생명/의료

우한 신종 코로나바이러스에 대한 연구 결과

발행일 : 2020 / 01 / 22

2020년 1월 21일, 중국과학원 상하이파스퇴르연구소 하오페이(郝沛)/군사의학연구원 국가비상예방통제약물공정기술연구센터 중우(鍾武)/중국과학원 분자식물엑설런스센터 합성생물학중점실험실 리쉬안(李軒) 등 연구팀의 연구 성과가 “Evolution of the novel coronavirus from the ongoing Wuhan outbreak and modeling of its spike protein for risk of human transmission”란 제목으로 “SCIENCE CHINA Life Sciences”에 온라인으로 게재되었다.

해당 논문은 우한(武漢) 폐렴 발생을 야기시킨 신종 코로나바이러스의 진화 근원 및 2002년 광둥 “비전형성폐렴(사스)”의 SARS 코로나바이러스와 “중동호흡기증후군”의 MERS 코로나바이러스와의 유전적 진화관계를 서술하였다. 또한 우한 신종 코로나바이러스 spike-단백질 구조에 대한 시뮬레이션 연산을 통해 동 단백질이 사람의 ACE2 단백질과 작용하여 인간 감염을 매개하는 분자작용경로를 규명하였다. 해당 성과는 우한 신종 코로나바이러스의 잠재적인 사람 간 전염성을 평가함으로써 전염원 및 전파경로의 빠른 시간 내 확인, 고효율적 예방통제 전략 마련에 과학적인 이론근거를 제공하였다.

2019년 12월부터 후베이성 우한시에서 집중적으로 발생하기 시작한 원인불명의 폐렴에 대한 역학조사 결과, 해당 폐렴 병례는 우한시 “화난(華南)해산물시장”과 연관이 있는 것으로 나타났다. 다학제 통합진료 및 실험적 검사를 통해 우한 폐렴은 바이러스성 폐렴으로 확인되었고 2020년 1월 8일에 “우한폐렴” 병원균이 일종의 신종 코로나바이러스임을 기본적으로 확정지었다.

우한폐렴은 2002년 광둥에서 발생한 사스와 유사한 점이 많다. 양자 모두 겨울철에 발생하였고, 초기 병례는 동물교역시장에서 사람과 살아있는 동물과의 접촉에서 비롯되었으며, 알려지지 않은 코로나바이러스 병원균에 의해 유발되었다는 점이다. 2020년 1월 20일 18시 기준으로 중국 경내에서 누계 보고된 신종 코로나바이러스 감염 폐렴 병례는 224건, 그 중 확진병례는 217건(우한시 198건, 베이징시 5건, 광둥성 14건)이고 의심병례는 7건(쓰촨성 2건, 윈난성 1건, 상하이시 2건, 광시좡족자치구 1건, 산둥성 1건)이다. 중국 국외에서 보고된 병례에는 일본 1건, 태국 2건, 한국 1건이 있다. 감염환자 중 의료진 14명이 포함되는 등 해당 신종 코로나바이러스는 사람 간 전염 및 확산 추세를 보이고 있다.

2020년 1월 10일 우한 신종 코로나바이러스의 첫 번째 게놈서열 데이터가 발표되었고 그 후로 환자 몸에서 분리한 일련의 신종 코로나바이러스 게놈서열이 잇따라 발표되었다. 상기 게놈 데이터는 우한 신종 코로나바이러스의 진화 근원 및 발병 병리메커니즘 연구·분석에 중요한 자료를 제공하였다.

연구팀은 우한 신종 코로나바이러스와 SARS/MERS 코로나바이러스와의 관계를 밝히기 위해 상기 3종 코로나바이러스 게놈을 비교하였다. 그 결과 우한 신종 코로나바이러스는 SARS/MERS와 각각 평균 ~70%, ~40% 서열 유사성을 지님을 발견하였다. 그중, 다양한 코로나바이러스가 숙주세포와 작용하는 핵심 spike유전자(S-단백질 인코딩)는 더욱 큰 차이성을 나타냈다.

우한 신종 코로나바이러스의 진화 근원 및 가능한 자연계 숙주를 밝히기 위해 연구팀은 우한 신종 코로나바이러스와 기존에 수집한 대량 코로나바이러스 데이터에 대한 유전적 진화분석을 통해 우한 신종 코로나바이러스는 Beta코로나바이러스속(Betacoronavirus)에 속함을 발견했다. Betacoronavirus는 단백질로 둘러싸인 단일사슬 플러스가닥(plus strand) RNA바이러스로서 사람을 포함한 고등동물에 기생하며 감염시킨다. 계통수에서의 위치를 보면 SARS 바이러스 및 유사SARS(SARS-like) 바이러스 분류군과 인접해 있지만 결코 SARS/유사SARS 바이러스 분류군에 속하지 않는다. 흥미로운 것은 그들 진화에서 공동의 외군(outgroup)은 과일박쥐(fruit bat)에 기생하는 HKU9-1코로나바이러스라는 점이다. 따라서 우한 코로나바이러스와 SARS/유사SARS 코로나바이러스 공동의 조상은 HKU9-1와 유사한 바이러스이다. 우한 코로나바이러스의 진화 이웃 및 외군 모두 다양한 종류의 박쥐에서 발견된데 비추어 우한 코로나바이러스의 자연 숙주 또한 박쥐일 것으로 추정된다. 아마도 우한 코로나바이러스도 2002년에 사스를 유발한 코로나바이러스와 마찬가지로 박쥐에서 사람에 이르는 전염과정 가운데 알려지지 않은 중간숙주 매개체가 있을 가능성이 크다.

우한 신종 코로나바이러스와 SARS/MERS 바이러스와의 유전적 거리가 매우 먼 점을 감안해 연구팀은 우한 신종 코로나바이러스의 사람 감염 메커니즘 및 경로를 분석하였다. SARS/MERS 바이러스의 S-단백질은 각각 사람의 ACE2, DPP4 단백질과의 상호결합을 통해 사람의 호흡기상피세포를 감염시킨다. 연구팀은 우한 코로나바이러스와 SARS/MERS 바이러스 S-단백질의 숙주 수용체 상호작용 영역(RBD 영역) 비교를 통해 RBD영역에서 우한 코로나바이러스와 SARS 바이러스가 비교적 유사함을 발견하였다. 그러나 MERS 바이러스와의 차이가 큰 점에 미루어 S-단백질과 DPP4 상호작용적 사람 감염의 가능성을 배제하였다. 하지만 우한 코로나바이러스 S-단백질이 사람 ACE2와의 상호작용도 큰 어려움이 존재한다(이미 입증된 SARS 바이러스 S-단백질과 ACE2와 상호작용하는 5개 핵심 아미노산 가운데 4개가 우한 코로나바이러스에서 변화가 발생했다).

연구팀은 상기 문제를 해명하기 위해 분자구조 시뮬레이션 연산방법을 사용해 우한 코로나바이러스 S-단백질과 사람 ACE2 단백질 구조 맞물림 연구를 수행하여 놀라운 결과를 얻었다. 비록 우한 코로나바이러스 S-단백질 중 ACE2 단백질과 결합되는 5개 핵심 아미노산 가운데 4개에 변화가 발생하였지만 변화된 아미노산은 오히려 전체적으로 SARS 바이러스 S-단백질과 ACE2 단백질이 상호작용하는 오리지널 구조형태를 매우 완벽하게 유지하고 있었다. 우한 신종 코로나바이러스의 새 구조와 ACE2 단백질의 상호작용력이 소수 수소결합의 손실로 다소 저하(SARS 바이러스 S-단백질과 ACE2 상호작용에 비해 저하)되었으나 결합 자유에너지(binding free energy)는 -50.6 kcal/mol로 여전히 매우 높은 수준에 도달하였다. 동 결과는 우한 코로나바이러스가 S-단백질과 사람 ACE2와의 상호작용 분자 메커니즘을 통해 사람의 호흡기상피세포를 감염시킴을 입증한다. 해당 연구 성과는 우한 코로나바이러스가 사람에 매우 강한 감염력을 보유함을 예측함으로써 과학적인 예방통제, 예방통제 전략 구축, 검사/중재 기술수단 개발 등을 위해 과학적 이론기반을 마련하였다.

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