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Lumican은 세포 외 기질 (Extracellular matrix, ECM)의 중요한 부분을 구성하는 Small leucine-rich repeat proteoglycans (SLRPs)계열의 proteoglycan Class Ⅱ family에 속하며(Blochberger et al., 1992, Tingbø et al., 2012), 피부, 폐, 신장, 뼈 등 다양한 조직에 분포한다(Chakravarti et al., 1998; Dolhnikoff et al., 1998; Sztrolovics et al., 1999). 지금까지 Lumican의 기능에 대한 다양한 연구사례가 보고되어 있는데, Lumican을 knockout 시킨 mouse의 피부와 각막에서 비정상적인 조직의 연결이 관찰되어 콜라겐 섬유 생성 조절에 대한 기능을 확인할 수 있었고(Chakravarti et al., 1998; Chakravarti et al., 2000), 세포 증식 및 이동을 포함한 주요 생물학적 기능에도 관련되어 있는 것으로 보고되었다(Vuillermoz et al., 2004; Nikitovic et al., 2008). 그 외에도 Lumican은 대식세포와 다형 핵 호중구(polymorphonuclear neutrophils, PMN)를 자극시키고, tumor necrosis factor (TNF)와 interleukin-1 (IL-1)을 활성화하며(Vij et al., 2005), 특정 세포 기능을 위해 세포표면단백질과 상호작용을 한다. 특히 mouse에 Lipopolysaccride (LPS) 자극한 후 Lumican은 CD14, Toll-like receptor 4 signaling pathway와 면역반응을 활성화하여 선천면역과 관련된 유전자일 뿐만 아니라 염증 및 패혈증 쇼크의 조절자로서 보고되었다(Wu et al., 2007). 또 다른 연구에서는 Lumican을 knockout 시킨 쥐의 피부에서 TGF-1, collagenⅠ, fibronectin의 발현 지연을 보였으며, 상처 난 토끼의 귀에서는 세포 증식이 유도됨을 확인 할 수 있었다 (Yeh et al., 2010; Zhao et al., 2016).

이러한 Lumican의 면역학적 기능에 대한 연구와 보고사례는 인간과 mouse에서 대부분 국한되어 있고, 어류에서는 대서양 대구(Tingbø et al., 2012)의 보고사례를 제외하면 극히 제한적이다.

농어목(Perciformes) 도미과(Sparidae)에 속하는 참돔(Pagrus major)은 우리나라 전 연안 해역에 분포하며 주로 남해안에서 양식되는 온대성 어류(Chyung, 1977)로 국내 양식어류 생산량의 6.6%(KOSIS, 2016)를 차지한다. 참돔은 성장률이 빠르고 다양한 환경변화에 내성이 높은 어류로 알려져 있지만, 성장단계에 맞는 영양소와 환경이 적절하지 못하면 성장률이 감소하고 질병이 자주 발생하게 된다(Tang et al., 2003). 특히 세균 및 바이러스의 감염을 통한 스트레스로 인해 심각한 폐사가 발생하여 양식어가에 많은 피해를 입히는데(Kader et al., 2012), 이를 해결하기 위한 과도한 항생제 사용으로 인해 다제내성균 출현과 체내 잔류 등의 문제가 발생하고 있다(Song and Lee., 2013; Kim et al., 2020). 그래서 이러한 근본적인 문제를 해결하기 위해 참돔의 면역학적 시스템에 대한 연구가 수행되고 있으며(Kim et al., 2020; Son et al., 2020) 앞으로도 많은 관련 연구가 필요한 실정이다.

따라서 이번 연구에서는 참돔으로부터 동정된 Lumican (PmLum) cDNA의 분자적 특성을 파악하였고, 건강한 어체 내에서 Lumican의 조직별 발현과 주요 병원체인 Edwardsiella piscicida (E. piscicida)와 Streptococcus iniae (S. iniae), red sea bream iridovirus (RSIV)를 인위 감염시킨 후 시간별 조직 내 발현수준을 확인하였다.

Extracellular matrix (ECM)은 세포 부착, 세포 간 상호작용, 그리고 세포 분화 등을 포함하여 살아있는 세포 생활사를 조절하는 중요한 요소이다. 이러한 ECM에는 SLRP가 분포되어 있는데 대부분의 SLRP는 간충직세포에 의해 생성되며 기질의 상처 치유를 조절한다(Karamanou et al., 2018). SLRP는 단백질 및 게놈 수준에서의 보존 및 상동성에 따라 5개의 그룹으로 분류된 18개로 구성되며, 이 중 Lumican은 글리코실화로 인해 조직에 따라 이종 고분자를 특징으로 하는 SLRP Class Ⅱ에 속해있다(Karamanou et al., 2020).

이번 연구에서 NGS로부터 얻은 PmLum의 서열로부터 Leucine-rich repeats (LRR) 도메인을 확인할 수 있었는데, 이는 인간에서 최초로 보고된 이후 현재까지 수천 개가 발견되었다(Matsushima et al., 2010). LRR 도메인은 식물, 무척추동물 및 척추동물에서 선천성 면역과 관련된 많은 단백질에서 보존되는 도메인이며(Ng et al., 2011), 2~45개의 류신이 풍부한 구성으로 약 20~30개의 잔기가 반복된다(Ng et al., 2011). 또한 LRR 도메인의 주요기능은 단백질-단백질 간의 상호 작용을 촉진하는 것으로 알려져 있는데(Kobe and Kajava, 2001) 대표적으로 신호전달, 세포 부착, DNA 복구, apoptosis 및 면역반응을 포함한 다양한 생물학적 과정에 관여한다. 이전 연구에서 인간으로부터 유래한 leucine-rich repeat-containing 8 (LRRC8)은 B세포 발달에 필수적이라는 보고가 있었으며(Sawada et al., 2003), 절지동물에서는 단백질 상호작용 및 신호전달에 관여하는 많은 LRR 단백질이 연구 되었다(Sriphaijit and Senapin, 2007). 홍다리얼룩새우에서도 LRR 도메인이 발견되었는데 이들은 96개의 류신 잔기를 가지고 있었으며 조직별 발현분석 결과 숙주 방어와 관련된 조직인 hemocytes, 내장 및 림프기관에서 높은결과를 보였다(Sriphaijit and Senapin, 2007). 이번 연구에서는 LRR 도메인 뿐만 아니라 LRRNT, LRR-TYP 도메인 또한 확인 되었으며 모두 LRR 도메인으로부터 유래한 도메인이었다(Matsushima et al., 2007). 따라서 이번 연구에서도 대부분의 면역 수용체에 존재하여 면역반응에 관여하는 LRR 도메인이(Padmanabhan et al., 2009) 참돔에서의 면역반응 또한 도울 것으로 생각된다.

이번 연구에서 정상 PmLum이 피부, 비장, 눈에서 유의적으로 높은 발현을 보였는데, 이는 Lumican이 상피 세포 이동 및 증식 조절에 관여하며(Yeh et al., 2010a), 각막의 주요 keratan sulfate proteoglycan이자(Schaefer and Iozzo, 2008) 잉어의 피부 점액 상호 단백질로 보고된 이전 연구와 유사했다(Saleh et al., 2018). 또한 zebra fish의 Lumican 유전자를 knock down 시킨 이전 연구에서는 눈의 공막이 얇아져 눈 보호 기능이 저하됨을 확인 할 수 있었다(Yeh et al., 2010b). 결과적으로 이번 연구에서는 정상 PmLum의 조직별 발현으로 이전 연구들과 유사한 Lumican의 기능을 유추 할 수 있었으며, 특히 Lumican이 피부와 눈에서의 항상성 유지에 중요한 역할을 하는 것으로 예상된다.

E. piscicida, S. iniae, RSIV의 인위감염 후 PmLum은 모두 간에서 높은 발현을 보였는데, 이는 세균 및 바이러스에 노출 시 간이 손상되고(Verma V, 2008), 손상된 간세포는 Lumican 생산에 기여 한다는 결과(Krishnan et al., 2012)와 유사하여 PmLum이 인위감염 후 면역반응을 하기 위해 간세포가 Lumican을 생산 할 것이라 사료된다. 이에 반해 비장에서는 유의적으로 낮은 발현을 보였는데, 이는 내피세포에서 apoptosis를 유발하는 Lumican의 기능과 연관된다(Williams, et al., 2010). 따라서 이러한 apoptosis가 일어나면서 세포가 제거되어 기관 손상을 초래해 Lumican이 하향 조절된 것으로 생각된다. 하지만 단순히 apoptosis로 인한 결과로 단정 지을 수 없으며, 비장에서의 Lumican의 면역반응조절에 대한 추가적인 연구가 필요하다.

결과적으로 이번 연구에서는 참돔으로부터 PmLum을 분리 및 동정하여 분자적 특성을 확인하였고, 조직별 발현분석과 세균·바이러스성 질병 감염 시 PmLum의 발현 변화를 확인할 수 있었다. 이러한 결과들은 참돔 내 조직 손상에 대한 복구와 면역기능을 하는 단백질로서의 가능성을 제안 할 수 있었으며, 참돔의 면역체계와 생리적인 특성을 이해하고 연구하는데 중요한 기초자료로써 제시될 수 있을 것으로 생각된다. 하지만 아직까지 어류에서의 Lumican 유전자에 대한 다양한 연구가 부족하여 추후의 연구에서는 어류의 생리·생태적 특성을 고려한 단백질 수준에서의 조직복구와 면역 활동에 대한 추가적인 기능 연구가 수행되어야 할 것이다.