코로나바이러스는 어떻게 세포에 침입하나? 우리는 어떻게 대응해야 할까?

Dr. Huang | 2020년 3월 2일

2019년 말 중국 중부 지방인 후베이성 우한에서 대규모 질병이 발생했습니다. 이 질병을 유발하는 바이러스는 비말을 통해 호흡기로 침투할 수 있으며, 더욱이 점점 더 빈번해진 교통 상황과 휴가 시즌 전후의 이동으로 인해 바이러스가 매우 빠르게 확산되었습니다. 불과 한 달 만에 전염병은 중국 전역으로 퍼졌습니다. 바이러스 감염은 발열, 호흡 곤란, 간 및 신장 기능 손상, 심한 기침 및 폐렴 등의 증상을 유발할 수 있으며, 일부 중증의 경우 쇼크나 심지어 사망에 이를 수도 있습니다.

이 전염병의 배경에는 어떤 원인이 있습니까?

이 재난을 일으키는 바이러스는 SARS-CoV-2라고 불리며, 이 바이러스에 감염되면 2019년 코로나바이러스 감염증(COVID-19)이 발병할 수 있습니다. SARS-CoV-2는 코로나바이러스 아과의 β속에 속하며, SARS(중증 급성 호흡기 증후군)와 MERS(중동 호흡기 증후군)를 유발하는 바이러스와 동일한 속에 분류됩니다. 이름에서 알 수 있듯이 SARS-CoV-2 바이러스와 2002년 발병한 SARS-CoV는 유전자 서열 유사성이 약 79%로 더 가까운 친연 관계를 가지고 있습니다.

위에서 언급한 세 가지 바이러스 외에도 인간에게 감염되는 것으로 알려진 다른 4가지 병원성 코로나바이러스가 있습니다. 다행히도 이들은 기본적으로 인간과 평화롭게 공존할 수 있으며, 우리의 면역력이 저하될 때만 가끔 인간에게 침입하여 일반적인 감기 증상을 유발합니다. 이러한 일반적인 바이러스는 인간 면역 체계에 기록되어 있으므로 면역 세포와 항체에 의해 쉽게 포착되어 제때 제거되어 추가 감염을 예방할 수 있습니다. 그러나 SARS와 MERS를 유발하는 바이러스는 면역 체계가 한 번도 만난 적이 없습니다. 따라서 바이러스 발병 초기에는 우리 몸이 인간 선천성 면역 반응의 다양한 메커니즘을 사용하여 자신을 방어할 수밖에 없습니다. 이러한 상황에서 바이러스의 면역 회피로 인해 일부 사람들의 면역 체계가 반응이 너무 느리거나 과도하게 반응하여 자신의 세포를 공격하여 세포 사멸을 유발합니다. 2002년과 2012년 SARS와 MERS의 확산으로 전 세계가 갑자기 대응에 어려움을 겪었습니다. 전 세계적으로 SARS 확진 감염자는 8,000명 이상, MERS 확진 감염자는 2,000명 이상이었으며, 치명률은 각각 9.6%와 35%였습니다.

그림 1. 인간 코로나바이러스 (Fung & Liu, 2019)

병원성 코로나바이러스는 자연 숙주에서 인간으로 어떻게 전파될 수 있습니까?

7가지 병원성 코로나바이러스의 자연 숙주 5가지는 박쥐이며, 나머지 2가지는 야생 설치류에서 유래합니다. 인간 건강에 심각한 위협을 가하는 세 가지 유형의 코로나바이러스(SARS-CoV, MERS-CoV, SARS-CoV-2)는 현재 박쥐에서 유래한 것으로 믿어지고 있습니다. SARS-CoV의 중간 숙주는 사향고양이이고, MERS-CoV의 중간 숙주는 낙타입니다. SARS-CoV-2의 중간 숙주는 아직 확인되지 않았기 때문에 야생 동물을 직접 섭취하여 질병이 발생했다는 우려가 있습니다. 그렇다면 바이러스가 박쥐에서 인간으로 직접 전염될 수 없는 이유는 무엇일까요? 이는 주로 박쥐가 대부분 인간 활동과 멀리 떨어진 지역에 서식하므로 바이러스가 인간과 밀접하게 접촉하는 다른 동물을 통해 전달되어야 하기 때문입니다. 두 번째로 바이러스가 다른 종 내에서 재조합되어 인간에게 더 효과적으로 감염될 필요가 있기 때문입니다.

그림 2. 병원성 Coronavirinae의 숙주 이동 (Fung & Liu, 2019)

코로나바이러스의 구조

적과 대응하기 위해서는 먼저 그의 장비를 이해해야 합니다. 우리는 바이러스가 본래의 구조에 어떤 약점을 가지고 있는지 알아야 합니다. 코로나바이러스의 가장 두드러진 특징은 가장자리에 있는 돌기(왕관과 유사)로, 이 돌기를 스파이크(S) 당단백질이라고 합니다. 이들은 열쇠처럼 기능하여 세포막에 있는 자물쇠(막 수용체)에 결합하여 세포 내부로 들어가는 문을 엽니다. 스파이크 당단백질 구조는 바이러스 게놈의 S 유전자에 의해 합성되며 지질막에 연결됩니다. 바이러스막은 세포막과의 융합을 통해 숙주 세포로의 침입을 촉진할 뿐만 아니라 바이러스를 면역 체계로부터 보호하는 역할도 합니다.

그림 3. 코로나바이러스의 구조 (Jie Cui et al., 2019 및 https://www.vice.com)

다음 층은 바이러스의 외피입니다. 막과 달리 이 층은 단백질로 구성되어 있으며 바이러스를 보호하는 역할도 합니다. 75% 알코올이 신종 코로나바이러스를 죽일 수 있는 이유는 이 외피의 단백질을 변성시켜 바이러스를 파괴하기 때문입니다.

외피 내부에는 RNA와 RNA와 결합하여 바이러스의 안정성을 유지하는 핵단백질이 있으며, 이는 바이러스의 핵심입니다. 기존의 막 구조를 제외한 다른 바이러스 구조는 세포 내부에서 합성되어야 합니다. 코로나바이러스의 +ssRNA 사슬은 세포 기구를 '강탈'하여 직접 단백질 합성을 유도할 수 있다는 점에서 독특합니다. 그림 3에서 pp1a와 pp1b는 복제 과정과 관련된 약 16가지 효소를 암호화합니다. 이 두 개의 열린 해독틀의 길이는 바이러스 총 RNA의 약 2/3를 차지하며, 다른 구조 단백질은 약 1/3을 차지합니다.

인간에게 감염될 수 있는 모든 바이러스 중 2019년 SARS 바이러스는 SARS-CoV-2와 가장 가까운 관계에 있으며, 유전자 서열 유사성이 79%입니다. 전체 게놈 비교 외에도 과학자들은 두 개의 중요한 열린 해독틀 내의 RNA 서열을 별도로 비교하여 2019년 코로나바이러스의 스파이크 단백질이 2002년 SARS 바이러스의 스파이크 단백질과 상당히 다르다는 것을 발견했습니다. 그러나 최근 연구에 따르면 신종 코로나바이러스는 스파이크 단백질이 세포 표면 수용체 ACE2에 결합하여 기관지 상피 세포와 폐포 세포에 침입한 것으로 보이며, 이는 SARS가 세포 침입을 매개하는 동일한 표적 단백질입니다. SARS 바이러스에 대한 연구에 따르면 코로나바이러스의 스파이크는 주로 S1과 S2 소단위로 구성되어 있으며, S1은 ACE2와의 결합을 담당하며 백신 개발의 표적이기도 하고, S2 소단위는 바이러스의 세포 내재화를 담당합니다.

그림 4. 코로나바이러스의 게놈, 스파이크 유전자 및 스파이크 단백질 구조 (Wu et al. 2020, Chan et al. 2020 및 Jiang et al. 2020)

바이러스를 제거하기 어려운 이유는 진화 속도가 매우 빠르기 때문이며, 특히 +ssRNA를 유전 물질로 사용하는 바이러스는 더욱 그렇습니다. 이러한 +ssRNA 바이러스는 DNA 이중 나선의 안정성이 부족하고 숙주 RNA와 재조합도 일어나기 때문에 돌연변이 빈도가 매우 높습니다. 대부분의 돌연변이는 바이러스에 해롭지만, 이는 종의 매우 빠른 복제 속도로 해결됩니다. 환경의 발전 방향에 적응할 수 있는 단일 돌연변이가 존재하기만 하면 돌연변이 바이러스가 빠르게 증식합니다.

코로나바이러스는 세포를 어떻게 침입합니까?

인간 세포에 대한 코로나바이러스 감염은 7단계로 나뉩니다:

(1) 우선 세포와 결합할 수 있어야 하는데, 이는 세포 표면의 단백질이 바이러스 표면의 스파이크 구조와 일치해야 함을 의미합니다. 두 구조가 일치하면 세포는 리소좀을 통해 "바이러스를 집안으로 초대"합니다.

(2) 그 다음 리소좀은 절차에 따라 외막과 단백질 외피를 용해시킵니다.

(3) 이것이 바로 바이러스가 계획한 것입니다. 이 과정에서 바이러스 RNA가 세포 내로 방출되고, 세포 내부의 번역 시스템을 사용하여 자신의 RNA 일부를 후속 과정에 필요한 효소로 직접 전사합니다.

(4) 이전 단계와 동시에 바이러스 RNA는 계속해서 세포의 기구를 사용하여 자신을 복제합니다.

(5) 복제된 바이러스 RNA는 세 번째 단계에서 합성된 효소를 사용하여 세포의 소포체(ER)에서 자신의 외부 단백질을 번역합니다.

(6) 일련의 작업 후에 다량의 바이러스 부품이 준비되면 완전한 바이러스 제품으로 조립됩니다.

(7) 마지막으로 완성된 바이러스를 포함하는 소포체가 세포막과 융합되어 바이러스가 방출됩니다. 방출된 바이러스는 다른 세포에서도 동일한 과정을 거쳐 침입 주기가 다시 시작됩니다.

그림 5. 코로나바이러스 침입 및 복제 경로 (Fung & Liu, 2019)

신종 코로나바이러스 치료에 어떤 치료법을 적용할 수 있습니까?

SARS-CoV-2의 감염 메커니즘에 대한 연구는 이제 시작 단계이지만, 다른 코로나바이러스와 구조적 유사성으로 인해 침입 과정은 다른 병원성 인간 코로나바이러스와 유사할 수 있습니다. 우리는 바이러스 침입의 7단계 각각을 표적으로 하는 약물을 설계할 수 있습니다. 어느 단계에서 침입 진행을 차단하든 질병이 통제될 것입니다. 현재 항바이러스 방법은 주로 세 가지 범주로 나뉩니다: 혈청/항체 치료, 백신 치료, 화학 약물 치료.

혈청/항체 치료

이론적으로 SARS-CoV-2 침입에서 회복 중인 많은 환자들은 신종 코로나바이러스에 작용하는 항체를 생산할 수 있습니다. 회복된 환자의 혈액에서 항체를 추출하는 것만으로 효과가 있을까요? 불행히도 대답은 분명히 "아니오"입니다.

(1) 혈청의 성분이 복잡합니다: 인체에서 생산된 항체는 자신의 면역 체계와 일치합니다. 이 항체를 다른 사람에게 사용하면 위험한 거부 반응이 발생할 수 있습니다.

(2) 인체는 생물 반응기가 아니므로 인체 내에 이러한 종류의 항체가 많지 않습니다. 더욱이 바이러스를 성공적으로 제거한 후 항체는 감소합니다. 또한 추출 과정에서 항체의 일부 손실이 발생하므로 회복된 환자로부터 얻는 항체는 충분하지 않습니다.

(3) 단일클론항체(mAb)는 생산 주기가 길어 비용이 높기 때문에 기존 환자 치료에 널리 사용하는 것은 현실적이지 않습니다.

백신 치료

천연두는 전 세계적인 백신 노력으로 근절되었습니다. 백신은 비교적 '안정적인' DNA 바이러스를 다루는 데 능숙하지만, 일부 변덕스러운 ssRNA 바이러스는 같은 접근 방식으로 쉽게 다루어지지 않습니다. 천연두 바이러스는 고도로 안정적인 이중 가닥 DNA 구조를 가지고 있어 빠르게 변하기 어려우므로 인간이 더 쉽게 제거할 수 있습니다. 백신의 원리는 항원을 주입하여 체내에서 면역 반응을 일으키는 것이기 때문에 백신은 동일한 항원 결정기를 가진 바이러스만 모방할 수 있습니다. 돌연변이로 인해 바이러스 구조가 계속 변하면 이전 백신 접종을 통해 합성된 항체와 기억 세포는 모두 쓸모없게 됩니다. 또한 새로운 백신의 개발 주기가 너무 길어 현재 시간에 민감한 상황에 대응하기 어렵습니다.

화학 약물 치료

시간과 현재 연구 진행 상황을 모두 고려할 때 최선의 치료 옵션은 약물 치료를 추구하는 것입니다. 약물 개발의 경우 약물이 건강한 숙주 세포의 정상적인 단백질에 영향을 미치지 않으면서 바이러스의 특정 구조를 인식할 수 있는 것이 좋습니다. 숙주 전체에 영향을 미치지 않기 위해 약물을 사용하여 바이러스와 관련된 단백질을 약화시켜 증식을 억제할 수도 있습니다.

현재까지 알려진 코로나바이러스는 침입의 7단계에서 숙주 세포를 '강탈'하여 바이러스에 대한 내부 서비스를 제공합니다. 아래 표는 신종 코로나바이러스(SARS-CoV-2) 발병 이전에 알려진 모든 인간 감염 코로나바이러스(hCoV)의 '배신자' 숙주 단백질을 요약한 것입니다. 빨간색 상자는 강한 병원성 균주와 관련된 숙주 단백질을 나타냅니다.

그림 6. 코로나바이러스 침입 관련 숙주 단백질 (Fung & Liu, 2019)

• 이러한 숙주 단백질 중 ACE2는 SARS-CoV-2와 관련된 수용체입니다. 이는 또한 SARS 바이러스의 수용체이기도 하며, DPP4는 MERS의 침입을 매개합니다.
• 카텝신 L, 퓨린 및 TMPRSS11D는 S 단백질을 절단하여 바이러스가 세포막에 들어가는 것을 돕습니다.
• GSK3는 핵단백질을 인산화하여 바이러스 복제를 돕고, hnRNPA1도 바이러스 RNA 합성에 역할을 합니다.
• N-연결 글리코실화 효소는 번역된 스파이크(S) 단백질과 막(M) 단백질에 작용하며, ER 분자 샤페론은 스파이크 단백질의 올바른 접힘을 담당합니다.

위에서 언급한 숙주 인자는 SARS-CoV-2 항바이러스 약물 연구의 잠재적 표적이 될 수 있지만, 밀접하게 관련된 SARS-CoV로부터 제한된 양만 추론할 수 있습니다. SARS-CoV-2의 침입 메커니즘을 명확히 이해하기 전에 우리는 알려진 SARS-CoV 경로를 사용하여 표적을 빠르게 식별할 수 있습니다. 더 중요한 것은 이러한 단백질이 정상적인 인간 생활 활동에 필요하기 때문에 SARS-CoV-2 감염 메커니즘에 대한 기초 연구가 시급하다는 것입니다.

이러한 잠재적 표적 중 숙주 세포 표면 수용체가 특히 중요합니다. 이는 바이러스 분자가 세포에 들어가면 필요한 약물도 세포에 들어갈 수 있어야 하기 때문에 많은 생물 거대분자 약물(예: 항체)이 세포에 들어갈 수 없으므로 의심의 여지없이 약물 설계의 어려움이 증가하기 때문입니다. 세포 내부에서의 바이러스 활동은 주로 숙주 세포가 제공하는 단백질과 에너지에 의존하므로 많은 억제제의 부작용도 중요합니다. 따라서 막 표면 수용체를 목표로 하는 약물 연구 개발은 세포가 직접 '바이러스를 문 밖에 내보내는' 것을 돕는 최선의 방법입니다.

현재 연구에 따르면 ACE2는 SARS-CoV-2와 SARS-CoV의 감염과 관련이 있으며, DPP4는 MERS-CoV의 감염과 관련이 있습니다. 현재 APN은 HCoV-229e 코로나바이러스의 감염과만 관련이 있는 것으로 밝혀졌습니다. 그러나 이 바이러스는 심각한 질병을 유발하지 않고 가벼운 감기 증상만 유발합니다. APN과 결합한 hCoV 균주가 아직 치명적인 질병을 유발하지는 않지만, 폐 조직에서 APN의 발현 수준은 (MERS 바이러스 수용체 DPP4와 마찬가지로) ACE2보다 높습니다. 인체가 새로운 바이러스에 감염되면 APN 숙주 인자를 이용할 경우 MERS만큼 심각한 치명적인 호흡기 질환을 유발할 수 있습니다. 더욱이 단일 가닥 RNA를 가진 코로나바이러스의 스파이크 단백질 암호화 유전자는 돌연변이가 매우 쉽게 일어나 언제든지 표적을 변경할 수 있습니다. 따라서 이 세 가지 종류의 수용체에 대한 지속적인 연구와 약물 개발은 현재 전염병 통제뿐만 아니라 향후 잠재적인 발병에 대비할 수 있는 지식을 얻는 데 매우 중요합니다.

현재 전염병에 대응하고 향후 발병을 예방하려면 어떻게 해야 합니까?

자연계의 대부분의 바이러스는 매우 특이적이며 일반적으로 몇 종만 감염시킵니다. 가장 성공적인 바이러스는 숙주에게 생명을 위협하지 않습니다. 그러나 다른 종이 바이러스와 간접적으로 자주 접촉하면 바이러스와 잠재적 숙주 간의 유전 물질 교환이 발생할 수 있습니다. 이러한 교환은 바이러스가 새로운 숙주 종에 적응하거나 더 심각한 감염을 유발하여 예측할 수 없는 영향을 가져옵니다.

이 재난에서 얻은 몇 가지 교훈이 있지만, 모든 사람이 충분한 안전 예방 조치 없이 야생 동물을 피함으로써 알려지지 않은 바이러스 감염의 가능성을 줄이는 역할을 할 수 있습니다. 우리는 또한 의학 연구, 특히 최전선에서 싸우는 의료진에게 강력한 항바이러스 도구와 충분한 물류 기술 지원을 제공하기 위한 기초 연구에 대한 투자를 늘려야 합니다. 전염병에 대응하는 것 외에도 향후 바이러스 발병 예방에도 중점을 두어야 합니다.

현재 딥러닝과 인공지능(AI)이 빠르게 발전함에 따라 기존 연구에 축적된大量의 바이러스 게놈 데이터와 돌연변이 데이터와 함께 이러한 기술을 사용할 수 있습니다. 바이러스의 서열을 분석하고 바이러스 돌연변이로 발생할 수 있는 숙주 이동의 확률을 예측하며 스파이크 단백질 및 기타 핵심 구조의 3차원 형태를 미리 정확하게 구축할 수 있다면 약물 설계의 잠재적 가속화는 바이러스에 대응하는 우리의 전망을 개선할 것입니다. 바이러스 적을 먼저 예측하는 것은 바이러스로 인한 인간 피해를 최소화하고 심지어 바이러스가 우리 종에 감염되기 전에 제거할 것입니다.

후기

백신 개발, 신약 개발, 유전자 치료 등 어떤 분야든 COVID-19와 같은 질병의 발병 메커니즘과 면역 메커니즘을 검증하려면 정확한 동물 모델이 필요합니다. 성숙한 동물 모델 서비스 제공업체로서 Cyagen의 R&D 전문가들은 전 세계 전염병 예방 노력에 기여하기 위해 SARS-CoV-2 연구와 관련된 동물 모델 개발에 최선을 다하고 있습니다.

코로나바이러스는 주로 막 수용체와 결합하여 인간 세포에 침입합니다. hCoV 감염과 관련된 세 가지 세포 수용체가 있습니다: ACE2, DPP4, APN.

• ACE2는 SARS-CoV-2와 SARS 감염 모두와 관련이 있으며 세포 침입을 매개합니다.
• DPP4는 MERS-CoV 감염과 관련이 있습니다.
• APN은 HCoV-229E 감염과만 관련이 있는 것으로 밝혀졌습니다(이는 심각한 질병을 유발하지 않습니다).

APN 수용체는 치명적인 질병과 관련이 없지만, 폐에서의 높은 발현 수준(DPP4와 유사)으로 인해 인체가 감염되면 MERS만큼 심각한 호흡기 질환을 유발하는 이상적인 바이러스 표적이 됩니다. 세포 표면 수용체와 결합하는 스파이크 단백질을 암호화하는 코로나바이러스의 S 유전자는 높은 돌연변이율을 겪어 표적 수용체에 대한 바이러스 친화도를 변경할 수 있어 완전히 새로운 방식으로 세포에 들어갈 수 있게 하며, 이는 심각하게 생명을 위협할 수 있습니다. 이러한 이유로 Cyagen의 생물학 전문가 팀은 전염병 예방 및 통제 연구에 기여하기 위해 가장 먼저 코로나바이러스의 세 가지 주요 수용체에 대한 유전자 변형 모델 개발을 수행했습니다.

참고 문헌

1. To Sing Fung and Ding Xiang Liu. Human Coronavirus: Host-Pathogen Interaction. Annual Review of Microbiology. Vol. 73, (2019).

2. Zhou, P. et al. A pneumonia outbreak associated with a new coronavirus of probable bat origin. Nature https://doi.org/10.1038/s41586-020-2012-7, (2020).

3. Wu, F. et al. A new coronavirus associated with human respiratory disease in China. Nature https://doi. org/10.1038/s41586-020-2008-3, (2020).

4. Jie Cui et al. Origin and evolution of pathogenic coronaviruses. Nature reviews. (2019).

5. Shibo Jiang et at. An emerging coronavirus causing pneumonia outbreak in Wuhan, China: calling for developing therapeutic and prophylactic strategies. Emerging microbes&infections. (2020).

6. Chan et at. A familial cluster of pneumonia associated with the 2019 novel coronavirus indicating person-to-person transmission: a study of a family cluster, The Lancet, (2020).