264: SARS 코로나바이러스 2형 스파이크 변이체 (SARS-CoV-2 Spike Variants)

Author: David S. Goodsell Translator: PDBj

SARS 코로나바이러스 2형 스파이크 단백질 변이 부위. 진한 빨간색은 많은 바이러스에서 변이가 나타나는 아미노산, 분홍색은 더 변이가 적은 아미노산, 흰색은 매우 변이가 적은 아미노산을 나타낸다.
SARS 코로나바이러스 2형 스파이크 단백질 변이 부위. 진한 빨간색은 많은 바이러스에서 변이가 나타나는 아미노산, 분홍색은 더 변이가 적은 아미노산, 흰색은 매우 변이가 적은 아미노산을 나타낸다. 고해상도 TIFF 이미지는이쪽。

바이러스는 바이러스 자체의 부주의한 방식으로 인하여 진화의 달인이 되었다. 2가지 관점에서 바이러스생물학은 특히 잘 진행되고 있다고 말할 수 있겠다. 우선, 바이러스가 세포에 감염되어 증식할 때 방대한 수의 바이러스가 만들어진다. 예를 들어 SARS 코로나바이러스 2형(SARS-CoV-2)에 의한 감염의 절정기에는 감염자에게 10~1000억 개의 바이러스가 존재하고 있을지도 모른다. 다음으로, 복제를 위한 분자 기계는 어설픈 경우가 많아 자손에게 오류가 생길 수 있다. 이것이 급속한 진화에 있어서 최적의 조합이 되고 있다. 감염 과정에서 복제가 이루어질 때 다양한 변이 바이러스가 만들어진다. 배열 변이의 대부분은 바이러스에 손상을 주거나, 또한 좋지도 나쁘지도 않은 거의 중립적인 성질을 띄지만, 때때로 바이러스의 생활환인 곳에 있어서 기능을 강화시킨다. 이 드물게만 나타나는 유리한 변이체는 SARS코로나 2형에서 여러 차례 출현했으며 현재 진행되고 있는 SARS 코로나바이러스 2형 대유행으로 새로운 감염 확산을 일으키고 있다.

변이체를 평가하다

전 세계 과학자들이 SARS 코로나바이러스 2형의 진화를 연구하고 그 능력을 이해하여 미래 계획에 도움을 주고 있다. 이곳에 나타낸 그림은 배열이 결정되어 GISAID에 등록된 300만 건 이상의 샘플을 기반으로 스파이크 단백질의 주요 변이 부위를 보여주고 있다. 구조는 PDB 엔트리 7kj2에 근거하나 원자 좌표는 SWISSMODEL에서 가져왔다. 왜냐하면 PDB에 등록되어 있는 데이터에는 몇 가지 유연한 루프 영역의 원자 좌표가 포함되어 있지 않기 때문이다. 또한 이 그림에서는 단백질의 변이를 보기 쉽게 하기 위해 당사슬 수식을 나타내고 있지 않다. 그래서 여러 개의 당사슬로 덮인 단백질을 상상할 필요가 있다.

기능의 개량

보다시피 변이 부위는 3차원 구조 곳곳에 흩어져 있다. 아직 각 변이의 작용이 규명된 것은 아니지만 몇 가지 흔한 변이체에 대해서는 밝혀지고 있다. (적어도 현 시점에서) 가장 자주 변이가 일어나고 있는 곳은 614번째 아미노산이다. 이것은 후술하는 바와 같이 스파이크 윗부분의 안정성을 제어하고 있다고 생각된다. 이 밖에 변이가 자주 일어나는 곳은 681번째 아미노산으로, 퓨린(furin)이라는 세포의 프로테아제가 사슬을 둘로 갈라놓을 때 절단하는 유연한 루프 영역 안에 있다. 상부(S1)는 숙주세포를 인식하고 하부(S2)는 숙주융합으로 세포 내로 들어가도록 지시한다. 바이러스는 이 절단에 의해 호흡기 세포에 의해 감염되기 쉬워지는 것으로 알려져 있다.

변이체의 구조

SARS 코로나바이러스 2형 스파이크의 중요한 4종류의 변이체. 변이 부분은 붉은색으로, 제거된 부분은 자홍색으로 나타냈다. 활성형 스파이크는 절단되어 S1(하늘색), S2(파란색)로 불리는 2개의 기능 단위로 나누어진다. S1은 아래에 기술된 몇 가지(N 말단 도메인, 수용체 결합 도메인, 2개의 C 말단 도메인) 기능 도메인으로 구성된다.
SARS 코로나바이러스 2형 스파이크의 중요한 4종류의 변이체. 변이 부분은 붉은색으로, 제거된 부분은 자홍색으로 나타냈다. 활성형 스파이크는 절단되어 S1(하늘색), S2(파란색)로 불리는 2개의 기능 단위로 나누어진다. S1은 아래에 기술된 몇 가지(N 말단 도메인, 수용체 결합 도메인, 2개의 C 말단 도메인) 기능 도메인으로 구성된다. 고해상도 TIFF 이미지는이쪽。

SARS 코로나바이러스 2형 감염증(COVID-19)의 대유행으로 SARS 코로나바이러스 2형은 전 세계로 퍼졌고 변이체는 여러 나라에서 우연히 나타나면서 급속히 퍼져나갔다. 여기에는 최근 나타나는 4종류의 변이체 구조를 나타낸다(PDB 엔트리 7lwv, 7lyo, 7v7q, 7v7e). 모두 아미노산이 변화하거나(빨간색으로 나타낸 부분) 사슬에서 제거되어(자홍색으로 나타낸 부분) 여러 곳에 변화가 생겼다. 모두 상술한 2개의 공통 부위뿐만 아니라 구조 전체의 곳곳에 있는 다른 곳도 변화하였다. 이것들은 바이러스에 있어서 다양한 방법으로 이익을 가져온다. 수용체 결합 도메인(receptor-binding domain, RBD)과 C 말단 도메인(C-terminal domain, CTD)의 변이는 세포를 인식하여 달라붙는 기능을 개량하고, N 말단 도메인(N-terminal domain, NTD)의 변이는 면역계를 회피하는 데 도움이 될 수 있다. S2 영역의 변이는 세포와의 융합이나 침입 과정을 촉진시킬 가능성이 있다.

구조 보기

614번 위치에서의 스파이크 변이

표시 방식： 정지 이미지

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614번째(빨간색으로 나타낸 부분) 아스파라긴산(aspartate)이 글리신(glycine)으로 변화하면 스파이크 3질량체에서 옆의 서브유닛에 있는 859번째(청록색) 트레오닌(threonine)과의 상호 작용이 사라진다. 이것에 의해 구조가 느슨해지고 늘어난 수용체 결합 도메인을 수반한 활성형 구조로 천이하기 쉬워지는 것이라고 생각되고 있다. 그림 아래의 버튼을 클릭하여 인터랙티브 조작이 가능한 그림으로 전환하고 614번째로 아스파라긴산을 가진 비변이형 구조(PDB 엔트리 6vyb)와 글리신을 가진 변이형 델타주의 구조(PDB 엔트리 7v7q)를 비교해 보기 바란다.

이해를 높이기 위한 토픽

  1. PDB 아카이브에는 SARS 코로나바이러스 2형 스파이크 단백질 구조가 수백 건이나 등록되어 있습니다. 그 전체 목록을 보는 간단한 방법 중 하나는 PDBj 웹사이트 상단에 있는 검색 상자에 P0DTC2(UniProt의 ID)를 키워드로 입력하여 검색해 보는 것입니다.
  2. 바이러스와 대유행에 대해 알아보는 데 도움이 되는 자료 목록이 RCSB PDB의 COVID-19/SARS-CoV-2 Resources(영어)에 있습니다.

참고문헌

  1. 7lwt、7lyo Gobeil, S.M., et al. 2021 Effect of natural mutations of SARS-CoV-2 on spike structure, conformation, and antigenicity. Biorxiv DOI:10.1101/2021.03.11.435037
  2. Harvey, W.T., et al. 2021 SARS-CoV-2 variants, spike mutations and immune escape. Nat Rev Microbiol 19 409-424
  3. Johnson, B.A., et al. 2021 Loss of furin cleavage sites attenuates SARS-CoV-2 pathogenesis. Nat 591 293-299
  4. Lubin, J.H., et al. 2021 Evolution of the SARS-CoV-2 proteome in three dimension (3D) during the first 6 months of the COVID-19 pandemic. Prot Struc Func Genet DOI:10.1002/prot.26250
  5. Sender, R., et al. 2021 The total number and mass of SARS-CoV-2 virions. Proc Natl Acad Sci USA 118 e2024815118
  6. 7kj2 Xiao, T., et al. 2021 A trimeric human angiotensin-converting enzyme 2 as an anti-SARS-CoV-2 agent. Nat Struct Mol Biol 28 202-209
  7. 6vyb Walls, A.C., et al. 2020 Structure, Function, and Antigenicity of the SARS-CoV-2 Spike Glycoprotein. Cell 181 281

이 기사는 RCSB PDB의 PDB-101로 제공되고 있는 「Molecule of the Month」의.2021년12월의 기사를 한국어로 번역한 것입니다.전재·인용에 대해서는 이용 규약을 봐 주세요.

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