곤충병원성 선충에 의해 감염될 때, 곤충을 직접 죽이는 Photorhabdus 유래의 살충독소의 생물학적 역할과 작용 기전은 아직 완전히 이해되지 않았지만, P. luminescens의 유전체 염기서열 분석 완료로 독소단백질에 대한 연구가 활발히 진행 중이다. 그 중 Tc's 독소는 그람음성 및 그람양성 세균이 생성하는 대량 분자량을 가진 곤충살충성 독소로, 여러 서브유닛으로 이루어져 있다. PirB는 B. thuringiensis Cry 독소의 포어 형성 도메인과 콜로라도 딱정벌레의 혈액에서 분리된 신경독소인 â-leptinotarsin-h와 유사성을 가지는 것으로 밝혀져, esterase보다는 살충성 독소로서의 가능성이 강조되었다. Mcf2 독소는 Mcf1의 N 말단이 대부분 잘려나간 형태로, 독소의 활성 부위는 Mcf1과 차이가 있지만, 아미노산 서열이 Pseudomonas의 proapoptotic 독소인 HrmA와 유사하다. 또한, 나비목 유충에 대한 주사독성을 가지고 있다고 보고되었다. Photorhabdus virulence cassettes(PVCs)는 이러한 effector molecules와 관련이 있는 알려진 분비 시스템으로, 15개의 phage 관련 유전자와 effector나 독소 관련 유전자로 구성되어 있으며, 꿀벌부채명나방 유충에 대한 주사독성이 보고되어 있다.
<h1>Photorhabdus 의 insecticidal toxins</h1> <p>곤충병원성 선충의 곤충 감염 시, 곤충의 직접적 치사를 야기하는 Photorhabdus 유래 살충독소(insecticidal toxins)의 생물학적 기작과 역할은 정확히 밝혀져 있지 않았으나, 최근 P. luminescens의 유전체 염기서열 분석(full genome sequencing)이 완료되면서 독소단백질에 대한 연구가 본격적으로 진행되고 있다. Photorhabdus의 살충독소는 곤충에 대하여 경구독성 및 주사독성을 다 가지고 있는데, 나비목의 해충에게 경구독성(large orally activity)을 가지는 toxin complexes(Tc's) 독소와 일부 나방과 모기유충에게 경구 및 주사독성을 다 가지는 Photorhabdus insectrelated (Pir) 독소, 주사독성만 나타나는 Makes caterpillars floppy (Mcf) 독소 등, 적어도 3종류(class)의 toxin을 가지는 것으로 추정된다.</p> <h2>Toxin complexes(Tc's)</h2> <p>Tc's 독소는 그람 음성 및 그람 양성 세균이 생산하는 곤충살충성 독소(insecticidal toxins)이며, 여러 개의 subunit으로 구성되어 분자량이 큰 살충성 단백질이다. 이러한 독소단백질을 암호화하는 유전자들은 곤충병원성 선충의 공생균인 Photorhabdus 와 Xenorhabdus에서 먼저 보고되었으며, 이후에 여러 곤충병원성 세균들(Serratia entomophila, Yersinia pestis, Y. pseudotuberculosis, Paenibacillus larvae, P. nematophilus)과 비 병원성 세균들(Pseudomonas syringae pv tomato, P. fluorescens)에서도 Tc's 독소에 해당되는 유전자가 보고되었다. Tc's 독소는 원래 P. luminescens W14 균주의 배양 상등액에 존재하던 여러 개의 독소 단백질로부터 처음으로 알려졌으며 각각 Tca, Tcb, Tcc, Tcd로 명명된 Tc complex의 복합체로 구성되어있다. 각각의 Tc complex는 하나의 tc locus에 의해 암호화되며, 각각의 locus는 여러 개의 서로 다른 Open reading frames(ORFs)을 가진다(Fig. 3). 이들 각각의 matured complex는 서열 상동성에 따라 tcdA-like element(A component), tcd B-like element(B component ) 와 tccC -like element(C component)의 세 가지 종류로 나눠지며, 이러한 분류는 single genome상의 Tc's 독소 상동체들 사이의 관계를 이해하는데 도움이 될 뿐만 아니라 다른 세균에서의 Tc's 독소 관련 유전자들간의 관계를 이해하는데 도움이 된다. 최근에는 Photor- habdus의 Tc's 독소 관련 유전자들의 대장균 내 발현이 성공적으로 이루어지고 있으며, A component인 TcdA만을 발현시킨 애기장대가 박각시나방(Manduca sexta) 유충에 대한 살충력이 있다는 것이 확인되었다. 대장균 내에서 발 현된 TcdA만으로는 P. luminescens W14의 배양 상등액에서 나타났던 경구독성이 완전히 나타나지 않았지만, B 와 C component를 함께 발현시켰을 경우, A component 독소의 독성을 증강시켜 W14에서 나타내었던 완전한 경구독성이 나타났다. A component 독소의 증강제(potentiator)로 작용하는 B와 C component는 반드시 같은 cytoplasm내에서 같이 전사와 번역이 되어야만 독소증강제(toxin- potentiator)로 작용할 수 있으며, 각각의 단백질을 따로 발현하여 in vitro에서 조합을 시도한 경우에는 경구독성이 현저히 떨어진다. 이러한 현상의 원인 혹은 기작은 명확히 밝혀져 있지 않으나, 최근에는 C component가 B component를 변형시켜서 형성된 B-C complex가 증강제로 작용한다는 가설이 제기된 바 있다.</p> <h2>Pir(Photorhabdus insect-related) toxins</h2> <p>Pir 독소는 PirA와 B로 구성된 binary toxin으로 Tc's 독소에 비하여 복잡하거나 크지 않다. 이 독소는 P. luminescens W14 균주의 전체 염기서열 분석과정에서 발견된 것으로, 아미노산 서열이 B. thuringiensis 의 insecticidal \( \delta \)-endotoxins과 콜로라도 딱정벌레의 juvenile hormone esterase(JHE)와 유사성이 있었으며, 이후 P. luminescens TT01 균주의 염기서열에서도 확인되었다. 대장균에서 재조합 발현된 TT01 균주의 Pir 독소는 배추좀나방(Plutella xylostella) 유충과 모기 유충에 대하여 경구독성을 나타낸 반면, JHE 활성은 전혀 나타나지 않았다. 최근에는 PirA와 PirB 단백질이 각각 꿀벌부채명나방 유충에 대하여 주사독성을 가지는 것이 보고되었으며, 특히 두 개의 단백질을 함께 주사할 경우 급격한 사망률(morbidity)을 나타내었다(Fig. 4). PirB는 B. thuringiensis Cry 독소의 pore-forming domain과 콜로라도 딱정벌레의 hemolymph에서 분리된 신경독소인 â-leptinotarsin-h와도 상동성이 있음이 밝혀짐에 따라, esterase보다는 살충성 독소로서의 가능성을 재확인하게 되 었다.</p> <h2>Mcf(Makes caterpillars floppy) toxin</h2> <p>Mcf 독소는 나비목에게 주사독성만을 나타내며, Mcf 1과 2로 구성되어 있다. Mcfl은 genomic library로 제작된 각각의 cosmid clone을 박각시나방(Manduca sexta)의 유충에 주사하는 과정 중에 발견되었으며, mcf1 유전자를 가진 대장균이 주사된 박각시나방 유충이 체내 팽압의 급격한 손실로 인해 '늘어져(floppy)' 보여 'Makes caterpillars floppy (Mcf) toxin'이라는 이름이 붙었다(Fig. 5). 대장균에서 발현된 Mcfl은 곤충의 혈구와 중강의 상피세포에서 괴사 (apoptosis)를 유발시킨다. 이러한 Mcf1 단백질은 pro-apoptotic BH3 domain과 유사성을 가진 N 말단 부위를 가지고 있다. 이러한 Mcfl은 미토콘드리아 막 전위를 변화시켜 cytochrome c를 방출시키며 미토콘드리아의 항상성에 영향을 주어 세포의 괴사를 유발시키는 것으로 알려져 있다. Mcf2 toxin은 Mcf1의 N 말단이 대부분 잘려진 형태로 독소의 활성부위는 Mcf1과 차이가 있으나, 아미노산 서열이 Pseudomonas의 proapoptotic toxin인 HrmA와 상동성을 가지며 나비목 유충에 대해서도 주사독성을 가지고 있다는 것이 보고되었다.</p> <h1>그 외의 Photorhabdus Toxins</h1> <p>앞서 언급한 세 종류의 살충성 독소 이외에도 Photor-habdus 에서는 PhlAB와 같은 two partner hemolysin genes 산물의 세포독성 효과(cytotoxic effect)가 보고되고 있다. 대부분의 그람 음성 병원성 세균은 자신의 단백질을 진핵세포에 전달하기 위한 제 3형 분비시스템(Type three secretion system, TTSS)을 가지는데, Photorhabdus 균주에서 LopT, LopB, LopD, SopB 등과 같이 제 3형 분비시스템의 effector-like molecules과 상동성을 가진 유전자가 다량 발견되었다. 이러한 effector molecules과 관련이 있는, 알려진 분비 시스템으로는 Photorhabdus virulence cassettes(PVCs)가 있으며, PVC는 15개의 phage 관련 유전자 및 effector나 독소 관련 유전자들로 구성되어 있으며 꿀벌부채명나방 유충에 대한 주사독성이 보고되어 있다.</p>