코로나바이러스는 숙주 수용체를 통해 어떻게 세포에 침입할까?

Dr. L | 2020년 2월 28일

2019년 SARS-CoV-2 감염으로 인한 코로나바이러스 감염증(COVID-19)의 발생으로 전 세계가 높은 경계 상태에 놓였습니다. 사람들은 바이러스 균주 분리, 염기서열 분석 및 비교 분석 완료 후 약물과 백신이 얼마나 빨리 개발될 수 있을지 주목하고 있습니다. 과학계 또한 바이러스 감염 메커니즘 연구에 전념하며 최대한 빨리 정밀한 방역을 달성하는 것을 목표로 하고 있습니다.

코로나바이러스 스파이크(S) 당단백질과 수용체 ACE2는 중증 급성 호흡기 증후군 코로나바이러스(SARS-CoV)의 핵심 결합 부위입니다. SARS-CoV-2와 SARS-CoV의 유전자 서열 및 병인 기전이 유사하기 때문에 과학계는 다시 한번 코로나바이러스 스파이크와 수용체 ACE2의 상호작용 연구에 주목하고 있습니다. S 단백질과 숙주 수용체 단백질의 결합 부위 분석은 바이러스 침입 모드와 수용체에 대한 작용 기전(MOA)을 더 잘 이해하는 데 매우 중요한 의미를 가집니다. 이러한 정보는 SARS-CoV-2의 추가 확산을 방지하는 전략 수립에 핵심적일 뿐만 아니라 향후 코로나바이러스의 출현을 예방하고 관리하는 데 가이드 역할을 합니다.

1. 코로나바이러스(CoV) 스파이크(S) 단백질 도메인 분석

CoV의 숙주 특이성을 결정하는 핵심 요소는 스파이크(S) 당단백질이며, 이는 S1 소단위체와 S2 영역으로 더 나눌 수 있습니다. 일반적으로 S 단백질은 수용체 인식과 막 융합을 매개하여 감염을 시작하며, 그 메커니즘은 다음과 같이 정리할 수 있습니다:

• S1은 숙주 세포 수용체 인식을 전문으로 담당합니다. S1 N말단 및 C말단 부분에 위치한 두 개의 별개 도메인이 수용체 결합에 사용될 수 있습니다.
• S1을 통한 수용체 결합 후 CoV S2는 바이러스와 세포막의 융합을 매개하는 기능을 수행합니다. S2 영역은 일반적으로 하나 이상의 융합 펩타이드와 두 개의 보존된 헵타드 리피트(HR)를 포함한 여러 핵심 구성 요소를 가지고 있으며, 막 침투와 바이러스-세포 융합을 유도합니다. 헵타드 리피트는 삼량체화되어 코일드코일 구조를 형성하고 바이러스 외피와 숙주 세포 이중층을 가깝게 위치시켜 융합이 일어나도록 준비합니다.

그림 1- SARS-CoV 스파이크(S) 단백질의 모식도

SARS-CoV-2와 SARS-CoV는 다른 계통에 속하지만 S1에 약 50개의 보존된 아미노산을 여전히 가지고 있습니다. 이는 SARS-CoV-2의 구조가 SARS-CoV의 구조와 유사함을 시사합니다. 더 나아가 SARS-CoV와 SARS-CoV-2는 모두 베타(β) 코로나바이러스에 속하며, 이 그룹의 수용체 결합 도메인은 일반적으로 S1의 C말단 도메인에 위치합니다(그림 2). 따라서 SARS-CoV-2의 숙주 수용체가 SARS-CoV의 수용체와 유사할 것으로 추정할 수 있습니다.

그림 2- SARS-CoV-2, SARS-CoV 및 MERS-CoV 수용체 결합 도메인(RBD)의 계통발생학적 분석 및 상동성 모델링 (Roujian Lu, 2020)

(A) 다양한 베타 코로나바이러스의 수용체 결합 도메인에 대한 계통발생학적 분석. 별표는 SARS-CoV-2를 강조하며, 물음표는 해당 바이러스가 사용하는 수용체가 아직 밝혀지지 않았음을 의미합니다. SARS-CoV(B), SARS-CoV-2(C), MERS-CoV(D)의 수용체 결합 도메인이 각자의 수용체와 결합하는 구조 비교. 코어 서브도메인은 마젠타색으로 표시되었으며, SARS-CoV, SARS-CoV-2, MERS-CoV의 외부 서브도메인은 각각 주황색, 짙은 파란색, 녹색으로 표시되었습니다. 수용체 결합 부위 내 SARS-CoV와 SARS-CoV-2 사이의 가변 잔기는 스틱으로 표시되었습니다. (2019-nCoV: 2019 신종 코로나바이러스; MERS: 중동 호흡기 증후군 코로나바이러스.)

숙주 세포에 침입하기 위해 SARS-CoV는 바이러스 수용체 결합 도메인(RBD)을 통해 먼저 세포 표면 수용체 ACE2에 결합해야 합니다. SARS-CoV-2와 SARS-CoV의 서열 유사성을 바탕으로 두 바이러스가 동일한 수용체(ACE2)를 공유할 가능성을 예측할 수 있습니다. 이전 연구들은 HeLa 세포주에서 발현되는 ACE2가 SARS-CoV-2의 수용체로 사용될 수 있음을 보여주지만, 결합 메커니즘은 여전히 명확하지 않습니다.

2. ACE2 수용체 단백질 구조 분석

ACE2는 I형 막 당단백질이며 두 개의 알파(α) 나선 로브로 구성된 큰 N말단 엑토도메인을 포함합니다. SARS-CoV RBD가 ACE2에 결합된 복합체 구조는 바이러스 RBD가 외부 서브도메인을 사용하여 수용체의 N말단 로브에만 결합한다는 것을 보여줍니다(그림 3). 424-494번 잔기는 수용체 결합 모티프(RBM)라고도 불리며, ACE2의 가장 N말단 나선을 감싸고 있습니다. 또한 RBM의 두 개의 융기 부분이 수용체와 추가로 상호작용합니다. 복합체 형성 시 매몰된 표면적은 SARS-CoV RBD에서 927.8Ų, ACE2에서 884.7Ų입니다. 결합 계면에는 수용체의 최소 18개 잔기와 RBD의 14개 잔기가 관여하며, RBD/ACE2 상호작용을 주도하는 친수성 접촉 네트워크를 형성합니다. ACE2에 결합한 후 SARS-CoV 외피와 숙주 세포막의 융합은 S2 소단위체에 의해 수행됩니다.

그림 3- SARS-CoV RBD와 수용체 ACE2의 복합체 구조 (Guangwen Lu, 2015)

RBD의 코어(녹색)와 외부 서브도메인(보라색), ACE2의 N말단 로브(청록색)와 C말단 로브(주황색)가 괄호 안에 표시된 색으로 구분되어 있습니다.

SARS-CoV-2 균주는 SARS-CoV와 약 79%의 서열 동일성을 보입니다. 더 나아가 SARS-CoV-2 RBD의 서열과 RBM과 ACE2의 상호작용 메커니즘 모두 SARS-CoV의 것과 유사하다는 것이 밝혀졌습니다. 따라서 연구자들은 ACE2 수용체가 인간의 SARS-CoV-2 감염에 핵심적인 수용체 단백질일 가능성이 높다고 추측했습니다.

SARS-CoV RBM과 비교했을 때 SARS-CoV-2 RBM은 ACE2 결합 영역에서 떨어진 루프에 1개 잔기 삽입만이 다릅니다(그림 4).

그림 4- SARS-CoV와 SARS-CoV-2의 인간 ACE2 인식에 대한 구조 분석 (Yushun Wan, 2020)

A. (인간 ACE2 인식에 최적화된) 설계된 SARS-CoV RBD와 인간 ACE2 사이의 계면에 대한 실험적으로 결정된 구조. SARS-CoV RBD의 5개 잔기는 자연 선택을 거쳤으며 ACE2 인식, 세포 침입 및 SARS-CoV의 숙주 범위에 결정적인 것으로 확인되었습니다.

B. SARS-CoV-2 RBD와 인간 ACE2 사이의 계면에 대한 모델링 구조. 해당 잔기 번호는 SARS-CoV와 SARS-CoV-2의 서열 연관성에 따라 표시되었습니다.

RBD 내 ACE2와 접촉하는 14개 잔기 중 9개는 SARS-CoV-2와 SARS-CoV 사이에서 완전히 보존되어 있으며 4개는 부분적으로 보존되어 있습니다.

SARS-CoV RBD의 479번 잔기는 인간 ACE2의 바이러스 결합 핫스팟 Lys31(즉, 핫스팟-31) 근처에 위치합니다. 핫스팟-31은 소수성 환경에 매몰된 Lys31과 Glu35 사이의 염다리로 구성됩니다. K479N 돌연변이는 RBD/인간 ACE2 계면의 불리한 상호작용을 제거하고 인간 ACE2에 대한 바이러스 결합을 강화하여 사향고양이에서 인간으로의 SARS-CoV 전파에 핵심적인 역할을 합니다. 중요하게도 2019-nCoV RBD의 Gln493은 핫스팟-31과 상호작용이 가능하며, 이는 2019-nCoV가 인간 ACE2를 인식하고 인간 세포를 감염시킬 수 있음을 시사합니다.

둘째, SARS-CoV-2 RBD의 501번 잔기(SARS-CoV의 487번 잔기에 해당)는 아스파라긴입니다. 이전 구조 분석에 따르면 SARS-CoV의 487번 잔기는 인간 ACE2의 바이러스 결합 핫스팟 Lys353(즉, 핫스팟-353) 근처에 위치합니다. 핫스팟-353은 역시 소수성 환경에 매몰된 Lys353과 Asp38 사이의 염다리로 구성됩니다. 2002년에 분리된 인간 SARS-CoV에서 487번 잔기는 트레오닌이며, 이는 핫스팟-353의 구조적 안정성을 강화합니다. S487T 돌연변이는 RBD/인간 ACE2 계면에 유리한 상호작용을 추가하고 인간 ACE2에 대한 바이러스 결합을 강화하여 SARS-CoV의 인간 간 전파에 핵심적인 역할을 합니다.

셋째, SARS-CoV-2 RBD의 455번, 486번, 494번 잔기는 각각 류신, 페닐알라닌, 세린입니다(각각 SARS-CoV의 442번, 472번, 480번 잔기에 해당). 이전 구조 분석에 따르면 SARS-CoV RBD의 이 세 잔기는 479번과 487번 잔기만큼 극적이지는 않지만 ACE2 결합에 중요한 역할을 합니다.

아미노산 잔기의 치환에도 불구하고 SARS-CoV-2 스파이크 단백질은 여전히 인간 ACE2 수용체에 상당한 결합 친화도를 가지고 있습니다. 다시 말해 핫스팟-31과 핫스팟-353이 우리가 연구해야 할 중요한 부위일 수 있습니다. 하지만 마우스나 랫트 ACE2는 353번 위치에 히스티딘을 가지고 있으며 바이러스-수용체 상호작용에서 라이신만큼 효율적이지 않으며, 이는 중간 숙주 스크리닝에 대한 근거를 제공합니다.

표 1. 다양한 종의 ACE2와 SARS-CoV RBD 사이의 접촉 (Fang Li, 2016)

SARS-CoV와 MERS-CoV처럼 SARS-CoV-2도 인수공통 기원의 병원체이며 종간 장벽을 넘어 인간을 감염시킬 수 있습니다. 종간 바이러스 전파 메커니즘은 시급히 해결해야 할 중요한 과학적 문제입니다. 이러한 코로나바이러스의 막 단백질이 수용체를 인식하고 세포 융합이 일어나며, 막과 융합하기 전에 스파이크 단백질이 숙주 단백질에 의해 절단되어야 합니다. 이 과정은 바이러스가 숙주를 감염시키는 데 필수적이므로 이 과정을 차단하면 바이러스 감염을 예방할 수 있습니다.

결론

본 글은 스파이크 단백질과 세포막 수용체 단백질 ACE2의 구조 및 이들이 상호작용하는 방식에 대해 설명합니다. 이전 SARS-CoV에 대한 연구를 바탕으로 SARS-CoV-2에 대한 분석은 최종적으로 수용체 단백질의 두 개의 결합 핫스팟인 핫스팟-31과 핫스팟-353에 초점을 맞춥니다. 이 부위와 임상 증상 사이의 관계를 검증하기 위해서는 생체 내 연구가 수행되어야 합니다. 일반적으로 유전자 변형 마우스 모델이 임상 연구의 도구로 사용되며, 이는 백신과 약물 개발에 핵심적일 수 있습니다.

바이러스와 싸우기 위한 연구 노력에는 아직 긴 길이 남아 있습니다. 인간과 미생물 사이의 이 투쟁을 통해 우리가 바이러스라는 적을 더 철저히 이해할 수 있기를 기대합니다.

Cyagen 소개

코로나바이러스의 예방과 관리는 어렵고 지속적인 전쟁입니다. 백신 개발, 신약 스크리닝, 유전자 치료 등 모든 분야에서 질병의 병인 기전과 면역 메커니즘을 검증하기 위해 정확한 동물 모델이 필요합니다. 전문적인 동물 모델 생성 서비스의 선도적인 제공업체로서 사이아젠(Cyagen) R&D 부서는 발병 초기부터 SARS-CoV-2 연구와 관련된 동물 모델 개발을 시작했습니다. 이 질병을 예방하고 관리하는 데 기여할 수 있기를 바랍니다. 어떤 경우에도 우리는 노력을 통합하여 결국 이 전투에서 승리할 수 있을 것이라고 믿습니다.

참고 문헌

1. Roujian Lu, Xiang Zhao, Juan Li, Peihua Niu, Bo Yang, Honglong Wu et al. Genomic characterisation and epidemiology of 2019 novel coronavirus: implications for virus origins and receptor binding. The lancet. 2020.

2. Guangwen Lu, Qihui Wang, George F. Gao. Bat-to-human: spike features determing host jump of coronaviruses SARS-CoV, MERS-CoV, and beyond. Cell press. 2015.

3. Fang Li. Structure, function, and evolution of coronavirus spike proteins. Annual review of virology. 2016.

4. Yushun Wan, Jian Shang et al. Receptor recognition by novel coronavirus from Wuhan: An analysis based on decade-long structural studies of SARS. Journal of virology. 2020.

5. Fang Li et al. Structure of SARS coronavirus spike receptor-binding domain complexed with receptor. Science. 2016.