2021년 12월 기준, 2억 1700만 건의 '부스터' 샷을 포함하여 80억 회 넘게 COVID-19 백신이 접종되었습니다. 이들 백신의 주요 표적은 소위 말하는 "스파이크" 또는 "S" 단백질로, 바이러스가 숙주 세포에 침투하는 데 중요한 역할을 하는 필수 바이러스 단백질입니다.
백신의 중요성과 함께 COVID-19 치료법 개발 과정에서 내재적 비정형 단백질이 병리학적으로 중요한 역할을 한다는 사실이 밝혀졌습니다. 지금까지 생물학자들은 각 단백질의 아미노산 염기서열이 3차원 구조를 결정하고 그에 따라 단백질의 기능이 결정된다고 믿었습니다. 그러나 필수적인 생물학적 활성을 갖지만 고정 또는 정형 3D 구조를 갖지 않는 단백질과 영역도 많으며 이를 내재적 비정형 단백질 또는 영역이라고 합니다(그림 1).
이러한 단백질 장애는 아미노산 염기서열에 인코딩되며 모든 생물과 바이러스에 흔히 나타납니다. SARS-CoV-2 단백질 특성에서 이러한 중요 영역을 보다 심층적으로 이해함으로써 COVID-19 치료법 개발의 빠른 진전에 도움을 얻을 수 있을 것입니다.
내재적 비정형 단백질의 예
단백질 내 “내재적 비정형 단백질”(IDP) 또는 “내재적 비정형 영역”(IDPR)에서 나타나는 자연적 변동성은 세 가지 생물계에서 모두 확인할 수 있습니다. 이들은 효소 촉매, 알로스테릭 조절, 세포 신호, 표기 등과 같은 중요 프로세스와 관련이 있습니다.
그러나 신경변성, 당뇨병, 심혈관계 질환, 아밀로이드증, 유전병, 암과 같은 질병에서도 중요한 역할을 합니다. 또한 바이러스 단백질에도 이러한 영역이 포함되는 경우가 많습니다. 이러한 영역은 바이러스 단백질이 숙주 단백질에 쉽게 또한 무작위로 결합될 수 있도록 도와준다는 점에서 독성과 상관관계를 갖습니다.
CAS Content CollectionTM 검색 결과에서도 알 수 있듯이(그림 2) 2000년 이후 단백질 과학에서 IDP/IDPR에 대한 관심이 빠르게 증가했으며 COVID-19를 포함한 약물 설계에서의 역할에 대한 연구도 시작되었습니다.
SARS-CoV-2의 내재적 비정형 단백질
SARS-CoV-2는 숙주 세포 침투에 중요한 S 단백질, 바이러스 조합을 용이하게 하는 막(M) 단백질, 이온 채널 소외피(E) 단백질, 바이러스 RNA와 결합하여 뉴클레오캡시드를 만드는 뉴클레오캡시드(N) 단백질로 구성되는 입자 형태로 유전체 RNA를 포함하는 비리온을 만듭니다(그림 3).
IDP/IDPR은 SARS-CoV-2 단백체에서 일반적이지 않습니다. 실제로 SARS-CoV-2 단백체는 높은 수준의 구조적 순서를 갖습니다. 뉴클레오캡시드 단백질을 제외하고는 SARS-CoV-2 단백질이 몇 가지 내재적 비정형 단백질 영역을 포함하는 고도의 정형 단백질입니다. 그러나 기존 비정형 영역은 바이러스의 기능과 독성에 크게 기여하며 항바이러스 신약 개발에 유망한 약물 표적입니다. 이 접근 방법은 이미 신약 후보를 식별하는 데 그 가치가 입증되었습니다.
뉴클레오캡시드(N) 단백질
RNA-결합 N 단백질은 바이러스 입자 내에서 유전자 RNA를 안정화시키며 바이러스 유전체 표기, 복제 및 포장을 조절합니다. N 단백질은 비정형성이 높아 내재적 비정형성의 평균 예상율이 약 65%에 달합니다. 이러한 비정형 영역은 뉴클레오캡시드를 유지하는 데 중요하므로 약물 설계의 표적 역할을 할 수 있습니다. 또한 N 단백질 내 비정형 영역은 숙주 세포 면역에 중요한 스트레스 과립의 자연적인 형성을 방해할 수 있는 '액체-액체 상분리'라는 프로세스를 통해 단백질이 응집되는 데 중요한 역할을 합니다. 따라서 N 단백질 액체-액체 상분리 프로세스를 방해함으로써 항바이러스 중재를 보장하고 COVID-19 퇴치를 위한 약물 개발의 새로운 목표와 전략을 제공할 수 있습니다.
스파이크(S) 단백질
S 단백질은 바이러스 표면을 마치 왕관처럼 장식합니다. S 단백질은 바이러스가 숙주에 침투(그림 4)하는 데 중요한 역할을 하며 따라서 COVID-19 백신 개발에서 일반적으로 활용되는 약물 표적입니다. 감염 초기 단계인 수용체 결합과 막 융합 모두 상당한 수준의 내재적 비정형 영역과 관련이 있습니다.
S 단백질 분석에 따르면 S 성숙과 연관된 S 아단위 분할 부위와 S 융합 펩타이드 모두 IDPR과 관련이 있습니다. 단백질 가수 분해 소화가 구조 단백질 영역에 비해 비구조 단백질 영역에서 훨씬 더 빠르게 일어난다는 점을 고려할 때 SARS-CoV-2 S 단백질의 구조적 특수성이 기능적으로 매우 중요할 수 있습니다.
SARS-CoV-2 바이러스에 감염되면 스파이크 단백질과 ACE2 수용체의 접점에서 IDPR이 검출될 수 있습니다. ACE2 수용체는 바이러스가 결합되는 인체 조직에서 발견됩니다. 스파이크 단백질의 주요 잔여물은 ACE2에 대한 결합 친화성이 강하며 SARS-CoV-2의 높은 전파력의 한 요인이 될 수 있습니다.
따라서 코로나바이러스 감염의 중요한 최초 단계인 수용체 결합과 망 융합 모두 S 단백질에서 내재적 비정형성이 높은 영역과 관련이 있습니다. 이 두 단계는 SARS-CoV-2 감염 억제를 위한 주요 표적입니다.
막(M) 단백질
M 단백질은 비리온에서 많이 발견되는 주 막관통 단백질입니다. SARS-CoV-2는 코로나바이러스 중에서 보호 외벽이 가장 단단합니다. 이는 M 단백질의 낮은 내재적 비정형성(6%)과 잠재적인 관계가 있으며 바이러스의 높은 회복력과 전파력의 원인이 될 수 있습니다. 실제로 다양한 바이러스의 독성과 M 단백질의 내재적 비정형성 비율 간의 상관관계가 밝혀졌으며 비정형성이 낮은 M 단백질이 전염력이 높은 바이러스와 관련이 있습니다.
전망: 약물 설계에 있어 선도적 역할
신종 바이러스와 관련 전염병의 출현은 현재 전세계의 주요 관심사입니다. 따라서 질병 예방과 치료를 위한 새로운 치료 표적을 식별하기 위해서는 바이러스 단백질의 구조와 기능에 대한 정보가 매우 중요합니다.
CAS는 ACS Infectious Diseases에 게재된 상호 심사 간행물에서 단백질 내 내재적 비정형성 발생과 관련된 SARS-CoV-2 단백체에 대한 정보를 요약했습니다. 실제로 SARS-CoV-2 단백체는 구조적 정형성이 높으며 비정형성이 높은 것은 N 단백질뿐인 것으로 나타났습니다. 다른 SARS-CoV-2 단백질은 비정형성이 더 낮지만 기존 IDPR은 바이러스의 기능과 독성에 크게 기여하며 항바이러스성 약물 설계에 있어 유망한 약물 표적입니다.
IDP는 광범위하게 분포되어 있으며 정형 단백질의 기능을 보완하는 수많은 중요한 생물학적 기능이 있습니다. 그러나 오작용이 발생하면(예: 잘못된 발현, 잘못된 처리 또는 잘못된 조절) IDP/IDPR이 바람직하지 않은 상호 작용에 개입해 다양한 병리적 상태 진행에 관여할 수 있습니다. 실제로 신경변성, 당뇨병, 심혈관계 질환, 아밀로이드증, 유전병과 연관된 많은 단백질과 대부분의 인체 암 관련 단백질은 IDP이거나 긴 IDPR을 포함합니다.
신약 개발에 구조 생물학 기법을 활용할 수 있지만 합리적인 약물 설계 방법은 전통적으로 표적 단백질 내 내재적 비정형성의 존재를 낮게 평가해 왔습니다. SARS-CoV-2와 다른 병원성 단백체에서 이러한 영역의 구조를 이해함으로써 COVID-19는 물론 향후 바이러스 치료를 위한 약물 개발에 큰 도움을 받을 수 있으며 약물 설계의 경계를 허무는 지속적인 효과를 기대할 수 있을 것입니다.
