COVID-19 치료제 개발 경쟁에서 가장 중요한 단계는 바이러스가 우리 세포에 정확히 어떻게 침투하는지 과학자들이 명확히 이해하는 것입니다. 이러한 통찰은 해당 경로를 차단하는 데 초점을 맞춘 표적 항바이러스제 개발을 뒷받침할 것입니다.
2002년 유행병을 일으켰던 최초의 SARS-CoV 바이러스와 현재 COVID-19를 유발하는 관련 코로나바이러스인 SARS-CoV-2에 대한 연구에 따르면, 두 경우 모두 바이러스 막에서 돌출된 스파이크(S) 단백질이 인간 세포 표면의 단백질인 안지오텐신 전환 효소 2(ACE2)와 결합합니다. 결합 후, 다른 단백질을 조각으로 자르는 인간 효소인 프로테아제(단백질 분해 효소)가 스파이크 단백질을 절단하거나 '프라이밍(priming)'하여 바깥쪽 부분인 S1을 제거하고 안쪽 부분인 S2를 노출시킵니다. 이후 스파이크 단백질의 S2 부분이 바이러스 막과 인간 세포막의 융합을 유도하여 바이러스 유전 물질이 세포 내로 침투해 복제를 시작하게 합니다.최근 게시물에서는 ACE2의 역할을 강조하며 이 과정을 요약했습니다.이번 게시물에서는 인간 프로테아제가 바이러스의 세포 침투를 돕는 역할에 대해 더 자세히 알아보고, 이러한 상호작용을 표적으로 하는 항바이러스 치료법을 살펴보겠습니다.
SARS-CoV-2 스파이크 단백질: 두 부분의 이야기
SARS-CoV-2 스파이크 단백질은 머리 부분이 크고 줄기가 길고 가는 나사 모양과 비슷합니다(그림 1). 세 개의 스파이크 단백질이 서로 결합하여 삼량체를 형성하는데, 이는 예상대로 더 큰 나사 모양을 띱니다. 줄기는 바이러스 막에 삽입되어 머리 부분을 바이러스 바깥쪽으로 고정합니다. 더 큰 머리 영역과 줄기의 일부를 스파이크 단백질의 S1 영역이라고 합니다. 바이러스 막에 더 가까운 나머지 줄기 부분을 S2 영역이라고 합니다.
바이러스가 체내에 침투하여 표면에 ACE2를 발현하는 호흡기, 위장관, 혈관 또는 기타 세포와 접촉하면, 스파이크 단백질의 S1 영역이 세포 표면의 ACE2와 결합하여 바이러스를 인간 세포 외부에 고정합니다. 이것이 바이러스 복제 과정의 첫 번째 단계입니다.
SARS-CoV-2의 다양한 세포 침투 경로
바이러스가 세포에 결합하면 두 가지 다른 침투 경로를 거칠 수 있습니다(그림 2). 어떤 경로를 사용하는지는 스파이크 단백질을 '프라이밍'할 인간 프로테아제가 존재하는지 여부에 달려 있습니다. 프로테아제의 존재 여부는 바이러스가 침투하는 인간 세포의 유형과 해당 세포의 특정 조건에 따라 다릅니다. 막관통 세린 단백질 분해 효소 2(TMPRSS2), 푸린, 엘라스타제, 트립신 등 여러 인간 프로테아제가 스파이크 단백질을 절단할 수 있습니다. TMPRSS2는 인간 폐 세포에서 발현됩니다. 따라서 이 효소가 호흡기 세포로의 바이러스 침투에 중요한 역할을 하는 것으로 생각됩니다.
이러한 프로테아제가 스파이크-ACE2 결합 부위 근처에 존재하면, 스파이크 단백질을 절단하여 스파이크 단백질의 S2 영역, 특히 융합 펩타이드 영역을 노출시킵니다. 스파이크의 이 융합 펩타이드 영역은 소수성 또는 지질과 유사한 아미노산으로 구성되어 있으며, 지질을 포함한 세포막에 삽입되어 바이러스 막과 세포막의 융합을 유도하고 결과적으로 바이러스 게놈이 세포 내로 침투하게 합니다(그림 2a). 이 절단 과정은 반드시 스파이크-ACE2 결합 이후에 일어나야 합니다. 만약 그 이전에 발생하면 바이러스의 세포 감염 능력은 떨어집니다.
스파이크-ACE2 결합 부위 근처에 프로테아제가 존재하지 않으면, 바이러스는 세포내 섭취(endocytosis)라는 다른 경로를 통해 세포로 침투합니다(그림 2b). 이 과정에서 세포 외부의 ACE2 단백질에 결합된 코로나바이러스는 세포막의 작은 영역이 함입되면서 세포 안으로 흡수되고, 이 부분이 떨어져 나와 외부 물질을 세포 안으로 가져오는 세포내 섭취 소낭을 형성합니다. 그 후, 이 소낭은 엔도좀(endosome)이라 불리는 세포 내 막으로 둘러싸인 소낭과 융합합니다. 엔도좀 내부에는 카텝신 L(cathepsin L)과 같은 프로테아제가 존재하여 스파이크 단백질을 절단하고 융합 펩타이드 영역을 노출시킬 수 있습니다. 이후 융합 펩타이드가 바이러스 막과 엔도좀 막의 융합을 매개하여 바이러스 게놈이 세포 내로 침투하게 합니다.
최근 증거는 SARS-CoV-2가 세포에 침투하는 세 번째 방법이 있을 수 있음을 시사합니다. 바이러스가 세포 내에서 복제되어 새로운 바이러스 입자를 만들 때, 일부 스파이크 단백질은 새로운 바이러스 조립 과정 중에 푸린(furin)이라는 인간 프로테아제에 의해 미리 절단되거나 미리 프라이밍될 수 있습니다. 이는 바이러스가 세포 밖으로 나올 때, 미리 프라이밍된 스파이크 단백질을 가진 바이러스들은 위에서 설명한 두 가지 '정상적인' 스파이크 단백질 절단 경로를 위한 프로테아제 수치가 낮은 다른 세포라도 융합하여 감염시킬 수 있음을 의미합니다.
반격 계획
연구자들은 COVID-19를 저지하기 위해 스파이크-ACE2-막 융합-세포내 섭취로 이어지는 감염 주기를 표적으로 하는 약물을 개발하기 위해 노력하고 있습니다.이전 게시물에서는 재조합 가용성 ACE2를 잠재적인 치료제로 소개했습니다. 이는 SARS-CoV-2가 세포 표면의 ACE2와 결합하기 전에 스파이크 단백질을 비활성화하는 방식으로 작용합니다. 하지만 다른 많은 약물 후보들도 함께 검토되고 있습니다.
나포마스타트와 MI-1851은 스파이크 단백질 절단에 관여하는 단백질 분해 효소인 TMPRSS2와 푸린을 각각 억제하여 시험관 내에서 SARS-CoV-2 감염을 감소시킬 가능성을 보여줍니다. 스파이크 단백질의 작은 영역과 유사한 매우 짧은 단백질인 펩타이드는 바이러스와 인간 세포막의 융합을 억제하는 것으로 밝혀졌으며, 이는 막 융합 과정에서 모양이 변하는 바이러스의 프라이밍된 스파이크 단백질을 "막아" 바이러스 침입을 방지합니다. 마지막으로, PIKfyve 억제제는 SARS-CoV-2 감염을 차단하는 것으로 알려져 있습니다. PIKfyve는 특정 지질에 인산기를 추가하는 효소인 인간 지질 키나아제입니다. PIKfyve는 바이러스 침입의 세포내 이입 경로에서 엔도솜 대사에 관여하므로, PIKfyve 억제제는 항바이러스 활성을 나타냅니다.
이는 SARS-CoV-2 바이러스 침입 억제제로 연구 중인 수많은 약물 후보 중 일부에 불과합니다. 하지만 코로나19 치료제를 찾는 연구자들에게는 활용 가능한 표적이 매우 많습니다. 스파이크 단백질, ACE2, 스파이크 단백질을 절단하는 단백질 분해 효소 및 세포내 이입 경로의 구성 요소 모두가 연구 대상이며, 이러한 각 표적에 대해 항바이러스 활성을 가진 물질도 다수 존재합니다. 과학자들이 이러한 잠재적 후보 물질을 더 빠르게 식별할 수 있도록, CAS는 CAS REGISTRY®에서 수집한 오픈 소스 데이터 세트를 공개했습니다. 여기에는 알려진 항바이러스제와 구조적으로 유사한 관련 화학 화합물이 포함되어 있습니다. 자세한 내용을 확인하고 해당 자료 및 기타 CAS 코로나19 오픈 액세스 리소스를 여기에서 다운로드하십시오.
