 이집트숲모기를 방사하여 감염병을 억제하고자 하였다. 큰 규모의 방사 실험은 브라질[레테로이(Niteroi)와 리우 데 자네이루 지역(Rio de Janeiro)], 콜롬비아[벨로(Bello), 메델린 지역(Medellin)]와 인도네시아[족자카르타 지역 (Yogyakarata)]에서 진행 중이다. 족자카르타 지역에 무작위로 선정하여 Wolbachia 감염 이집트숲모기를 방사한 후 방사지역과 비방사지역의 뎅기 감염 감소율을 비교할 예정이며, 이 방사 실험은 2019년에 완료될 것으로 예상된다. 이러한 방사 시도는 Wolbachia 감염 모기를 통한 감염병의 감소 정도를 확인할 수 있는 중요한 역학조사 자료가 될 것이다.


맺음 말

세계보건기구(World Health Organization, WHO)에 의하면 매개체에 의한 감염병은 전 세계적 감염질병의 17%를 차지한다[4]. 다양한 국가와의 교류로 인해 뎅기열, 지카바이러스 감염증 등 모기매개 감염병 해외 환자가 국내로 계속적으로 유입되고 있으며 이를 매개하는 모기도 국내에 서식하는 것으로 보고되어왔다. 감염병 매개체의 방제는 매우 중요하나 살충제 의존적인 현재 방제법은 저항성 등 한계를 보이고 있다. 국내‧외적으로 다양한 매개체 방제 및 감염병 억제를 위한 노력은 개발되고 있으나, 그 개발된 다양한 기술의 적용에 대한 검증단계를 필요로 하고 있다. 국내에서도 Wolbachia를 이용하여 흰줄숲모기를 포함한 다양한 질병매개곤충에 대한 Wolbachia의 감염 여부, 방제 적용 특성 연구 및 감염병 억제 효능 연구를 진행 중이다. 현재 질병관리본부에서는 미환경보호청(EPA)에서 살충제로 등록되어있는 wPip 균주에 대한 국내 적용 검증 실험을 수행하고 있으며 Wolbachia 종을 대량 확보하여 검증단계를 거쳐 모기방제에 적용하고자 한다. 따라서 국내에서도 곤충 방제를 위해 Wolbachia를 이용한 곤충 방제의 가이드라인 마련에 대한 기본적인 데이터베이스화가 필요할 것으로 전망된다.


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