국내연구진 공동연구로 코로나 감염 이후 바이러스 발현 양상 측정

고해상도 지도 제작.. 대규모 차세대 염기서열 분석 데이터 수립 성공

감염 초기 스트레스 관련, 후기에는 면역 관련 유전자 크게 반응 확인

번역조절인자 TIS-L 발굴.. 치료 전략 수립 등 적극 활용 기대

고려대 김윤기 교수, 서울대 백대현 교수, 고려대 박만성 교수

COVID-19의 4차 유행이 본격화되고 있는 가운데, 감염 이후 초기부터 후기까지의 바이러스 발현 양상이 측정된 고해상도의 지도가 나와 세계의 주목을 받고 있다. 국내연구진이 제작한 이 지도는 COVID-19(신종코로나바이러스감염증)의 원인인 사스코로나바이러스-2(SARS -CoV-2)의 감염 후 시간에 따른 번역체※ 및 전사체※의 양상을 측정한 결과물이다. 

박만성 고려대 의과대학, 김윤기 고려대 생명과학과, 백대현 서울대 생명과학부 교수 공동 연구팀이 진행한 이번 연구는 사스코로나바이러스-2의 감염기작 및 병태생리의 이해를 돕는 한편, TIS-L을 표적으로 한 치료제 연구의 실마리가 될 것으로 기대하고 있다.

과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구지원사업등의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 국제학술지 네이쳐 커뮤니케이션스(Nature Communications)에 8월 25일 게재되었다.

연구진, 코로나19 인체 내 반응 양상 밝혀내.. 치료 전략 수립 기반 되나

COVID-19의 병태생리를 이해하고 백신과 치료제를 개발하기 위해바이러스 유전자의 발현의 원리를 밝히고, 감염 후 인간 및 바이러스 유전자 발현 패턴의 변화를 관찰하는 것이 필수적이다.

사스코로나바이러스-2는 스파이크 같은 특징적인 구조 단백질과유전체를 숙주에 퍼트리기 위한 복제 단백질 등에 대한 정보를 담은 12개의 유전자를 가지고 있다.

Translation initiation site located in the leader (TIS-L) (위) SARS-CoV-2 유전체 전반에서 각 위치마다 번역이 일어나는 정도를 측정한 번역 신호 그래프(아래) TIS-L은 SARS-CoV-2 유전체 59nt(nucleotide)에 위치한 CUG 서열(아래 그래프의 주황색 사각형 부분)로서, 이는 전체의 22%에 달하는 아주 강한 번역 신호를 보인다.

이들 유전자로부터 단백질을 만드는 중간과정인 전령RNA(mRNA)를 만드는 전사과정은 비교적 잘 알려진 반면 전령RNA로부터 단백질이 생성되는 번역과정은 많이 알려지지 않았다. 이에 감염 후 시간에 따른 숙주와 바이러스의 유전체 발현의 변화를 측정한 데이터도 부족해 병리학적 기전 이해에 어려움이 있었다.

연구팀은 사스코로나바이러스-2 감염 후 다양한 시간대에 걸쳐 인간 세포 및 바이러스 유전체의 번역 및 전사 양상을 측정하고 대규모 차세대 염기서열 분석 데이터를 얻는 데 성공했다.

연구팀은 “이렇게 얻은 사스코로나바이러스-2 번역체 지도를 토대로 바이러스의 단백질 생성 효율을 조절하는 신규 인자를 발굴하고 TIS-L(translation initiation site located in the leader)이라 이름 지었다”며 “사스코로나바이러스-2 유전체의 리더 지역에 위치한 번역 시작 부위라는 의미를 담았다”고 설명했다.

SARS-CoV-2 전령RNA 상 TIS-L의 위치와 번역 신호 (왼쪽) TIS-L은 SARS-CoV-2 전령RNA 단백질 코딩 지역의 상류에 위치하며, 개시 코돈과의 주기 일치 여부에 따라 번역 효율을 증가 혹은 감소시킨다.(오른쪽) TIS-L은 COVID-19 백신의 주 표적인 스파이크 단백질 (S)의 코딩 지역과 주기가 일치하기 때문에 단백질 발현량을 증가시킨다.

이번 연구에서 특히 눈여겨 볼 부분은 TIS-L이 신종 코로나바이러스감염증 백신의 주요 표적인 스파이크 단백질을 비롯한 바이러스 단백질들의 번역 효율에 큰 영향을 미침을 실험적으로 검증했다는 것이다.

이외에도 인간 유전자의 발현 패턴 변화를 분석하여, 바이러스 감염 후 시간에 따라 서로 유사한 발현 양상을 보이는 유전자 집단을 탐지했다. 연구팀은 그 결과, 감염 초기에는 세포 스트레스와 관련한 유전자들이, 후기에는 면역 반응과 관련한 유전자들이 크게 반응함을 확인했다고 전했다.

한편, 이번 연구는 SARS-CoV-2와 인간 숙주의 번역체 및 전사체의 양상을 종합적으로 측정한 고품질의 지도를 제작한 것으로, 바이러스의 병태생리학적 기전을 이해하기 위한 실마리를 제공했다는 평가를 받고 있다.

또한 SARS-CoV-2 유전체 발현에 광범위하게 영향을 미칠 것으로 기대되는 번역조절인자인 TIS-L을 발굴해, COVID-19 치료 전략 수립 등에 적극 활용될 수 있을 것으로 기대를 모으고 있다.

TIS-L의 기능을 활용한 SARS-CoV-2 치료 전략 안티센스 올리고뉴클레오타이드 등을 통해 TIS-L의 기능을 저해함으로써 SARS-CoV-2 유전자 발현을 교란하여 바이러스의 감염성을 억제하려는 전략에 대한 모식도이다.

<용어 설명>

※ 전사체 : 유전정보가 담긴 유전체에서 전사되는 RNA 총체

※ 번역체 : 전사체를 해독하여 단백질을 생산하는 번역과정의 종합적인 양상

※ 차세대 염기서열분석(next-generation sequencing; NGS) : DNA 혹은 RNA 서열을 대규모, 고속으로 분석하는 기법. 돌연변이 감지, 유전자 발현량 측정 등에 활용