[1] 여기는 바이러스의 전당입니다. 기하학적으로 아름다운 형태를 가진 이 존재들은 인류의 역사 이전부터 있었고, 지금까지도 우리와 함께하고 있습니다. 그리고 이들 중 어떤 것들은 치명적인 대유행을 일으켰죠.
[2] 지금 이 순간 우리에게 바이러스라는 존재는 공공의 적이자 사라져야 할 대상입니다. 하지만 이러한 인식은 대부분의 바이러스에게 매우 부당한 대접이기도 합니다. 사실 바이러스는 지구 생태계의 조율사이자 인류의 최대 협력자이기 때문입니다.
[3] 바이러스는 수백만 종이 있는 것으로 추정되며, 그 크기는 17 나노미터에서 1500 나노미터까지 매우 다양합니다. 하지만 모든 바이러스엔 유일한 공통점이 있습니다. 자신의 정보가 담긴 유전물질이 있다는 것이죠. 그리고 이 유전물질을 단백질로 감싸서 보호하기도 합니다. 이러한 단백질 표면을 캡시드라 부릅니다.
- For a start, researchers do not know how many viruses even exist. Thousands have been formally classified, but millions may be out there. “We’ve discovered only a small fraction because people haven’t looked much,” says Marilyn Roossinck, a virus ecologist at Penn State University.
* "If all viruses disappeared, the world would be very different — and not necessarily for the better. But what exactly would happen?" BBC FUTURE, By Rachel Nuwer, 18th June 2020
[4] 바이러스의 구조는 우리의 세포에 비하면 너무나 단순한 데다가 매우 비좁습니다. 대부분의 바이러스는 유전물질만을 담기에도 벅차기 때문에, 자기 자신을 복제하는데 필요한 자원을 가질 여유가 없습니다. 그 대신에 다른 생명체의 세포가 보유한 자원을 매우 효과적으로 탈취하는 전략을 사용하죠.
[5] 여기, 한 바이러스가 있습니다. 이 바이러스의 머리는 전형적인 이십면체 구조이며, 긴 원통형의 몸체와 6개의 꼬리 섬유를 가집니다. 그리고 머리 안에는 17만 개의 뉴클레오타이드로 구성된 이중 가닥의 DNA가 숙주의 세포로 방출되기를 기다리고 있습니다.
[6] 이 바이러스는 세균에 침투하여 증식하는 전략을 택하고 있기 때문에 박테리아 포식자, 즉 박테리오파지라고 불리기도 합니다.
[7] T4 파지는 대장균을 좋아합니다. 꼬리 섬유와 스파이크는 대장균 표면에 있는 물질을 잘 인식하는 특이성을 가지고 있죠. 바이러스가 어떤 대상을 좋아하는지는 바로 이러한 특이성으로 알 수 있습니다.
- Phages differ substantially in the bacterial hosts that they infect. Their host range is determined by the specific structures that they use to target bacterial cells. Tailed phages use a broad range of receptor-binding proteins, such as tail fibres, tail spikes and the central tail spike, to target their cognate bacterial cell surface receptors. Recent technical advances and new structure–function insights have begun to unravel the molecular mechanisms and temporal dynamics that govern these interactions. Here, we review the current understanding of the targeting machinery and mechanisms of tailed phages. These new insights and approaches pave the way for the application of phages in medicine and biotechnology and enable deeper understanding of their ecology and evolution.
* Targeting mechanisms of tailed bacteriophages, Nature Reviews Microbiology volume 16, pages760–773 (2018)
[8] 파지가 대장균 표면에 결합하면, 작은 단백질 바늘이 대장균의 세포막에 구멍을 냅니다. 이제 머리에 있는 바이러스의 DNA가 대장균 안으로 들어갑니다.
- The needle at the tip of the tail tube may come into contact with the inner membrane and initiate an opening of a DNA-conductive channel.
* The needle at the tip of the tail tube may come into contact with the inner membrane and initiate an opening of a DNA-conductive channel.
[9] 성공적으로 세균에 입성한 바이러스 DNA는 대장균의 자원을 활용해 메신저 RNA라는 물질을 만들어냅니다. 그리고 메신저 RNA 또한 바이러스의 복제에 필요한 단백질을 대장균이 가진 아미노산으로 합성합니다. 초기에 만들어지는 단백질은 대장균의 DNA를 파괴하는 효소입니다.
[10] 이것은 꽤 놀라운 일입니다. DNA를 파괴하는 효소는 바이러스 자신의 DNA에게도 위험해 보이기 때문이죠. 하지만 이 효소는 바이러스의 DNA는 건드리지 않고 대장균의 DNA만을 파괴합니다. 이런 놀라운 일이 어떻게 가능한 것일까요?
[11] 바이러스와 대장균의 DNA는 A, T, C, G의 네 가지 물질로 구성되어 있으므로 차이가 없어 보일수도 있습니다. 하지만 자세히 살펴보면 바이러스 DNA의 C 부분은 대장균이 가진 것과 달리 약간 변형된 형태로 존재합니다. 그 덕분에 효소는 바이러스와 세균의 DNA를 구별할 수 있는 놀라운 능력을 가지게 됩니다. 분해된 세균의 DNA는 바이러스의 DNA 조립에 재활용됩니다.
- Biochemical analysis of the substrate specificity and sequence preference of endonuclease IV from bacteriophage T4, a dC-specific endonuclease implicated in restriction of dC-substituted T4 DNA synthesis
- Endonuclease IV encoded by denB of bacteriophage T4 is implicated in restriction of deoxycytidine (dC)-containing DNA in the host Escherichia coli. The enzyme was synthesized with the use of a wheat germ cell-free protein synthesis system, given a lethal effect of its expression in E.coli cells, and was purified to homogeneity. The purified enzyme showed high activity with single-stranded (ss) DNA and denatured dC-substituted T4 genomic double-stranded (ds) DNA but exhibited no activity with dsDNA, ssRNA or denatured T4 genomic dsDNA containing glucosylated deoxyhydroxymethylcytidine. Characterization of Endo IV activity revealed that the enzyme catalyzed specific endonucleolytic cleavage of the 5' phosphodiester bond of dC in ssDNA with an efficiency markedly dependent on the surrounding nucleotide sequence. The enzyme preferentially targeted 5'-dTdCdA-3' but tolerated various combinations of individual nucleotides flanking this trinucleotide sequence. These results suggest that Endo IV preferentially recognizes short nucleotide sequences containing 5'-dTdCdA-3', which likely accounts for the limited digestion of ssDNA by the enzyme and may be responsible in part for the indispensability of a deficiency in denB for stable synthesis of dC-substituted T4 genomic DNA.
* Nucleic Acids Res. 2006;34(17):4743-51. doi: 10.1093/nar/gkl553. Epub 2006 Sep 13.
- The onset of T4 middle transcription also finishes the process of eliminating host transcription by simply removing the host DNA template for RNAP. T4-encoded nucleases, primarily EndoII encoded by denA and EndoIV encoded by denB, selectively degrade the dC-containing host DNA
* Transcriptional control in the prereplicative phase of T4 development, Hinton Virology Journal 2010, 7:289
[12] 이제 파지 바이러스는 자신의 DNA와 단백질을 자유롭게 복제하기 시작합니다. 충분한 양의 파지가 만들어지면, 이들은 새로운 숙주를 찾아 떠납니다.
[13] 이러한 일련의 사건을 파지의 '삶'이라고 부를 수도 있겠지만, 여기에는 논쟁적 측면이 있습니다. 대부분의 바이러스는 자신을 복제하는 능력을 온전히 갖추고 있지 않으므로 생명체라고 말하기 어려워 보이기 때문이죠. 하지만 결과적으로는 숙주를 이용해 자기 자신을 성공적으로 복제해냅니다. 바이러스는 생명을 정의하는 철학적인 측면에서 논쟁의 대상입니다.
[14] 하지만 바이러스가 생명인지 아닌지에 관한 철학적인 문제를 떠나, 바이러스의 존재 자체는 지구 생태계에 없어서는 안 되는 독보적인 위상을 지니고 있습니다.
[15] 바이러스는 지구상에 존재하는 세균의 양을 조절하는 아주 중요한 역할을 합니다. 바다에 존재하는 20%의 미생물과 50%의 박테리아를 바이러스가 처리하고 있는 것으로 알려져 있죠.
- These viruses kill about 20% of all oceanic microbes, and about 50% of all oceanic bacteria, each day. By culling microbes, viruses ensure that oxygen-producing plankton have enough nutrients to undertake high rates of photosynthesis, ultimately sustaining much of life on Earth. “If we don’t have death, then we have no life, because life is completely dependent on recycling of materials,” Suttle says. “Viruses are so important in terms of recycling.”
* "If all viruses disappeared, the world would be very different — and not necessarily for the better. But what exactly would happen?" BBC FUTURE, By Rachel Nuwer, 18th June 2020
[16] 만약 바이러스가 없었다면 세균은 폭발적으로 증가했을 것이고, 바다에 존재하는 다른 생명체들은 세균으로부터 살아남을 수 없었을 것입니다. 미생물의 양을 조절하는 바이러스는 생태계에 필수적인 조율사인 셈입니다.
[17] 이제 우리는 바이러스가 가진 무한한 가능성에 관해 이야기할 수 있는 충분한 지식을 가졌습니다.
[18] 인류는 끊임없이 세균에게 위협받고 있지만, 세균을 죽이는 항생제의 개발은 한계에 봉착했습니다. 새로운 항생제를 위한 신물질의 발굴은 많은 시간과 돈뿐만 아니라 상당한 운이 필요하기 때문에 제약회사가 투자하기 꺼려하는 분야이죠. 그 덕분에 상황은 점점 나빠지고 있습니다.
[19] 지금까지 개발된 어떠한 항생제에도 죽지 않는 슈퍼 박테리아(슈퍼버그)는 이미 등장했으며, 매년 100만 명 이상이 슈퍼 박테리아의 감염으로 사망하고 있습니다. 그리고 2050년에는 그 숫자가 1,000만 명에 이를 것으로 예측되고 있죠.
- "전 세계적으로 매년 100만명 이상이 항생제 내성균 감염으로 사망하고 있고, 계속 증가할 것으로 예측. 항생제 내성 문제를 해결할 수 있는 방안으로 유전자가 조작된 박테리오파지를 활용하여 치료에 성공한 연구결과가 최근 네이처 메디슨(Nature Medicine)에 발표. 항생제 내성 세균 감염을 치료할 수 있는 대체 치료기술의 가능성을 보여준 사례로, 향후 추가적인 실험으로 검증이 필요"
* 생명공학정책연구센터('19. 6. 27)
- "UN 보고서에서는 2050년경에는 항생제 내성균 감염으로 인한 사망자가 1,000만명에 이를 것으로 보고"
* <BioINwatch(BioIN+Issue+Watch): 21-5> 생명공학정책연구센터('21. 1. 21)
[20] 박테리오파지는 이러한 상황을 타개할 후보 중 하나입니다. '파지 테라피'라 불리는 세균 제거법은 2018년 세균에 감염된 한 소녀에게 몇 종류의 파지를 투여하는 방식으로 실행되었고 결과는 성공적이었습니다. 파지가 효과적으로 세균만을 공격한 것이죠.
- A 15-year-old patient with cystic fibrosis with a disseminated Mycobacterium abscessus infection was treated with a three-phage cocktail following bilateral lung transplantation. Effective lytic phage derivatives that efficiently kill the infectious M. abscessus strain were developed by genome engineering and forward genetics. Intravenous phage treatment was well tolerated and associated with objective clinical improvement, including sternal wound closure, improved liver function, and substantial resolution of infected skin nodules.
* Engineered bacteriophages for treatment of a patient with a disseminated drug-resistant Mycobacterium abscessus, Nature Medicine volume 25, pages730–733 (2019)
[21] 파지 테라피는 아직 실험 단계에 불과하기 때문에 많은 임상시험을 거쳐야 하며 여러 난관을 해결해야 할 필요가 있지만, 항생제의 대안으로 떠오르는 유력한 기술 중 하나입니다.
[22] 이 사례는 바이러스의 능력을 인간에게 유리하게 사용하려는 많은 움직임들 중 한 가지에 불과합니다. 우리는 더 유명한 사례를 최근에 직접 경험했습니다. 바로 백신입니다.
[23] 바이러스가 유전 물질과 캡시드만을 이용해 효율적으로 자기 자신을 복제해내는 것은 매우 놀랍습니다. 그리고 여기에 유전자 재조합 기술이 더해지면 더 놀라운 일들을 만들어낼 수 있습니다.
[24] 이 바이러스는 최근에 우리와 사이가 아주 좋아진 바이러스입니다. 아데노바이러스의 한 종류에 속하는 이 바이러스가 바로 아스트라제네카 코로나 백신의 재료로 사용되고 있기 때문이죠.
[25] 과학자들은 이 바이러스의 유전자에서 복제에 관여하는 부분과 면역 반응에 관여하는 부분을 제거했습니다. 그리고 코로나바이러스의 스파이크 단백질 정보가 담긴 유전자를 집어넣었죠.
- Adenovirus based vectors typically have two regions of the virus genome removed, known as E1 and E3 [7]. The E1 region contains early genes required to trigger a transcription cascade enabling viral replication; E1-deleted vectors therefore need to be grown in E1 trans-complementing cell lines such as HEK293 cells [8]. HEK293 cells have a 4 kbp region of human adenovirus type 5 (HuAd5) integrated into the cellular genome that provides the E1 genes in trans enabling efficient virus vector replication and recombinant virus production. The E3 region is comprised of genes encoding proteins that primarily act to subvert the immune response to adenovirus infection and are thus not needed for replication in cell culture and potentially undesirable from a vaccine platform perspective. Usually, the transgene to be expressed is inserted into the virus genome in place of the E1 region under the control of a highly active promoter.
* SARS-CoV-2 vaccine ChAdOx1 nCoV-19 infection of human cell lines reveals low levels of viral backbone gene transcription alongside very high levels of SARS-CoV-2 S glycoprotein gene transcription, Genome Medicine volume 13, Article number: 43 (2021)
[26] 이 아데노바이러스가 사람의 세포에 들어가 DNA를 방출하면, 세포는 변형된 DNA로부터 코로나바이러스의 스파이크 단백질을 만들어냅니다. 그 덕분에 인체의 세포는 코로나 바이러스를 미리 학습하게 됩니다.
[27] 이처럼 바이러스에 유전물질을 실어서 원하는 단백질을 생산하는 것은 정말로 가능합니다. 그렇다면 일부 사람들이 유전자에 문제가 생겨 만들지 못하는 단백질을 바이러스가 생산하도록 하는 것도 가능하지 않을까요? 이 기술은 이미 실행되고 있습니다.
[28] 선천적, 또는 후천적으로 유전자에 문제가 생겨 인체의 단백질을 제대로 생산하지 못하는 사람들에게 유전자 치료제는 희망을 주었습니다.
[29] 2012년에 승인된 글리베라를 시작으로 유전자 치료제 시장은 점차 커지고 있습니다. 유전성 망막질환 치료제인 럭스터나와, 근육 위축을 치료하는 졸겐스마도 시장에서 성공을 거두었으며, 졸겐스마는 21년 5월, 럭스터나는 21년 9월에 국내 사용 허가를 받았습니다. 현재 테스트 중인 유전자 치료제는 1,300개가 넘습니다. 이제 유전자 치료는 꿈이 아니라 현실로 다가왔습니다.
* ASGCT, Gene, Cell, & RNA Therapy Landscape – Q1 2021 Quarterly Data Report, 2021.4.15
[30] 그리고 여기에는 한국의 바이오벤처 회사 ICM에서 개발중인 관절염 치료제 ICM-203과 당뇨 망막증 치료제인 ICM-302도 있습니다.
[31] 현재 임상시험을 준비하고 있는 ICM-203은 특정한 단백질을 만들어내는 DNA를 아데노연관바이러스 중 하나에 포장한 유전자 치료제입니다. 럭스터나와 졸겐스마도 바로 AAV를 이용해 만든 유전자 치료제입니다.
[32] 이 치료제가 노화된 관절에 주사되면, AAV가 연골 세포 안으로 들어가고 DNA가 방출됩니다. 이 DNA는 앞서 설명한 바이러스들과는 다르게 두 가닥이 아니라 한 가닥으로 이루어져 있습니다. 따라서 자신의 DNA와 맞는 짝을 합성하는 일부터 시작합니다. 이렇게 합성된 DNA를 토대로 메신저 RNA가 만들어지면, 우리의 세포는 Nkx 3.2라 불리는 단백질의 생산을 시작합니다.
[33] Nkx 3.2는 손상된 연골을 복구하고 염증을 억제해주는 역할을 합니다. 따라서 ICM-203은 관절 퇴행 질환을 개선하는 유전자 치료제의 후보들 중 하나입니다.
[34] 이론은 어렵지 않지만, 이러한 유전자 치료제를 만들기 위해서는 많은 기술이 필요합니다. 질병과 단백질과의 연관 관계를 밝혀야 하고, 해당 단백질이 잘 만들어지도록 유전물질을 최적화해야 합니다. 최적화 기술은 상당히 복잡하지만, 열정적인 과학자들이 꽤 진전을 이루어놓은 상태입니다.
[35] 또한 유전물질을 포장하는 바이러스 전달체를 잘 선정하는 것이 중요합니다. 바이러스들 중에서도 AAV는 그 종류가 다양해서 많은 인기를 얻고 있습니다. 여기서 종류가 다양하다는 것은 캡시드의 구조가 제각각 다르다는 것을 의미합니다. 따라서 AAV는 잘 결합하는 세포의 종류도 제각각입니다. 그 덕분에 아직은 다소 제한적이지만, AAV를 잘 선택하기만 하면 원하는 유전물질을 특정한 세포에 전달할 수 있죠.
[36] 또 다른 문제는 이러한 바이러스를 대량으로 생산할 수 있는 기술력입니다. ICM-203은 Sf9이라 불리는 유명한 곤충 세포에 두 가지 종류의 배큘로바이러스를 감염시켜서 제작합니다.
[37] 첫 번째 배큘로바이러스는 Nkx 3.2 단백질의 정보가 담긴 DNA를 가지고 있습니다. 두 번째 베큘로바이러스는 AAV의 캡시드를 만들고 복제하는 DNA를 가지고 있죠. 이 두 가지의 DNA가 Sf9 세포에 들어가서 재조합 AAV를 대량으로 만들어냅니다. 바이러스를 만들기 위해 또다른 바이러스가 이용되는 것이죠. 이렇게 만들어진 AAV는 자기 복제능력이 없고, Nkx3.2 단백질만을 생산하는 DNA를 가지게 됩니다.
[38] 유전자 치료제는 아주 유망한 산업 중 하나이며 많은 사람을 살리게 될 것이 확실합니다. 그러나 국내외 일부 유전자 치료제는 데이터 조작 의혹 등의 스캔들로 논란을 낳기도 했습니다. 과학기술에서 중요한 것은 투명성이며, 감시 기관은 이것을 철저하게 감독해야 할 의무가 있습니다.
* FDA STATEMENT, Aug 06, 2019, Peter Marks, M.D., PhD. Director - Center for Biologics Evaluation and Research (CBER)
* 식약처, 코오롱생명과학 인보사케이주 허가 취소, 식약처 보도자료 19.05.28
[39] 유전자 치료제가 해결해야 할 또 다른 중대한 문제는 바로 가격입니다. 관절염과 같은 큰 수요 시장을 공략하여 규모의 경제를 달성하는 치료제들은 저렴한 공급이 가능하지만, 소수의 유전 질환자들을 대상으로 한 치료제는 여전히 비쌉니다. 럭스터나의 약가는 10억 원이고, 졸겐스마는 25억 원입니다. 이 두 치료제는 단 한 번의 투여로 질병이 완치되는 것을 장점으로 내세우고 있지만, 모든 소비자에게 이 가격을 납득시키기는 어려워 보입니다. 유전자 치료제의 가격은 여러 문제가 뒤섞인 매우 논쟁적인 주제이지만, 얽힌 실타래를 푸는 한 축으로 더 많은 기업이 시장에 뛰어들어 경쟁이 심화되고 관련 기술이 더 진보하는 것임은 명백합니다.
- The cost of Luxturna is $850,000 per a one-time treatment; however, the manufacturer states it is offering outcomes-based pricing and other innovative payment tools to lessen the cost of treatment to insurers and patients.
- Novartis’ Zolgensma, a one-time gene therapy for spinal muscular atrophy tops the list with a price tag of $2.125 million.
* https://www.biospace.com/article/gene-therapy-zolgensma-tops-goodrx-list-of-10-most-expensive-drugs/
[40] 파지 테라피와 바이러스 벡터 백신, 그리고 유전자 치료제는 우리가 새롭게 발견한 바이러스의 쓸모입니다. 하지만 바이러스는 이미 오래전부터 인류에게 유익한 측면을 제공하고 있었음이 밝혀졌습니다.
[41] 인간 유전체의 8%는 레트로바이러스에서 유래한 것으로 추정됩니다. 사람의 유전자 일부가 바이러스의 유전자를 가지고 있다는 것이죠. 하지만 이 사실로부터 우리는 공포를 느끼는 것이 아니라 생명의 경이로움을 인식하는 것이 옳은 것 같습니다. 레트로바이러스에서 유래한 유전체의 일부는 임신부의 태반 막 형성을 돕는 기능을 가지고 있습니다. 그렇기에 바이러스가 없었다면 우리는 존재조차 하지 못했을 것입니다.
- Genome-sequencing projects of many species have revealed that ERVs have a ubiquitous presence in vertebrate genomes, constituting over 8% of the human genome [10]. Most ERVs are considered fossilized relics that can no longer replicate or encode functional viruses, but the occasional insertion may prove beneficial for the host and become co-opted for a cellular role.
- Since the discovery of ERVs decades ago, a number of retroviral proteins have been identified that have been co-opted to perform a wide range of biological functions. Notably, there is an apparent propensity for ERVs to acquire new roles in the placenta. One of the most iconic examples of retrovirus "domestication" is the gene Syncytin-1, which originates from a retroviral envelope gene. In primates, Syncytin-1 was repurposed for the development of a multinucleate tissue layer known as the syncytiotrophoblast, which separates maternal and fetal bloodstreams in the placenta. Remarkably, Syncytin-like retroviral proteins have been reported to be expressed in the placentas of nearly all mammals, yet Syncytins in different lineages derive from at least 10 independent infections by unrelated retroviruses. These findings have led to speculation that the co-option of unrelated ERVs in different species was a driving force underlying the evolutionary diversification of the placenta.
* The placenta goes viral: Retroviruses control gene expression in pregnancy. PLoS Biol 16(10): e3000028.
* REFERENCE
- Functional analysis of the highly antigenic outer capsid protein, Hoc, a virus decoration protein from T4-like bacteriophagesmmi_7219, Molecular Microbiology (2010) 77(2), 444–455
- Gene Therapy in Retinal Dystrophies, Int. J. Mol. Sci. 2019, 20, 5722; doi:10.3390/ijms20225722
- The placenta goes viral: Retroviruses control gene expression in pregnancy, PLoS Biol 16(10): e3000028.
- SARS-CoV-2 vaccine ChAdOx1 nCoV-19 infection of human cell lines reveals low levels of viral backbone gene transcription alongside very high levels of SARS-CoV-2 S glycoprotein gene transcription, Almuqrin et al. Genome Medicine (2021)
- Transcriptional control in the prereplicative phase of T4 development, Hinton Virology Journal 2010, 7:289
- The Central Spike Complex of Bacteriophage T4 Contacts PpiD in the Periplasm of Escherichia coli, Viruses 2020, 12, 1135; doi:10.3390/v12101135
- Engineered bacteriophages for treatment of a patient with a disseminated drug-resistant Mycobacterium abscessus, Nature Medicine volume 25, pages730–733 (2019)
- Nucleic Acids Res. 2006;34(17):4743-51. doi: 10.1093/nar/gkl553. Epub 2006 Sep 13.
- Targeting mechanisms of tailed bacteriophages, Nature Reviews Microbiology volume 16, pages760–773 (2018)
- <BioINwatch(BioIN+Issue+Watch): 19-44>
- <BioINwatch(BioIN+Issue+Watch): 19-62>
- ASGCT, Gene, Cell, & RNA Therapy Landscape – Q1 2021 Quarterly Data Report, 2021.4.15
- FDA STATEMENT, Aug 06, 2019, Peter Marks, M.D., PhD. Director - Center for Biologics Evaluation and Research (CBER)
- 식약처, 코오롱생명과학 인보사케이주 허가 취소, 식약처 보도자료 19.05.28
- https://www.biospace.com/article/gene-therapy-zolgensma-tops-goodrx-list-of-10-most-expensive-drugs/
- "If all viruses disappeared, the world would be very different — and not necessarily for the better. But what exactly would happen?" BBC FUTURE, By Rachel Nuwer, 18th June 2020