포스테키안

2020 봄호 / 기획특집 ① / 코로나19

2020-06-02 72

기획특집 ① / 코로나19 : 팬데믹의 카오스, 코로나19

사상 초유의 초 . 중 . 고교 개학 연기, 김포공항 국제선 40년 역사상 최초 0명, 올림픽 역사상 최초 연기. 모두 생물과 무생물의 중간자라 불리는 바이러스, 코로나19 바이러스에 의해 일어난 일들입니다. 2019년 12월 31일, 2019년의 마지막 날 중국에서 미지의 호흡기 폐렴 사례가 보고되었습니다. 그리고 새해가 밝고 완연한 봄이 된 4월까지도, 이 바이러스는 전 세계의 인류를 위협하고 있습니다. 그렇다면 코로나19 바이러스가 대체 무엇인지, 이에 대응하기 위한 치료제와 백신 개발 현황은 어떤지, 그리고 그 과정에서 발생하는 어려움을 극복하기 위한 노력까지. 지금 바로 만나보도록 해요!

※ 본 기획특집은 지금까지 발간된 논문, 기사, 에세이 등 공신력 있는 자료들에 근거해 포스테키안 독자들에게 코로나19와 관련한 최신 소식을 들려드리고자 하는 것을 목표로 합니다.

2020년 1월 20일, 새해가 밝은지 얼마 되지 않아 우리나라에 적색경보가 울렸습니다. 코로나19 국내 첫 확진자가 발생한 것이죠. 이후 이 바이러스는 일파만파로 퍼지게 되었고 3월 12일, 결국 세계 보건기구(WHO)는 코로나19에 대해 최고 경보단계인 ‘팬데믹’, 즉 ‘세계적 대유행’을 선언하기에 이릅니다. 지피지기면 백전불태, ‘적을 알면 백번 싸워도 위태롭지 않다’라는 말이 있듯 코로나19에 맞서기 위해!

코로나 바이러스가 무엇인지, 또 어떻게 우리 몸에 감염이 되는지, 그리고 이를 해결하기 위한

다양한 전략들까지. 지금부터 알아봅시다.

 

코로나19 바이러스, 너 뭐니?

코로나19 바이러스(SARS-CoV-2), 여러분들에게는 신종 코로나 바이러스라는 표현이 조금은 더 익숙할지도 모르겠습니다. 코로나 바이러스는 외피에 스파이크(Spike) 단백질을 촘촘히 발현하는 특징을 가진 RNA 바이러스입니다. 전자현미경 상에서 코로나바이러스를 관찰했을 때, 이 스파이크 단백질이 방사형으로 뻗어 나가는 형태를 보입니다. 그래서 코로나 바이러스의 ‘코로나’는 태양의 코로나, 혹은 왕관 모양과 그 모양이 닮아 라틴어로 왕관이라는 뜻을 가진 ‘corona’로부터 유래되었지요. 이들은 사람이나 동물에게 감염되어 주로 호흡기 혹은 위장관 질환을 유발하는데요, 그중 인간에게 감염되는 바이러스는 총 7종이 있습니다. 여러분들이 익히 알고 있는 MERS, SARS 코로나 바이러스, 그리고 이를 이은 신종 코로나 바이러스 또한 이에 속하며, 이들은 치명적인 호흡기 질환을 일으켜 인류를 위협하고 있습니다.

코로나19 바이러스의 명칭은 그 계통학적 특성, 즉 유전적 특성을 바탕으로 명명되었습니다. 바이러스의 유전자 서열 분석 결과 박쥐의 코로나 바이러스 bat SARS-like-CoVZXC21와의 유전체 서열의 유사도가 89%, SARS 코로나 바이러스 SARS-CoV와의 유사도는 82%인 것으로 분석되었습니다. 이에 따라 국제바이러스 분류위원회 International Committee on Taxonomy of Viruses, ICTV에서는 코로나19 바이러스의 이름을 SARS 코로나 바이러스(SARS-CoV-1)와의 유전적 연관성에 근거해 SARS-CoV-2로 명명했다고 합니다.1

① SARS-CoV-2와 SARS-CoV의 유전정보  

 

 

② SARS-CoV-2의 구조

SARS-CoV-2의 구조 또한 바이러스의 유전체 정보로부터 결정됩니다.2 3 SARS-CoV-2는 양성 단일 가닥(+ssRNA) RNA 바이러스로서 바이러스의 유전체인 RNA 그 자체가 전사체로 작용합니다. 이 유전자는 4가지 주요 단백질인 Spike(S) 당단백질, Nucleoprotein(N) 단백질, Membrane(M) 단백질, Envelope(E) 단백질을 포함한 여러 구조 단백질들을 암호화하고 있지요. S단백질은 코로나 바이러스의 외피에 위치한 단백질로서 숙주 세포의 수용체와의 상호작용을 통해 바이러스가 숙주 세포로 침투하는 것에 관여합니다. N단백질은 바이러스의 RNA와 결합하여 바이러스의 게놈을 보호하는 일종의 단백질 껍질인 뉴클레오 캡시드 nucleocapsid를 구성합니다. 뿐만 아니라 바이러스의 입자 조립, 외피 형성, RNA 합성 과정에서 유전체를 안정화하고 포장하는 역할까지 담당하는 중요한 단백질이죠. M단백질은 이 캡시드와 membrane(인지질 이중층, 일종의 막)을 이어주는 역할을 하며, 마지막으로 E단백질은 바이러스의 조립, 분출에 관여하며 외피를 구성합니다.4

 

코로나19 바이러스의 구조적 특징

감염의 첫 시작은, 바이러스가 숙주세포로 침투하는 것입니다. S단백질이 숙주 세포 외피의 수용체에 결합하고 일련의 과정을 거친 뒤에 바이러스는 내포작용을 통해 세포 안으로 침투할 수 있게 되는 것이죠. S단백질은 S1영역과 S2영역으로 이루어져 있는데요, S1영역은 숙주 세포의 수용체와의 상호작용을, S2영역은 막의 융합에 관여합니다.5 S1영역의 수용체 결합 부위 Receptor binding domain, RBD에 따라 숙주의 범위가 결정되기도 하고, 같은 숙주에 감염되더라도 바이러스의 종류에 따라 어떤 수용체와 결합할지가 결정됩니다. SARS-CoV-2의 경우 숙주의 ACE2 Angiotensin-converting enzyme 2 를 수용체로 활용하는데요, 이는 SARS-CoV가 결합하는 수용체이기도 합니다. 앞서 이야기 했듯 SARS-CoV-2는 SARS-CoV와 82%의 유전적 동일성을 갖습니다. 더불어 SARS-CoV-2의 3차원 분자구조 분석 결과, 스파이크 단백질의 구조가 SARS-CoV와 매우 유사한 형태를 가진다는 사실이 밝혀졌지요.6 7 하지만 같은 수용체에 결합하는 두 바이러스도 그 결합력에서는 차이를 보입니다. SARS-CoV-2가 SARS-CoV에 비해 ACE2에 더 강하게 결합한다는 것인데요, 연구자들은 이를 코로나19가 전 세계로 더욱 빠르게 확산된 이유라고 이야기합니다. 이 결합력의 차이는 S단백질을 활성화하는 프로테아제, 즉 단백질 효소로부터 온다는 가설이 제기되고 있습니다. 바이러스는 S단백질과 ACE2 수용체의 결합만으로는 인간의 몸에 침투할 수 없습니다. S단백질이 수용체와 결합 한 뒤 일명 ‘단백질 가위’라 불리는 프로테아제들이 S단백질의 일부를 자름으로써 S단백질을 활성 상태로 전환시킵니다. 그리고 비로소 바이러스가 인간의 체내에 침투하여 감염이, 그리고 그에 따른 면역반응이 일어나게 되는 것입니다. SARS-CoV-2의 경우 호흡기세포막에 있는 ‘TMPRSS2’를 단백질 가위로 사용한다는 것이 밝혀졌습니다.8 이와 더불어 ‘퓨린’이라는 프로테아제의 경우 SARS-CoV의 S단백질의 활성에는 관여하지 않지만, SARS-CoV-2의 활성에는 관여함이 발견되어9 이를 활용한 치료 방법이 제안되고 있습니다.

 

코로나19 바이러스의 구조적 특성을 활용한 치료제 개발 노력

그렇다면 연구자들은 이 코로나 바이러스를 해결하기 위해 어떤 접근 방법들을 활용하고 있을까요? 바이러스를 예방, 치료하기 위한 방법의 개발은 결국 바이러스의 특성을 파악하는 것으로부터 시작됩니다. 상대를 알아야 이에 대응할 수 있기 때문이죠. 앞서 설명한 코로나19 바이러스의 특성에 따라, 연구자들은 이 구조적 특성을 역으로 접근한 치료 전략들로 코로나19 사태에 대응하고 있습니다. 가장 먼저 중합 효소 억제제, S2단백질 저해제들입니다. 이들은 모두 바이러스의 침투부터 유전체의 복제에 관여하는 효소들인데요, SARS-CoV-2의 침투 및 감염을 위해서는 필수적인 효소들입니다. 연구자들은 이 효소들의 저해작용을 통해 SARS-CoV-2의 감염을 막고자 하는 접근방법을 시도하고 있습니다.

③ SARS-CoV-2와 SARS-CoV의 Spike(S) 단백질 구조 (이때, 2019-nCoV는 SARS-CoV-2를 의미함.)  

특히나 퓨린/TMPRSS2 같은 프로테아제의 경우, 코로나19에만 특이적으로 작용한다고 알려져 있기에 이들을 억제하는 매커니즘에 대한 연구가 진행되고 있습니다.  다음으로 가짜 스파이크(S) 단백질, 가짜 수용체의 개발 전략입니다.  즉, S단백질과 ACE2수용체의 결합에 주목하는 것이죠. 먼저 가짜 스파이크 단백질의 활용 전략은 SARS-CoV-2의 스파이크를 모방한 가짜 스파이크 단백질을 체내에 투입해 우리 몸의 ACE2 수용체와 결합하도록 유도하는 전략입니다. 투여된 가짜 스파이크 단백질은 진짜 스파이크 단백질과 ACE2 수용체와 결합하기 위해 경쟁하게 됩니다. 이를 통해 실제 바이러스의 스파이크 단백질이 우리 세포에 결합하는 것을 방해하는 것이죠. 가짜 수용체 개발 전략은 이와 반대입니다. SARS-CoV-2의 스파이크 단백질에 결합하는 가짜 ACE2 단백질, 즉 ‘재조합 ACE2’를 외부에서 합성해 투여하는 것인데요, 이 가짜 수용체가 바이러스의 스파이크 단백질에 결합하도록 유도함으로써 가짜 수용체에 결합한 바이러스는 더 이상의 생존 신호를 받지 못하고 자연 사멸하도록 하는 전략입니다.10

‘지피지기면 백전백승’, 코로나 바이러스에 대항하기 위해 연구진들은 코로나 바이러스의 특성을 분석하고, 또 이를 활용한 치료 전략들을 개발하고 있습니다. 하지만, 코로나 바이러스의 빠른 전염 속도 때문에 오랜 인고의 시간이 필요한, 보다 근본적이고 SARS-CoV-2에 특이적인 신약 및 치료법 개발의 속도는 이를 따라잡지는 못하고 있지요. 그렇다면 보다 근본적인 치료제의 개발 이전에는 어떤 방법으로 코로나19에 대응하고 있을까요? 다음 페이지에서 코로나19에 대한 실질적인 현재의 대처 방법들에 대해 알아봅시다!

출처

1 Chan JF et al. Genomic characterization of the 2019 novel human pathogenic coronavirus isolated from a patient with atypical pneumonia after visiting 

   Wuhan, Emerg Microbes Infect. 2020 Dec;9(1):221-236

2 Muhammad AdnanShereen et al, COVID-19 infection: Origin, transmission, and characteristics of human coronaviruses, Journal of Advanced Research,

   Volume 24, July 2020, Pages 91-98, Fig 4 Volume 24, July 2020, Pages 91(그림1 출처)

3 Nature Reviews Microbiology volume 2003,1,209–218 (그림2 출처)

4 약학정보원 학술정보센터, 「코로나바이러스(corona virus)의 이해」, 2020

5 문성실, 「COVID-19 연구동향」, BRIC view 동향 리포트, 2020.03.18

6 D Wrapp et al. Cryo-EM structure of the 2019-nCoV spike in the prefusion conformation, Science, 19 Feb 2020.(그림3 출처)

7 김호민, 「코로나19 과학 리포트 <코로나 바이러스-19의 구조적 특징과 침투 경로를 차단하는 치료 전략>」, 『IBS 뉴스센터』, 2020.03.05

8 M Hoffmann, H Kleine-Weber et al. SARS-CoV-2 Cell entry depends on ACE2 and TMPRSS2 and is blocked by a clinically proven pretease inhibitor, Cell

   2020, 181, 1-10.

9 http://www.chinaxiv.org/abs/202002.00062

10 김호민, 「코로나19 과학 리포트 <코로나 바이러스-19의 구조적 특징과 침투 경로를 차단하는 치료 전략>」, 『IBS 뉴스센터』, 2020.03.05

알리미 25기 무은재학부 19학번 정채림