플라비바이러스의 비구조 단백질 1에 대한 연구 동향
2020-02-04
org.kosen.entty.User@48510f66
최재원(jwchoi0211)
1. 개요
플라비바이러스(Flavivirus)는 플라비비리대 과(Flaviviridae family)의 하위 속(genus)을 일컫는 명칭으로, 황열바이러스(yellow fever virus), 뎅기바이러스(dengue virus), 지카바이러스(Zika virus), 웨스트나일바이러스(West Nile virus), 일본뇌염바이러스(Japanese encephalitis virus) 및 세인트루이스뇌염바이러스(St. Louis encephalitis virus)를 비롯한 수십 종(species)의 바이러스들이 플라비바이러스 속에 해당한다. ‘플라비바이러스’라는 명칭은 라틴어로 노란색을 의미하는 ‘flavus’라는 단어로부터 유래되었으며, 플라비바이러스의 대표적인 종인 황열바이러스에 사람이 감염될 경우 황달(yellow jaundice) 증상을 동반하기 때문에 ‘flavus’라는 단어가 붙여지게 되었다.[1]
플라비바이러스는 주로 진드기(tick)나 모기(mosquito)와 같은 절지동물(arthropod)에 의해 매개되기 때문에, 생태학적으로는 아보바이러스(또는 아르보바이러스)(arbovirus)라고 불리기도 한다. 특히 대유행(outbreak)을 유발했던 황열바이러스, 뎅기바이러스, 지카바이러스, 일본뇌염바이러스와 같은 플라비바이러스는 주로 모기에 물림(bite)으로 인해 사람이 감염되었으며, 실제 모기의 서식지와 감염 환자의 발생지가 밀접한 관련이 있는 것으로 나타났다.[2-5] 흔한 감염 경로는 아니지만, 미처 인지하지 못했던 바이러스 감염자의 혈액 수혈이나 바이러스 감염자와의 성적인 접촉을 통해서도 사람이 플라비바이러스에 감염될 수 있는 것으로 알려져 있다.[6]
최근 들어 지구 온난화로 인해 아열대 및 온대 기후를 보이는 지역이 넓어짐에 따라 플라비바이러스의 주요 숙주인 모기의 서식지가 확대되고 있으며, 항공이나 선박과 같은 운송 수단의 발달에 따른 국가 간 여행객이나 물류가 증가하고 있는 상황이다.[7] 이러한 다양한 환경적인 요인으로 인해 플라비바이러스는 인류를 지속적으로 위협해왔으며, 앞으로도 대유행에 대한 예의주시가 필요한 상황이다. 실제 2010년대 들어서 아프리카, 남미, 아메리카, 아시아-태평양 등의 전 세계 각지에서 황열바이러스, 뎅기바이러스, 지카바이러스, 일본뇌염바이러스 등의 다양한 플라비바이러스 대유행 사례가 발생한 바 있으며, 이는 수 많은 희생자를 발생시켰을 뿐만 아니라 상당한 사회·경제적인 피해를 야기해 세계적으로 큰 골칫거리로 자리잡고 있는 상황이다.[2-6]
플라비바이러스 속에 해당하는 바이러스들은 짧게는 60여 년 전부터 길게는 150여 년 전부터 알려진 바이러스들이지만, 아직까지 이들이 인체에 감염된 이후의 병태생리학적인 기작(mechanism)을 완벽하게 파악하지 못하고 있는 상황이다. 대유행 과정을 겪으면서 일부 플라비바이러스의 경우에는 기존에 알려지지 않았던 새로운 병증이 나타나기도 하였으며, 심각한 후유증을 남기거나 비교적 높은 사망률을 보이기도 했다. 특히 2015년 브라질에서 시작한 지카바이러스 대유행 이후로 플라비바이러스에 대한 관심과 연구가 대폭 증가되었으며, 이러한 과정에서 플라비바이러스에 대한 연구가 다각도로 이루어졌고 이해도 또한 높아졌다.
본 보고서에서는 플라비바이러스들이 갖는 공통적인 구조에 대해 알아보고, 이들을 구성하는 단백질의 종류와 기능에 대해서 파악해보고자 한다. 지금까지의 플라비바이러스 연구에서는 구조 단백질(structural protein)에 대한 연구가 중점적으로 이루어져 왔지만, 최근 4-5년간 비구조 단백질(non-structural protein)에 대한 연구가 활발히 이루어졌기 때문에 비구조 단백질에 대한 이해도 역시 구조 단백질만큼이나 높아지고 있는 상황이다. 그 중에서도 여러 기능(multi-function)을 수행하는 수수께끼 같은 단백질(enigmatic protein)인 비구조 단백질 1(non-structural protein 1, NS1)에 대한 최신 연구 동향을 심층적으로 분석해 보고자 한다.
2. 주요 내용
2.1. 플라비바이러스의 구조
플라비바이러스에 속하는 바이러스들은 모두 공통의 구조를 가지고 있다. 외형(Appearance)은 전자 현미경(electron microscope)을 통해 관찰이 가능한 구의 형태(spherical)로, 직경은 약 40-65 nm인 것으로 알려져 있다. 유전체(Genome)는 양성의 단일가닥 RNA(positive single-stranded RNA, (+)ssRNA)의 형태로 약 10,000-11,000 bp의 크기인 것으로 알려져 있다. 이 유전체는 총 10종의 단백질(구조 단백질 3종, 비구조 단백질 7종)을 암호화하며, 정이십면체형의 형태로 구조 단백질인 캡시드 단백질(icosahedral nucleocapsid protein)이 둘러싸고 있고, 캡시드 단백질을 또 다른 구조 단백질인 외피 단백질(envelope protein)과 막 단백질(membrane protein)이 대칭의 형태(symmetry)로 둘러싸고 있는 형태이다(그림 1(A)).[4,8]
2.2. 플라비바이러스를 구성하는 단백질의 종류와 기능
2.2.1. 구조 단백질(Structural protein)
플라비바이러스의 구조 단백질은 그림 1에 나타낸 바와 같이 캡시드 단백질, 막 단백질, 외피 단백질의 3종으로 구성되어 있으며, 플라비바이러스의 구조를 구성하고 유지하는데 있어 중추적인 역할을 수행하는 것으로 알려져 있다.
그림 1. 플라비바이러스의 구조와 플라비바이러스의 유전체 및 단백질.[8] (A) 플라비바이러스의 구조, (B) 플라비바이러스의 유전체로부터 만들어지는 3종의 구조 단백질(C, prM, E)과 7종의 비구조 단백질(NS1, NS2A, NS2B, NS3, NS4A, NS4B, NS5). 그림에서 C는 캡시드(capsid), 전구체(precursor), M은 막(membrane), E는 외피(envelope), NS는 비구조 단백질(non-structural protein)을 의미함. (본 그림은 참고문헌 8의 그림을 인용하여 재구성함.)
먼저 캡시드 단백질은 플라비바이러스의 유전체를 보호하는 기능을 수행하기 때문에, 핵산을 감싸는 뉴클레오캡시드의 조립에 있어 블록의 역할을 수행하는 구조 단백질이다. 최근의 연구 결과에서는 뉴클레오캡시드의 조립뿐만 아니라, RNA 포장(packaging)이나 감염된 세포 내에서 일부 조립에 필요한 단백질의 이동에 관여할 것으로도 생각되고 있다.[9]
막 단백질은 바이러스 입자를 조립하는 역할을 수행하는 구조 단백질로, 초기에는 전구체 막 단백질(precursor membrane protein, prM)의 형태로 존재하며 소포체(endoplasmic reticulum)에서 외피 단백질과의 상호작용하여 뉴클레오캡시드의 형성을 돕는 것으로 알려져 있다. 바이러스 입자가 어느정도 성숙 단계에 이르면 전구체 막 단백질의 특정 부위가 잘려나가 막 단백질이 되면서 외피 단백질이 이량체(dimer)를 형성할 수 있게끔 하며, 바이러스 입자의 완전한 성숙을 촉진시키는 역할을 수행하는 것으로 알려져 있다. [10]
외피 단백질은 바이러스의 가장 바깥 쪽에 위치하는 구조 단백질로, 바이러스 구조를 안정화하는 역할을 수행하며 숙주 세포와의 부착을 통한 감염을 수행하는 것으로 알려져 있다. 최근의 연구결과에서는 pH 변화의 감지나 신경계 침습(neuro-invasiveness)에 있어 중요한 역할을 하는 것으로 생각되고 있다. [11]
2.2.2. 비구조 단백질(Non-structural protein)
플라비바이러스의 비구조 단백질은 그림 1에 나타낸 바와 같이 3종의 구조 단백질 이외의 단백질로 비구조 단백질 1, 비구조 단백질 2A, 비구조 단백질 2B, 비구조 단백질 3, 비구조 단백질 4A, 비구조 단백질 4B 및 비구조 단백질 5의 7종으로 구성되어 있으며, 플라비바이러스의 구조를 구성하는 직접적인 단백질은 아니기 때문에 구조 단백질에 비해 큰 주목을 받지는 못했었다. 하지만 플라비바이러스의 대유행 과정을 겪으면서 활발해진 연구들을 통해 비구조 단백질에 대한 관심이 높아졌으며, 최근의 연구들을 통해 바이러스의 복제(viral replication)나 숙주의 면역 반응(immune response)으로부터의 회피(evasion)와 관련된 주요 기능을 수행하는 것으로 밝혀졌다.[12]
비구조 단백질 1은 숙주에 존재하는 여러 종류의 단백질 및 지질 분자들과 상호작용하며, 숙주의 면역반응 조절 및 바이러스의 복제 과정에 관여하는 것으로 파악되었으며, 비구조 단백질 2A는 바이러스의 RNA, 전구체 막 단백질/외피 단백질 복합체, 비구조 단백질 2B/비구조 단백질 3복합체를 바이러스 입자의 조립 부위로 모아 형태형성(morphogenesis)을 조절하는 역할을 수행하는 것으로 파악되었다.[12,13] 비구조 단백질 2B는 C-말단(C-terminal)을 통해 비구조 단백질 3과 결합하여 소포체에서 비구조 단백질 3이 단백질 분해효소(protease)의 기능을 수행할 수 있도록 하는 기능을 수행하는 것으로 파악되었으며, 비구조 단백질 4A와 4B는 서로 상호작용을 통해 소포체의 막과 연관된 바이러스 복제를 위한 복합체의 필수 요소로 소포체 막의 재배열(rearrangement)의 기능을 수행하는 것으로 파악되었다.[14,15] 마지막으로 비구조 단백질 5는 플라비바이러스들 사이에서 비교적 상동성이 높은 단백질로, 바이러스 RNA의 복제를 위한 RNA 중합효소(polymerase) 및 숙주의 선천 면역 체계(innate immune system)을 억제하는 기능을 수행하는 것으로 파악되었다.[16]
아직까지 플라비바이러스를 구성하는 여러 비구조 단백질에 대한 기능을 완벽하게 이해하고 있지는 못하지만, 최근 들어 인체 감염 이후에 대한 바이러스의 생존 및 증식 기작의 이해와 임상 분야에서의 활용에 있어 중요도가 높아지고 있는 비구조 단백질 1에 대한 연구 동향을 보다 심층적으로 분석해보고자 한다.
2.3. 플라비바이러스 비구조 단백질 1의 구조, 형태 및 기능
2.3.1. 플라비바이러스 비구조 단백질 1의 구조와 형태
플라비바이러스의 비구조 단백질 1은 당화(glycosylation) 과정이 이루어지는 당단백질(glycoprotein)로, 분자량은 약 50 킬로달톤(kilodalton, kDa) 내외인 것으로 알려져 있다. 플라비바이러스의 비구조 단백질 1은 단량체(monomer), 이량체(dimer) 및 육량체(hexamer) 등의 다양한 형태로 존재할 수 있는 것으로 알려져 있으며, 주로 이량체와 육량체의 형태로 존재하는 것으로 알려져 있다.[12,17] 절대적인 것은 아니지만, 바이러스 복제 과정의 단계에 따라 단량체 à 이량체 à 육량체의 순서로 존재한다고 보는 것이 보다 정확할 것이다.
X-선 결정학(X-ray crystallography)에 의해 밝혀진 비구조 단백질 1의 3차원 구조를 분석해 보면 3가지의 구별되는 도메인인 β-roll 도메인, Wing 도메인 및 β-ladder 도메인을 포함하고 있는 것으로 파악되고 있으며,[17,18] 비구조 단백질 1의 C-말단에는 분해(cleavage)를 위해 필수적인 8개의 보존된 아미노산 서열(L/M-V-X-S-X-V-X-A)을 가지고 있는 것으로 파악되고 있다.[18] 이러한 구조적인 특징은 단량체로부터 이량체 또는 육량체의 형성, 단백질의 안정화, 숙주 세포 내에 존재하는 단백질 및 지질 분자와의 상호작용, 숙주 세포 내에서의 이동 및 바이러스 복제 등에 필수적인 것으로 생각되고 있다.
2.3.2. 이량체(Dimer) 비구조 단백질 1의 기능
숙주 세포 내(intracellular)에 존재하거나 세포 막(plasma membrane)에 결합해 있는 플라비바이러스의 비구조 단백질 1은 대부분 이량체의 형태로 존재하는 것으로 알려져 있으며, 비구조 단백질 1의 C-말단에 존재하는 6쌍의 시스테인 잔기(cysteine residues)를 통해 이량체를 형성하는 것으로 알려져 있다. 이량체가 형성되지 못한 경우에는 바이러스의 복제 능력과 병독성(virulence)을 상실할 수 있기 때문에, 비구조 단백질 1의 이량체 형성은 바이러스 복제 과정에 있어 필수적이라고 할 수 있다.[18]
이량체 비구조 단백질 1은 단백질을 만들어 세포 곳곳으로 전달하는 세포 소기관인 소포체에서 주로 발견되며, 특히 소포체의 내강(lumen)에서 막과 결합하는 것으로 알려져 있다. 이량체 비구조 단백질 1이 소포체로 이동(translocation)하기 위해서는 특정 아스파라진 잔기(asparagine residue)에 당화가 이루어져야 하는 것으로 알려져 있다. 이 때, 소포체에 존재하는 이량체 비구조 단백질 1은 바이러스의 유전체를 복제하기 위해 바이러스 RNA 및 비구조 단백질 4A/4B와 함께 소포체의 막으로부터 유래된 ‘Vesicle Packets (VPs)’이라는 특별한 구조를 만드는 것으로 알려져 있다. 이 과정에서 이량체 비구조 단백질 1은 숙주의 60S 리보솜 소단위체(ribosome subunit) 단백질들을 비롯한 세포 주기(cell cycle)를 조절하는 단백질, 세포사멸(apoptosis)을 조절하는 단백질과 같은 여러 종류의 숙주 단백질과 상호작용하여 바이러스의 복제가 성공적으로 이루어지도록 하는 기능을 수행하는 것으로 파악되었으며, 비구조 단백질 1에 대한 siRNA(small interfering RNA)를 이용한 연구를 통해 이러한 사실이 밝혀졌다.[18-20]
2.3.3. 육량체(Hexamer) 비구조 단백질 1의 기능
숙주 세포 내에서 분비(secretion)되는 형태로 존재하는 플라비바이러스의 비구조 단백질 1은대부분 육량체의 형태로 존재하는 것으로 알려져 있다. 이량체 비구조 단백질 1이 어느 정도의 바이러스 유전체의 복제 과정을 거친 뒤에 소포체에서 골지(Golgi)로 이동했을 때, 골지에서 글리코시다아제(glycosidase)와 글리코실전달효소(glycosyltransferase)와 같은 효소들에 의해 당(sugars)이 제거되는 것으로 알려져 있다. 이 때, 당이 제거된 이량체의 비구조 단백질 1이 육량체를 이루어 감염된 세포의 밖으로 분비되는 것으로 밝혀졌다. 골지의 성숙이 비구조 단백질 1의 분비에 필수적인 것으로 알려져 있으며, 이 과정에서 다양한 당 분자의 제거(removal)와 첨가(addition)가 이루어지는 것으로 알려져 있다.[12,18-20]
육량체 비구조 단백질 1은 숙주에 존재하는 약 70여 종의 지질 분자들과 결합하는 것으로 파악되고 있으며, 아직까지 이들이 수행하는 기능은 정확하게 밝혀지지 않았다. 분비되는 형태인 육량체 비구조 단백질 1의 가장 중요한 기능은 숙주의 면역 반응을 회피한다는 것인데, 이는 육량체 비구조 단백질 1이 면역 반응을 일으키는 보체계(complement system)를 구성하는 핵심 단백질 중의 하나인 C4 단백질과 복합체를 형성하기 때문이다.[18] 이로 인해 숙주 세포에 의한 바이러스 감지나 바이러스에 감염된 세포의 제거가 어려워져, 궁극적으로는 숙주의 면역 반응을 회피할 수 있게 되는 것으로 알려져 있다.
2.4. 플라비바이러스 비구조 단백질 1의 임상적 유용성
2.4.1. 플라비바이러스 감염 여부의 진단
플라비바이러스의 비구조 단백질 1은 다른 구조 단백질이나 비구조 단백질들과는 달리 감염된 세포로부터 분비될 수 있는 단백질이기 때문에, 특히 육량체 비구조 단백질 1의 경우에는 혈액 내에서의 발견 및 검출이 가능하다는 특징이 있다. 혈액 내에 존재하는 비구조 단백질 1의 농도는 μg/mL 수준으로 알려져 있으며, 다양한 시험법을 통해 검출이 가능한 농도 범위라고 할 수 있다.[12] 또한 비구조 단백질 1의 농도가 높을수록 플라비바이러스 감염으로 인한 병증이 심각해지는 것으로 알려져 있기 때문에, 비구조 단백질 1은 플라비바이러스 감염 여부 확인 및 치료 과정에서의 예후 관찰을 위한 진단용 바이오마커(biomarker)로 매우 유용하다는 이점이 있다.[18,20]
2.4.2. 플라비바이러스 백신 및 치료제의 개발
플라비바이러스에 대한 백신 및 치료제 개발을 위한 타깃(target)으로는 주로 구조 단백질에 해당하는 외피 단백질이 주목을 받아왔다. 외피 단백질이 숙주와의 부착을 통한 진입(entry) 및 감염에 있어 중추적인 역할을 수행하기 때문이다. 그러나 최근 연구 결과들을 종합해보면, 감염 이후의 과정에서 숙주 세포 내에서 바이러스 유전체의 복제나 성숙한 바이러스 입자의 조립을 위해서는 비구조 단백질 1이 시작점인 동시에 중추적인 역할을 하는 것으로 밝혀졌다.[12,18,20] 따라서 플라비바이러스 백신이나 항바이러스제(antiviral agent)의 개발을 위한 타깃으로 비구조 단백질 1이 많은 관심을 끌고 있다. 하지만 비구조 단백질 1로부터 생성된 항체(antibody)가 사람의 피브리노겐(fibrinogen), 혈소판(thrombocyte), 내피세포(endothelial cell)와도 교차적으로 반응하여 출혈(hemorraghe) 등과 같은 반응을 일으킬 수 있는 것으로 나타났다.[12,18] 따라서 이러한 부작용을 제어할 수 있다면 성공적인 플라비바이러스 백신 및 치료제가 개발될 수 있을 것으로 기대된다.
3. 결론
본 보고서에서는 2010년대 들어 아프리카, 남미, 아메리카, 아시아-태평양 등의 전 세계 각지에서 대유행을 유발했던 플라비바이러스에 대한 연구 동향을 대해 분석하였다. 구체적으로는 플라비바이러스에 해당하는 바이러스들이 공통적으로 갖는 외형, 유전체의 구조, 유전체가 암호화하는 단백질들에 대해서 분석하였으며, 플라비바이러스를 구성하는 3종의 구조 단백질과 7종의 비구조 단백질, 총 10종의 단백질의 종류와 이들의 기능에 대해서 간략히 살펴보았다. 특히 본 보고서에서는 2015년 지카바이러스 대유행 과정 이후에 관심 및 연구가 증가한 플라비바이러스의 비구조 단백질 1의 구조와 형태, 형태별 기능, 임상적인 측면에서의 의미 등에 대한 최신 동향을 중점적으로 살펴보았다.
물론 비구조 단백질 1을 비롯한 다양한 비구조 단백질들에 대한 기능을 밝히기 위해 전 세계에서 많은 과학자들이 심혈을 기울이고 있을 것으로 기대된다. 이러한 연구들을 통해 플라비바이러스에 대한 이해도가 높아진다면, 플라비바이러스 감염 예방 및 진단, 플라비바이러스 감염증의 완전한 치료가 가능한 날이 올 수 있을 것으로 기대된다. 또한 향후에 플라비바이러스 감염의 대유행이 발생할 경우, 희생자의 수와 사회·경제적 손실을 최소화할 수 있는 기반이 될 수 있을 것으로 기대된다.
플라비바이러스(Flavivirus)는 플라비비리대 과(Flaviviridae family)의 하위 속(genus)을 일컫는 명칭으로, 황열바이러스(yellow fever virus), 뎅기바이러스(dengue virus), 지카바이러스(Zika virus), 웨스트나일바이러스(West Nile virus), 일본뇌염바이러스(Japanese encephalitis virus) 및 세인트루이스뇌염바이러스(St. Louis encephalitis virus)를 비롯한 수십 종(species)의 바이러스들이 플라비바이러스 속에 해당한다. ‘플라비바이러스’라는 명칭은 라틴어로 노란색을 의미하는 ‘flavus’라는 단어로부터 유래되었으며, 플라비바이러스의 대표적인 종인 황열바이러스에 사람이 감염될 경우 황달(yellow jaundice) 증상을 동반하기 때문에 ‘flavus’라는 단어가 붙여지게 되었다.[1]
플라비바이러스는 주로 진드기(tick)나 모기(mosquito)와 같은 절지동물(arthropod)에 의해 매개되기 때문에, 생태학적으로는 아보바이러스(또는 아르보바이러스)(arbovirus)라고 불리기도 한다. 특히 대유행(outbreak)을 유발했던 황열바이러스, 뎅기바이러스, 지카바이러스, 일본뇌염바이러스와 같은 플라비바이러스는 주로 모기에 물림(bite)으로 인해 사람이 감염되었으며, 실제 모기의 서식지와 감염 환자의 발생지가 밀접한 관련이 있는 것으로 나타났다.[2-5] 흔한 감염 경로는 아니지만, 미처 인지하지 못했던 바이러스 감염자의 혈액 수혈이나 바이러스 감염자와의 성적인 접촉을 통해서도 사람이 플라비바이러스에 감염될 수 있는 것으로 알려져 있다.[6]
최근 들어 지구 온난화로 인해 아열대 및 온대 기후를 보이는 지역이 넓어짐에 따라 플라비바이러스의 주요 숙주인 모기의 서식지가 확대되고 있으며, 항공이나 선박과 같은 운송 수단의 발달에 따른 국가 간 여행객이나 물류가 증가하고 있는 상황이다.[7] 이러한 다양한 환경적인 요인으로 인해 플라비바이러스는 인류를 지속적으로 위협해왔으며, 앞으로도 대유행에 대한 예의주시가 필요한 상황이다. 실제 2010년대 들어서 아프리카, 남미, 아메리카, 아시아-태평양 등의 전 세계 각지에서 황열바이러스, 뎅기바이러스, 지카바이러스, 일본뇌염바이러스 등의 다양한 플라비바이러스 대유행 사례가 발생한 바 있으며, 이는 수 많은 희생자를 발생시켰을 뿐만 아니라 상당한 사회·경제적인 피해를 야기해 세계적으로 큰 골칫거리로 자리잡고 있는 상황이다.[2-6]
플라비바이러스 속에 해당하는 바이러스들은 짧게는 60여 년 전부터 길게는 150여 년 전부터 알려진 바이러스들이지만, 아직까지 이들이 인체에 감염된 이후의 병태생리학적인 기작(mechanism)을 완벽하게 파악하지 못하고 있는 상황이다. 대유행 과정을 겪으면서 일부 플라비바이러스의 경우에는 기존에 알려지지 않았던 새로운 병증이 나타나기도 하였으며, 심각한 후유증을 남기거나 비교적 높은 사망률을 보이기도 했다. 특히 2015년 브라질에서 시작한 지카바이러스 대유행 이후로 플라비바이러스에 대한 관심과 연구가 대폭 증가되었으며, 이러한 과정에서 플라비바이러스에 대한 연구가 다각도로 이루어졌고 이해도 또한 높아졌다.
본 보고서에서는 플라비바이러스들이 갖는 공통적인 구조에 대해 알아보고, 이들을 구성하는 단백질의 종류와 기능에 대해서 파악해보고자 한다. 지금까지의 플라비바이러스 연구에서는 구조 단백질(structural protein)에 대한 연구가 중점적으로 이루어져 왔지만, 최근 4-5년간 비구조 단백질(non-structural protein)에 대한 연구가 활발히 이루어졌기 때문에 비구조 단백질에 대한 이해도 역시 구조 단백질만큼이나 높아지고 있는 상황이다. 그 중에서도 여러 기능(multi-function)을 수행하는 수수께끼 같은 단백질(enigmatic protein)인 비구조 단백질 1(non-structural protein 1, NS1)에 대한 최신 연구 동향을 심층적으로 분석해 보고자 한다.
2. 주요 내용
2.1. 플라비바이러스의 구조
플라비바이러스에 속하는 바이러스들은 모두 공통의 구조를 가지고 있다. 외형(Appearance)은 전자 현미경(electron microscope)을 통해 관찰이 가능한 구의 형태(spherical)로, 직경은 약 40-65 nm인 것으로 알려져 있다. 유전체(Genome)는 양성의 단일가닥 RNA(positive single-stranded RNA, (+)ssRNA)의 형태로 약 10,000-11,000 bp의 크기인 것으로 알려져 있다. 이 유전체는 총 10종의 단백질(구조 단백질 3종, 비구조 단백질 7종)을 암호화하며, 정이십면체형의 형태로 구조 단백질인 캡시드 단백질(icosahedral nucleocapsid protein)이 둘러싸고 있고, 캡시드 단백질을 또 다른 구조 단백질인 외피 단백질(envelope protein)과 막 단백질(membrane protein)이 대칭의 형태(symmetry)로 둘러싸고 있는 형태이다(그림 1(A)).[4,8]
2.2. 플라비바이러스를 구성하는 단백질의 종류와 기능
2.2.1. 구조 단백질(Structural protein)
플라비바이러스의 구조 단백질은 그림 1에 나타낸 바와 같이 캡시드 단백질, 막 단백질, 외피 단백질의 3종으로 구성되어 있으며, 플라비바이러스의 구조를 구성하고 유지하는데 있어 중추적인 역할을 수행하는 것으로 알려져 있다.
그림 1. 플라비바이러스의 구조와 플라비바이러스의 유전체 및 단백질.[8] (A) 플라비바이러스의 구조, (B) 플라비바이러스의 유전체로부터 만들어지는 3종의 구조 단백질(C, prM, E)과 7종의 비구조 단백질(NS1, NS2A, NS2B, NS3, NS4A, NS4B, NS5). 그림에서 C는 캡시드(capsid), 전구체(precursor), M은 막(membrane), E는 외피(envelope), NS는 비구조 단백질(non-structural protein)을 의미함. (본 그림은 참고문헌 8의 그림을 인용하여 재구성함.)
먼저 캡시드 단백질은 플라비바이러스의 유전체를 보호하는 기능을 수행하기 때문에, 핵산을 감싸는 뉴클레오캡시드의 조립에 있어 블록의 역할을 수행하는 구조 단백질이다. 최근의 연구 결과에서는 뉴클레오캡시드의 조립뿐만 아니라, RNA 포장(packaging)이나 감염된 세포 내에서 일부 조립에 필요한 단백질의 이동에 관여할 것으로도 생각되고 있다.[9]
막 단백질은 바이러스 입자를 조립하는 역할을 수행하는 구조 단백질로, 초기에는 전구체 막 단백질(precursor membrane protein, prM)의 형태로 존재하며 소포체(endoplasmic reticulum)에서 외피 단백질과의 상호작용하여 뉴클레오캡시드의 형성을 돕는 것으로 알려져 있다. 바이러스 입자가 어느정도 성숙 단계에 이르면 전구체 막 단백질의 특정 부위가 잘려나가 막 단백질이 되면서 외피 단백질이 이량체(dimer)를 형성할 수 있게끔 하며, 바이러스 입자의 완전한 성숙을 촉진시키는 역할을 수행하는 것으로 알려져 있다. [10]
외피 단백질은 바이러스의 가장 바깥 쪽에 위치하는 구조 단백질로, 바이러스 구조를 안정화하는 역할을 수행하며 숙주 세포와의 부착을 통한 감염을 수행하는 것으로 알려져 있다. 최근의 연구결과에서는 pH 변화의 감지나 신경계 침습(neuro-invasiveness)에 있어 중요한 역할을 하는 것으로 생각되고 있다. [11]
2.2.2. 비구조 단백질(Non-structural protein)
플라비바이러스의 비구조 단백질은 그림 1에 나타낸 바와 같이 3종의 구조 단백질 이외의 단백질로 비구조 단백질 1, 비구조 단백질 2A, 비구조 단백질 2B, 비구조 단백질 3, 비구조 단백질 4A, 비구조 단백질 4B 및 비구조 단백질 5의 7종으로 구성되어 있으며, 플라비바이러스의 구조를 구성하는 직접적인 단백질은 아니기 때문에 구조 단백질에 비해 큰 주목을 받지는 못했었다. 하지만 플라비바이러스의 대유행 과정을 겪으면서 활발해진 연구들을 통해 비구조 단백질에 대한 관심이 높아졌으며, 최근의 연구들을 통해 바이러스의 복제(viral replication)나 숙주의 면역 반응(immune response)으로부터의 회피(evasion)와 관련된 주요 기능을 수행하는 것으로 밝혀졌다.[12]
비구조 단백질 1은 숙주에 존재하는 여러 종류의 단백질 및 지질 분자들과 상호작용하며, 숙주의 면역반응 조절 및 바이러스의 복제 과정에 관여하는 것으로 파악되었으며, 비구조 단백질 2A는 바이러스의 RNA, 전구체 막 단백질/외피 단백질 복합체, 비구조 단백질 2B/비구조 단백질 3복합체를 바이러스 입자의 조립 부위로 모아 형태형성(morphogenesis)을 조절하는 역할을 수행하는 것으로 파악되었다.[12,13] 비구조 단백질 2B는 C-말단(C-terminal)을 통해 비구조 단백질 3과 결합하여 소포체에서 비구조 단백질 3이 단백질 분해효소(protease)의 기능을 수행할 수 있도록 하는 기능을 수행하는 것으로 파악되었으며, 비구조 단백질 4A와 4B는 서로 상호작용을 통해 소포체의 막과 연관된 바이러스 복제를 위한 복합체의 필수 요소로 소포체 막의 재배열(rearrangement)의 기능을 수행하는 것으로 파악되었다.[14,15] 마지막으로 비구조 단백질 5는 플라비바이러스들 사이에서 비교적 상동성이 높은 단백질로, 바이러스 RNA의 복제를 위한 RNA 중합효소(polymerase) 및 숙주의 선천 면역 체계(innate immune system)을 억제하는 기능을 수행하는 것으로 파악되었다.[16]
아직까지 플라비바이러스를 구성하는 여러 비구조 단백질에 대한 기능을 완벽하게 이해하고 있지는 못하지만, 최근 들어 인체 감염 이후에 대한 바이러스의 생존 및 증식 기작의 이해와 임상 분야에서의 활용에 있어 중요도가 높아지고 있는 비구조 단백질 1에 대한 연구 동향을 보다 심층적으로 분석해보고자 한다.
2.3. 플라비바이러스 비구조 단백질 1의 구조, 형태 및 기능
2.3.1. 플라비바이러스 비구조 단백질 1의 구조와 형태
플라비바이러스의 비구조 단백질 1은 당화(glycosylation) 과정이 이루어지는 당단백질(glycoprotein)로, 분자량은 약 50 킬로달톤(kilodalton, kDa) 내외인 것으로 알려져 있다. 플라비바이러스의 비구조 단백질 1은 단량체(monomer), 이량체(dimer) 및 육량체(hexamer) 등의 다양한 형태로 존재할 수 있는 것으로 알려져 있으며, 주로 이량체와 육량체의 형태로 존재하는 것으로 알려져 있다.[12,17] 절대적인 것은 아니지만, 바이러스 복제 과정의 단계에 따라 단량체 à 이량체 à 육량체의 순서로 존재한다고 보는 것이 보다 정확할 것이다.
X-선 결정학(X-ray crystallography)에 의해 밝혀진 비구조 단백질 1의 3차원 구조를 분석해 보면 3가지의 구별되는 도메인인 β-roll 도메인, Wing 도메인 및 β-ladder 도메인을 포함하고 있는 것으로 파악되고 있으며,[17,18] 비구조 단백질 1의 C-말단에는 분해(cleavage)를 위해 필수적인 8개의 보존된 아미노산 서열(L/M-V-X-S-X-V-X-A)을 가지고 있는 것으로 파악되고 있다.[18] 이러한 구조적인 특징은 단량체로부터 이량체 또는 육량체의 형성, 단백질의 안정화, 숙주 세포 내에 존재하는 단백질 및 지질 분자와의 상호작용, 숙주 세포 내에서의 이동 및 바이러스 복제 등에 필수적인 것으로 생각되고 있다.
2.3.2. 이량체(Dimer) 비구조 단백질 1의 기능
숙주 세포 내(intracellular)에 존재하거나 세포 막(plasma membrane)에 결합해 있는 플라비바이러스의 비구조 단백질 1은 대부분 이량체의 형태로 존재하는 것으로 알려져 있으며, 비구조 단백질 1의 C-말단에 존재하는 6쌍의 시스테인 잔기(cysteine residues)를 통해 이량체를 형성하는 것으로 알려져 있다. 이량체가 형성되지 못한 경우에는 바이러스의 복제 능력과 병독성(virulence)을 상실할 수 있기 때문에, 비구조 단백질 1의 이량체 형성은 바이러스 복제 과정에 있어 필수적이라고 할 수 있다.[18]
이량체 비구조 단백질 1은 단백질을 만들어 세포 곳곳으로 전달하는 세포 소기관인 소포체에서 주로 발견되며, 특히 소포체의 내강(lumen)에서 막과 결합하는 것으로 알려져 있다. 이량체 비구조 단백질 1이 소포체로 이동(translocation)하기 위해서는 특정 아스파라진 잔기(asparagine residue)에 당화가 이루어져야 하는 것으로 알려져 있다. 이 때, 소포체에 존재하는 이량체 비구조 단백질 1은 바이러스의 유전체를 복제하기 위해 바이러스 RNA 및 비구조 단백질 4A/4B와 함께 소포체의 막으로부터 유래된 ‘Vesicle Packets (VPs)’이라는 특별한 구조를 만드는 것으로 알려져 있다. 이 과정에서 이량체 비구조 단백질 1은 숙주의 60S 리보솜 소단위체(ribosome subunit) 단백질들을 비롯한 세포 주기(cell cycle)를 조절하는 단백질, 세포사멸(apoptosis)을 조절하는 단백질과 같은 여러 종류의 숙주 단백질과 상호작용하여 바이러스의 복제가 성공적으로 이루어지도록 하는 기능을 수행하는 것으로 파악되었으며, 비구조 단백질 1에 대한 siRNA(small interfering RNA)를 이용한 연구를 통해 이러한 사실이 밝혀졌다.[18-20]
2.3.3. 육량체(Hexamer) 비구조 단백질 1의 기능
숙주 세포 내에서 분비(secretion)되는 형태로 존재하는 플라비바이러스의 비구조 단백질 1은대부분 육량체의 형태로 존재하는 것으로 알려져 있다. 이량체 비구조 단백질 1이 어느 정도의 바이러스 유전체의 복제 과정을 거친 뒤에 소포체에서 골지(Golgi)로 이동했을 때, 골지에서 글리코시다아제(glycosidase)와 글리코실전달효소(glycosyltransferase)와 같은 효소들에 의해 당(sugars)이 제거되는 것으로 알려져 있다. 이 때, 당이 제거된 이량체의 비구조 단백질 1이 육량체를 이루어 감염된 세포의 밖으로 분비되는 것으로 밝혀졌다. 골지의 성숙이 비구조 단백질 1의 분비에 필수적인 것으로 알려져 있으며, 이 과정에서 다양한 당 분자의 제거(removal)와 첨가(addition)가 이루어지는 것으로 알려져 있다.[12,18-20]
육량체 비구조 단백질 1은 숙주에 존재하는 약 70여 종의 지질 분자들과 결합하는 것으로 파악되고 있으며, 아직까지 이들이 수행하는 기능은 정확하게 밝혀지지 않았다. 분비되는 형태인 육량체 비구조 단백질 1의 가장 중요한 기능은 숙주의 면역 반응을 회피한다는 것인데, 이는 육량체 비구조 단백질 1이 면역 반응을 일으키는 보체계(complement system)를 구성하는 핵심 단백질 중의 하나인 C4 단백질과 복합체를 형성하기 때문이다.[18] 이로 인해 숙주 세포에 의한 바이러스 감지나 바이러스에 감염된 세포의 제거가 어려워져, 궁극적으로는 숙주의 면역 반응을 회피할 수 있게 되는 것으로 알려져 있다.
2.4. 플라비바이러스 비구조 단백질 1의 임상적 유용성
2.4.1. 플라비바이러스 감염 여부의 진단
플라비바이러스의 비구조 단백질 1은 다른 구조 단백질이나 비구조 단백질들과는 달리 감염된 세포로부터 분비될 수 있는 단백질이기 때문에, 특히 육량체 비구조 단백질 1의 경우에는 혈액 내에서의 발견 및 검출이 가능하다는 특징이 있다. 혈액 내에 존재하는 비구조 단백질 1의 농도는 μg/mL 수준으로 알려져 있으며, 다양한 시험법을 통해 검출이 가능한 농도 범위라고 할 수 있다.[12] 또한 비구조 단백질 1의 농도가 높을수록 플라비바이러스 감염으로 인한 병증이 심각해지는 것으로 알려져 있기 때문에, 비구조 단백질 1은 플라비바이러스 감염 여부 확인 및 치료 과정에서의 예후 관찰을 위한 진단용 바이오마커(biomarker)로 매우 유용하다는 이점이 있다.[18,20]
2.4.2. 플라비바이러스 백신 및 치료제의 개발
플라비바이러스에 대한 백신 및 치료제 개발을 위한 타깃(target)으로는 주로 구조 단백질에 해당하는 외피 단백질이 주목을 받아왔다. 외피 단백질이 숙주와의 부착을 통한 진입(entry) 및 감염에 있어 중추적인 역할을 수행하기 때문이다. 그러나 최근 연구 결과들을 종합해보면, 감염 이후의 과정에서 숙주 세포 내에서 바이러스 유전체의 복제나 성숙한 바이러스 입자의 조립을 위해서는 비구조 단백질 1이 시작점인 동시에 중추적인 역할을 하는 것으로 밝혀졌다.[12,18,20] 따라서 플라비바이러스 백신이나 항바이러스제(antiviral agent)의 개발을 위한 타깃으로 비구조 단백질 1이 많은 관심을 끌고 있다. 하지만 비구조 단백질 1로부터 생성된 항체(antibody)가 사람의 피브리노겐(fibrinogen), 혈소판(thrombocyte), 내피세포(endothelial cell)와도 교차적으로 반응하여 출혈(hemorraghe) 등과 같은 반응을 일으킬 수 있는 것으로 나타났다.[12,18] 따라서 이러한 부작용을 제어할 수 있다면 성공적인 플라비바이러스 백신 및 치료제가 개발될 수 있을 것으로 기대된다.
3. 결론
본 보고서에서는 2010년대 들어 아프리카, 남미, 아메리카, 아시아-태평양 등의 전 세계 각지에서 대유행을 유발했던 플라비바이러스에 대한 연구 동향을 대해 분석하였다. 구체적으로는 플라비바이러스에 해당하는 바이러스들이 공통적으로 갖는 외형, 유전체의 구조, 유전체가 암호화하는 단백질들에 대해서 분석하였으며, 플라비바이러스를 구성하는 3종의 구조 단백질과 7종의 비구조 단백질, 총 10종의 단백질의 종류와 이들의 기능에 대해서 간략히 살펴보았다. 특히 본 보고서에서는 2015년 지카바이러스 대유행 과정 이후에 관심 및 연구가 증가한 플라비바이러스의 비구조 단백질 1의 구조와 형태, 형태별 기능, 임상적인 측면에서의 의미 등에 대한 최신 동향을 중점적으로 살펴보았다.
물론 비구조 단백질 1을 비롯한 다양한 비구조 단백질들에 대한 기능을 밝히기 위해 전 세계에서 많은 과학자들이 심혈을 기울이고 있을 것으로 기대된다. 이러한 연구들을 통해 플라비바이러스에 대한 이해도가 높아진다면, 플라비바이러스 감염 예방 및 진단, 플라비바이러스 감염증의 완전한 치료가 가능한 날이 올 수 있을 것으로 기대된다. 또한 향후에 플라비바이러스 감염의 대유행이 발생할 경우, 희생자의 수와 사회·경제적 손실을 최소화할 수 있는 기반이 될 수 있을 것으로 기대된다.