코로나 바이러스 유전자와 단백질 구조

다음은 뉴욕 타임즈의 "Bad News Wrapped in Protein: Inside the Coronavirus Genome" 기사를 한국어로 번역한 것입니다.

(By Jonathan Corum and Carl ZimmerApril 3, 2020)

출처: https://www.nytimes.com/interactive/2020/04/03/science/coronavirus-genome-bad-news-wrapped-in-protein.html?smid=tw-nytimesscience&smtyp=cur

 

 

바이러스는 “단순히 단백질에 싸인 나쁜 소식”이라고 1977년 생물학자 Jean과 Peter Medawar는 말했다.

 

2020년 1월, 과학자들은 아주 나쁜 소식 -Covid-19를 일으키는 바이러스인 SARS-CoV-2의 게놈을 해독했다. 이 샘플은 우한의 해산물 시장에서 일한 41 세의 한 남자에게서 나왔으며, 이 곳에서 첫 번째 사례 군이 나타났다.

연구원들은 현재 이 바이러스성 구조를 이해하기 위해 경쟁하고 있으며, 이는 계속되는 유행성 퇴치와 싸우기 위해 약물, 백신 및 기타 도구의 개발을 촉진할 수 있다.

 

RNA의 문자열

바이러스는 살아있는 세포를 가로채서 복제하고 확산시킨다. 코로나 바이러스가 적합한 세포를 찾으면, 전체 코로나 바이러스 게놈을 포함하는 RNA 가닥을 (그 세포에) 주입한다.

새로운 코로나 바이러스의 게놈 길이는 30,000 개 미만의 "문자"이며, 과학자들은 코로나 바이러스 복제에서 신체의 면역 반응 억제에 이르기까지 다양한 작업을 수행하는 29개의 단백질에 대한 유전자를 확인했다.

 

RNA 문자의 첫 번째 시퀀스는 다음과 같다.

이 서열은 감염된 세포 내부의 기계를 모아 RNA 문자(a, c, g 및 u)를 읽고 코로나 바이러스 단백질로 번역하며, 

전체 코로나 바이러스 게놈과 그것이 암호화하는 단백질은 아래와 같다.

 

 

단백질 사슬 · ORF1ab

감염된 세포 내부에서 생성된 첫 번째 바이러스 단백질은, 함께 결합된 16개의 단백질 사슬이다. 이 단백질 중 2개는 가위처럼 작용하여 서로 다른 단백질 사이의 연결을 끊고 작업을 자유롭게 한다. 

(이전의) 다른 코로나 바이러스에 대한 연구를 통해 과학자들은 SARS-CoV-2 단백질 중 일부가 무엇을하는지에 대해 잘 이해하게 되었다. 그러나 그와 다른 단백질은 훨씬 더 신비롭고 일부는 전혀 상관 없을 수도 있다.

 

 

세포질 방해(Cellular Saboteur · NSP1)

이 단백질은 감염된 세포의 자체 단백질 생산 속도를 늦춘다. 이 방해 행위는 세포가 더 많은 바이러스 단백질을 만들도록하고 바이러스를 막을 수있는 항-바이러스 단백질을 조립하지 못하게 한다.

 

미스터리 단백질(Mystery Protein · NSP2)

과학자들은 NSP2가 무엇을 하는지 잘 모르지만, 그것이 부착하는 다른 단백질은 일부 단서를 제공할 수 있다. 그 중 2개는 세포 주위에 엔도솜(endosomes)이라고하는 분자로 채워진 거품을 움직이는 데 도움을 준다.

 

태그 해제 및 절단(Untagging and Cutting · NSP3)

NSP3는 두 가지 중요한 일을 하는 큰 단백질이다. 하나는 느슨한 다른 바이러스성 단백질을 절단하여 자신의 작업을 수행할 수 있도록 하는 것이고, 다른 하나는 감염된 세포의 단백질을 변화시키는 것이다.

일반적으로 건강한 세포는 오래된 단백질을 파괴한다. 그러나 코로나 바이러스는 이러한 태그를 제거하여 단백질의 균형을 바꾸고 세포의 바이러스 퇴치 능력을 감소시킬 수 있다.

염기 서열 (아래 부분은 생략. 원본은 출처 참조)

 

거품제조기(Bubble Maker · NSP4)

다른 단백질과 결합하여 NSP4는 감염된 세포 내에 액체로 채워진 기포를 형성하는 데 도움이 된다. 이 거품 안에는 바이러스의 새로운 복사본을위한 부분이 구성되어 있다.

 

단백질 가위(Protein Scissors · NSP5)

이 단백질은 다른 NSP 단백질이 없이 자체으로 절단함으로써 본 작업을 수행한다.

 

 

거품 공장(Bubble Factory · NSP6)

바이러스 공장 거품을 만들기 위해 NSP3 및 NSP4와 같이 작업한다.

 

복사 보조(Copy Assistants · NSP7 and NSP8)

이 두 단백질은 NSP12가 RNA 게놈의 새로운 복제본을 만드는데 도움을 주며, 궁극적으로 새로운 바이러스 내부에 있게된다.

 

세포의 중심에서(At the Heart of the Cell · NSP9)

이 단백질은 우리 자신의 게놈을 보유하는 감염된 세포의 핵에 작은 채널을 팽창시킨다. 그것은 핵 안팎으로 분자의 움직임에 영향을 줄 수 있지만, 어떤 목적인지는 알 수 없다.

유전자 위장(Genetic Camouflage · NSP10)

인간 세포에는 바이러스 RNA를 찾아 파괴하는 항-바이러스 단백질이 있는데, 이 단백질은 NSP16과 함께 바이러스의 유전자를 위장하여 공격받지 않도록 한다.

 

복사기(Copy Machine · NSP12)

이 단백질은 유전자 문자를 새로운 바이러스 게놈으로 조립한다. 연구자들은 항 바이러스 remdesivir가 다른 코로나 바이러스에서 NSP12를 방해한다는 사실을 발견했으며, 이 약물이 covid-19을 치료할 수 있는지에 대한 시험이 진행되고 있다.

감염된 세포가 NSP12에 대한 RNA 서열을 읽을 때 :

ucagcugaugcacaaucguuuuuaaaca ...

조금 미끄러졌다가, 다시 연속으로 읽음

풀어지는 RNA(Unwinding RNA · NSP13)

일반적으로 바이러스 RNA는 복잡한 꼬임으로 감긴다. 과학자들은 NSP13이 그것을 풀고 다른 단백질이 그 서열을 읽어 새로운 사본을 만들 수 있는지를 의심한다.

바이러스 교정기(Viral Proofreader · NSP14)

NSP12가 코로나 바이러스 게놈을 복제 할 때, 새 복사본에 잘못된 문자를 추가하는 경우가 있다. NSP14는 이러한 오류를 잘라내어 올바른 문자를 대신 추가 할 수 있도록 한다.

 

청소(Cleaning Up · NSP15)

연구진은 이 단백질이 감염된 세포의 항-바이러스 방어에서 숨길 수 있는 방법으로 살아 남은 바이러스 RNA를 절단할 수 있을 거라고 짐작한다. 

 

더 많은 위장(More Camouflage · NSP16)

NSP16은 NSP10과 함께 바이러스 RNA를 절단하는 단백질에서 바이러스의 유전자를 숨길 수 있도록 도와준다.

 

스파이크 단백질(Spike Protein · S)

스파이크 단백질은 코로나 바이러스의 외부 층을 형성하고 내부의 RNA를 보호하는 4 가지 구조 단백질 (S, E, M 및 N) 중 하나이다. 또 이 구조 단백질은 바이러스의 새로운 사본을 조립하고 방출하는 것을 돕는다.

S 단백질은 3 개의 그룹으로 스스로 배열함으로써 바이러스 표면에 현저한 스파이크를 형성한다. 이 왕관 모양의 스파이크가 코로나 바이러스의 이름이 되었다.

스파이크의 일부는 인간 기도의 특정 세포에 나타나는 ACE2 (아래 노란색) 단백질에 확장되어 부착될 수 있고, 이 바이러스는 세포를 침범 할 수 있다. 

SARS-CoV-2의 스파이크 단백질 유전자는 ccucggcgggca라는 12 개의 유전자 문자가 삽입되어 있는데, 이 돌연변이는 스파이크가 인간 세포에 단단히 결합하는 데 도움이 된다. 박쥐와 다른 종에 감염된 바이러스에서 진화하는 데 중요한 단계이며, 많은 과학 팀이 스파이크가 인간 세포에 부착되는 것을 막을 수있는 백신을 설계하고 있다.

 

탈출 아티스트(Escape Artist · ORF3a)

SARS-CoV-2 게놈은 소위 "액세서리 단백질" 그룹을 인코딩하는데, 이는 바이러스가 복제하기 쉽도록 감염된 세포 내부 환경을 변경하는 데 도움이 된다.
ORF3a 단백질은 감염된 세포의 막에 구멍을 뚫어 새로운 바이러스가 쉽게 탈출 할 수 있도록 하며, Covid-19의 가장 위험한 증상 중 하나인 염증을 유발한다.

 

ORF3b는 동일한 RNA와 겹치지만 SARS-CoV-2가이 유전자를 사용하여 단백질을 만드는지는 확실하지 않다.

 

외피 단백질(Envelope Protein · E)

외피 단백질은 바이러스의 유성 기포를 형성하는 것을 돕는 구조적 단백질이다. 바이러스가 세포 안에 들어간 후에 해야 할 일이 있을 수 있는데, 연구자들은 그것이 유전자를 켜고 끄는 데 도움이되는 단백질에 빗장을 건다는 것을 발견했다. E 단백질이 방해를 받으면 패턴이 변할 수 있다. 

막 단백질(Membrane Protein · M)

바이러스의 외피의 일부를 형성하는 또 다른 구조 단백질.

 

신호 차단기(Signal Blocker · ORF6)

이 보조 단백질은 감염된 세포가 면역계로 보낼 신호를 차단한다. 또한 소아마비나 인플루엔자와 같은 다른 바이러스를 겨냥한 것과 같은 세포 자체의 바이러스 퇴치 단백질도 차단한다.

 

 

바이러스 해방자(Virus Liberator · ORF7a)

새로운 바이러스가 세포를 탈출하려고 할 때, 세포는 테더린이라는 단백질로 바이러스에 덫을 걸 수 있다. 일부 연구에 따르면 ORF7a는 감염된 세포의 테더린 공급을 줄이고 더 많은 바이러스를 피할 수 있다고 한다. 연구원들은 또한 단백질이 감염된 세포를 자극하여 자살을 일으켜 Covid-19의 폐 손상을 유발한다는 사실도 발견했다.

ORF7b는 이와 동일한 RNA 스트레치와 겹치지만, 그 유전자가 어떤 역할을 하는지는 분명하지 않다.

 

미스터리 단백질(Mystery Protein · ORF8)

이 보조 단백질의 유전자는 SARS-CoV-2에서 다른 코로나 바이러스와는 크게 다르며, 역할에 대해서는 연구 중이다.

 

뉴클레오캡시드 단백질(Nucleocapsid Protein · N)

N 단백질은 바이러스 RNA를 보호하여 바이러스 내에서 안정적으로 유지하도록 하며, 많은 N 단백질이 긴 나선형으로 서로 연결되어 RNA를 감싸고 있다.

보조 단백질 ORF9b 및 ORF9c는 이 동일한 스트레치 RNA와 중첩된다. ORF9b는 바이러스 방어의 핵심 분자인 인터페론을 차단하지만 ORF9c가 사용되는지는 확실하지 않다.

 

미스터리 단백질(Mystery Protein · ORF10)

SARS-CoV-2 바이러스의 가까운 친척은 이 작은 보조 단백질에 대한 유전자를 가지고 있지 않기 때문에, 아직 이것이 무엇인지 또는 바이러스가 단백질을 만들어 내는지 알 수 없다.

 

끝(End of the Line)

코로나 바이러스 게놈은 세포의 단백질 제조 기계를 막는 RNA 스니펫으로 끝난 다음, aaaaaaaaaaaaa의 반복 시퀀스로 사라진다.

 

 

Note: The four letters of DNA are A, C, G and T. In RNA molecules like the coronavirus genome, the T (thymine) is replaced with U (uracil).

 

Sources: Fan Wu et al., Nature; National Center for Biotechnology Information; Dr. David Gordon, University of California, San Francisco; Dr. Matthew B. Frieman and Dr. Stuart Weston, University of Maryland School of Medicine; Dr. Pleuni Pennings, San Francisco State University; Journal of Virology; Annual Review of Virology.

 

Model sources: Coronavirus by Maria Voigt, RCSB Protein Data Bank headquartered at Rutgers University–New Brunswick; Ribosome from Heena Khatter et al., Nature; Proteins from Yang Zhang’s Research Group, University of Michigan.