A rational design strategy and validation for protease-resistant fusion-inhibitor antiviral peptides

지질 막으로 둘러싸인 형태인 포장된 바이러스(enveloped viruses)는 감염을 일으키기 위해 인간 세포의 외층과 융합되어야 합니다. 이를 위해 이들은 스파이크 단백질이라는 분자 열쇠를 사용하며, 이 열키는 바이러스와 세포를 서로 결합시키기 위해 극적인 형태 변화를 일으킵니다. 과학자들은 바이러스 자체의 열쇠 일부를 모방한 짧은 단백질 조각인 '미끼(decoy)'를 만들어 이 과정을 차단할 수 있다는 사실을 오래전부터 알고 있었습니다. 이 미끼는 스파키 단백질에 결합하여 메커니즘을 방해함으로써 바이러스가 세포로 들어오는 것을 막을 것입니다. 이 전략은 시험관 내에서는 잘 작동하지만, 인체에는 미끼 단백질이 제 역할을 하기 전에 이를 잘라버리는 분자 가위와 같은 효소들이 가득하기 때문에 역사적으로 의약품으로서 실패해 왔습니다.

연구진은 이제 이러한 가위들을 따돌릴 방법을 찾아냈습니다. 그들은 바이러스가 세포 잠금을 해제하는 데 사용하는 바로 그 효소가 미끼 단백질을 파괴하는 주범이라는 사실을 발견했습니다. 연구진은 이 효소가 자르는 특정 지점을 연구하여, 결합 능력은 유지하면서도 가위로부터는 보이지 않게 되도록 미끼 단백질을 재설계했습니다. 살아있는 세포와 생쥐를 대상으로 테스트했을 때, 이 새로운 더 강력한 미끼들은 기존 버전보다 훨씬 더 오랫동안 활성을 유지하며, 바이러스에 노출되기 전 투여할 수 있는 안전한 예방 치료제로서의 유망한 길을 제시했습니다.

이야기는 코로나19를 일으키는 특정 유형의 바이러스인 SARS-CoV-2로부터 시작됩니다. 다른 많은 바이러스와 마찬가지로, 이 바이러스는 인간 세포의 방어벽을 뚫기 위해 스파이크 단백질에 의존합니다. 바이러스 내부에는 융합 과정에 결정적인 역할을 하는 헤파드 리피트 2(heptad repeat 2), 즉 HR2라고 불리는 영역이 있습니다. 과학자들은 이전에 이 HR2 영역의 짧은 조각을 약물로 사용하려고 시도했습니다. 이 조각이 떠다니다가 바이러스 자체의 HR2 영역에 결합하여, 바이러스가 세포와 융합하지 못하도록 손을 묶어버리겠다는 아이디어였습니다. 하지만 체내에서 이러한 짧은 단백질 조각들은 매우 취약합니다. 연구진은 인체의 기도에 존재하는 TMPRSS2라는 특정 효소가 이들을 파괴하는 원인이라고 의심했습니다. 이 효소는 스파이크 단백질을 절단하여 활성화함으로써 바이러스가 세포에 침투하는 데 필수적인 역할을 합니다. 연구진은 이 동일한 효소가 치료용 미끼 단백질 또한 잘라내어 무용지물로 만든다고 가설을 세웠습니다.

이를 테스트하기 위해 연구진은 원래의 미끼 단백질을 실험실 접시에서 TMPRSS2 효소에 노출시켰습니다. 한 시간 이내에 효소는 미끼를 완전히 조각내었습니다. 세포 융합 실험에서 이 잘려 나간 조각들을 테스트했을 때, 조각들은 바이러스를 억제하는 능력을 모두 상실했음을 발견했습니다. 이는 효소가 미끼의 실패를 초래한 진범임을 확인시켜 주었습니다. 다음 단계는 효소가 정확히 어디를 자르는지 알아내는 것이었습니다. 분자의 화학적 구성을 식별하는 기술을 사용하여, 연구진은 미끼 단형의 세 가지 특정 지점을 찾아냈는데, 이 지점들은 효소가 표적으로 삼는 단백질의 기본 구성 요소들이 풍부한 곳이었습니다.

이 지식을 바탕으로 연구팀은 미끼를 재설계하기 시작했습니다. 그들은 효소가 더 이상 인식하지 못하도록 세 개의 절단 지점을 변경해야 했지만, 미끼가 바이러스에 결합하는 능력을 잃을 정도로 모양을 너무 많이 바꾸어서는 안 되었습니다. 이를 해결하기 위해 연구진은 최적의 대체물을 찾고자 두 가지 다른 전략을 사용했습니다. 첫째, 수백만 개의 약간씩 다른 미끼 버전을 가진 거대한 라이브러리를 만들어 어떤 것이 여전히 바이러스의 표적에 단단히 결합하는지 테스트했습니다. 둘째, 자연계에서 발견된 SARS-CoV-2 변이들의 유전 기록을 검토하여, 바이러스를 망가뜨리지 않으면서 이미 일어난 변화가 무엇인지 확인했습니다. 이 두 가지 접근 방식을 결합하여, 연구진은 효소에 저항성이 있으면서도 결합력이 여전히 효과적인 세 가지 새로운 버전의 미끼 단백질을 식별했습니다.

연구진은 이 세 가지 새로운 단백질을 합성하고 테스트했습니다. 그들은 효소가 더 이상 이들을 자를 수 없음을 확인했습니다. 세포 실험에서 세 가지 새로운 미끼 모두 효소가 존재하는 환경에서도 바이러스가 세포와 융합하는 것을 성공적으로 차단했습니다. 연구진이 HR2-NHN이라고 명명한 한 버전이 가장 뛰어난 성능을 보였습니다. 이 특정 버전이 왜 그렇게 잘 작동하는지 이해하기 위해, 연구팀은 초저온 전자 현미경(cryo-electron microscopy)이라는 강력한 이미징 기술을 사용하여 미끼가 표적에 결합한 상세한 3D 이미지를 촬영했습니다. 그 결과, 변경 사항 중 하나가 미끼와 바이러스 사이의 강한 전기적 인력을 제거했지만, 대신 두 물질을 똑같이 단단하게 붙잡아주는 새로운 안정적인 연결을 만들어냈다는 것을 발견했습니다. 이러한 구조적 통찰은 새로운 미끼가 왜 그토록 강력한지를 설명해 주었습니다.

진정한 시험은 연구진이 세포 접시를 넘어 살아있는 동물로 옮겨갔을 때 찾아왔습니다. 연구진은 SARS-CoV-2 변이에 취약한 생쥐를 사용했습니다. 이 실험에서 연구진은 원래의 미끼와 새로운, 더 강력한 HR2-NHN 미끼를 생쥐에게 바이러스를 감염시키기 전 서로 다른 시간에 투여했습니다. 감염 직전에 투여했을 때는 두 버전 모두 잘 작동했습니다. 그러나 연구진이 생쥐를 감염시키기 12시간 전까지 기다렸을 때, 원래의 미끼는 대부분의 힘을 잃었습니다. 반면, 새로운 HR2-NHN 미끼는 매우 효과적인 상태를 유지했습니다. 이 미끼는 바이러스가 도입되기 전 꼬박 하루가 지난 후에도 생쥐를 계속 보호했습니다. 별도의 실험에서 연구진은 생쥐의 폐에서 미끼가 얼마나 오랫동안 활성 상태를 유지하는지 측정했습니다. 원래 미끼의 보호 효과는 약 8시간의 반감기를 가지며 사라진 반면, 새로운 미끼는 11시간 동안 지속되었습니다. 이 차이는 새로운 미끼가 훨씬 더 긴 시간 동안 감염을 예방할 수 있음을 의미했습니다.

이 연구는 또한 오미크론 변량을 포함한 다양한 바이러스 변이들에 대해 이 미끼들이 어떻게 작동하는지도 살펴보았습니다. 새로운 미끼가 원래의 균주에 비해 오미크론에 대해서는 약간 덜 효과적이었지만, 여전히 기존의 미끼보다는 우수한 성능을 보였습니다. 연구진은 미끼에 가해진 변화가 세포 내로 더 효율적으로 들어가거나 세포 내부의 다른 효소들에 저항하는 데 도움을 줄 수 있으며, 이것이 추가적인 회복력을 설명할 수 있다고 언급했습니다. 이 작업은 복잡한 화학적 수식 없이도 체내에서 생존할 수 있는 단백질 기반 항바이러스를 만드는 것이 가능하다는 것을 보여줍니다. 단순히 단백질 코드의 몇 글자를 바꾸어 체내의 자연적인 가위를 피함으로써, 연구진은 더 안정적이고 오래 지속되는 약물 후보를 만들어냈습니다.

이 접근 방식은 바이러스 감염과 싸우는 새로운 방식을 제시합니다. 약물을 보호하기 위해 값비싼 화학적 코팅에 의존하는 대신, 과학자들은 이제 바이러스 자체의 약점과 인체의 자연스러운 환경을 활용하여 더 나은 의약품을 설계할 수 있습니다. SARS-CoV-2를 통한 이 전략의 성공은 유사한 융합 메커니즘을 사용하는 에볼라, 니파, HIV와 같은 다른 위험한 바이러스에도 적용될 수 있음을 시사합니다. 연구진은 이 재설계된 단백질을 포함하는 간단한 비강 스프레이가 예방책으로 사용되어, 사람이 바이러스에 노출되기 전 보호하거나 감염 초기 단계에서 이를 저지하는 데 쓰일 수 있는 미래를 구상하고 있습니다. 이 연구 결과는 취약한 단백질 조각을 견고하고 생명을 구하는 도구로 탈바꿈시키는 명확하고 실질적인 청사진을 제공합니다.