A growth-inhibitory dUTPase from Mosigvirus AV110 disrupts cell division and host physiology in Escherichia coli

모든 살아있는 세포 내부에서는 생명의 구성 성분을 두고 조용하지만 끊임없는 전투가 벌어집니다. 자신의 유전 코드를 복제하기 위해 세포는 특정 화학적 부품들의 꾸준한 공급을 필요로 하는데, 그중 하나가 dUTP라고 불리는 것입니다. 만약 이 부품이 실수로 유전 코드에 끼어들게 되면, 세포의 지침을 망가뜨리는 오류를 일으킬 수 있습니다. 이를 방방지하기 위해 세포는 특화된 도구인 효소를 사용하여, 해를 끼치기 전에 과도한 dUTP를 분해합니다. 이 도구는 인간에서부터 박테리아에 이르기까지 거의 모든 형태의 생명체에서 발견됩니다. 그러나 박테리아를 감염시키는 바이러스인 파지(phage)로 알려진 일부 바이러스들은 자신들만의 버전인 이 도구를 훔치거나 발명했습니다. 이러한 바이러스의 도구들은 종종 이중 목적을 가집니다. 즉, 바이러스가 자신의 유전 물질을 구축하는 것을 돕는 동시에, 이 필수적인 부품들의 공급을 차단하여 세포의 기계를 효과적으로 하이재킹(탈취)함으로써 세포가 대신 바이러스를 위해 일하게 만듭니다.

덴마크와 벨기에의 연구팀은 최근 Mosigvirus AV110라는 파지에서 발견되는 특정 바이러스 도구에 주목했습니다. 이 바이러스는 특히 많은 일반 항생제에 내성을 가진 에스케리키아 콜라이(Escherichia coli, 대장균)라는 종류의 박테리아를 감염시킵니다. 연구원들은 이 바이러스 도구인 Gp135 단백질이 박테리아 세포 내에서 활성화될 때 정확히 어떤 일이 일어나는지 이해하고자 했습니다. 그들은 이 단일 단백질의 존재가 박테리아의 형태를 어떻게 변화시키고, 분열을 멈추게 하며, 궁극적으로 어떻게 죽음에 이르게 하는지에 대해 특히 관심을 가졌습니다. 이러한 상호작용을 연구함으로써, 과학자들은 바이러스가 어떻게 숙주를 조종하는지 더 자세히 배우고, 바이러스 세계에 퍼져 있는 이 광대하고 숨겨진 도구들의 다양성을 지도화하기를 희망했습니다.

연구진은 여러 가지 다른 종류의 항생제 내성 박테리아에 Gp135 단백질을 생성하는 유전자를 도입하는 것으로 시작했습니다. 그러고 나서 박테리아가 이 단백질을 생성하기 시작할 때 어떤 일이 일어나는지 관찰했습니다. 결과는 즉각적이고 극적이었습니다. 단백질이 존재하는 상태에서 박테리아는 성장을 멈췄습니다. 연구원들이 박테리아 배양물의 밀도를 측정했을 때, 살아있는 세포의 수가 현저히 감소하는 것을 보았는데, 일부 균주는 최대 4개 차수(orders of magnitude)까지 감소를 보였습니다. 이는 원래 있어야 할 만 마리의 박테리아 중 단 몇 마리만이 남았음을 의미합니다. 이 효과는 단일 균주에 국한되지 않았으며, 테스트된 광범위한 박테리아 전반에 걸쳐 나타났는데, 이는 이 단백질이 이 모든 세포가 공유하는 근본적인 과정을 표적으로 삼고 있음을 시사합니다.

세포 내부에서 일어나는 물리적 변화를 보기 위해, 팀은 강력한 현미경을 사용하여 박테리아를 시간에 따라 관찰했습니다. 처음에는 세포가 정상적으로 보였습니다. 하지만 단백질이 계속 생성됨에 따라, 박테리아는 늘어나기 시작하여 평소의 짧은 막대 모양 대신 길고 가는 필라멘트 형태로 변했습니다. 그들은 분열을 멈췄습니다. 보통 박테리아는 성장한 후 둘로 나누어져 두 개의 새로운 세포를 만들지만, 이 세포들은 나누어지지 않고 계속 길어지기만 했습니다. 연구원들은 또한 내부 구조를 관찰하기 위해 세포를 염색했습니다. 그들은 세포 내부의 DNA가 복제되지 않고 있음을 발견했습니다. 건강한 박테리아에서는 유전 물질이 스스로를 복제하여 분열 전 세포의 양 끝으로 이동하지만, 여기서는 DNA 신호가 약하고 퍼지지 않았는데, 이는 복제 과정이 중단되었음을 나타냅니다.

시간이 흐르면서 손상은 더욱 심각해졌습니다. 연구원들은 늘어난 세포의 길이를 따라 나타나는 이상하고 밝은 띠들을 관찰했습니다. 이 띠들은 세포벽이나 막의 일부가 아니라, 세포 내부가 벽으로부터 떨어져 나온 빈 공간, 즉 공극(voids)이었습니다. 세포들은 본질적으로 속이 비어가는 중이었습니다. 결국 세포막이 붕انه되었고, 박테리아는 죽었습니다. 과학자들은 세포가 분열을 멈추고, 늘어나며, 내부에 틈이 생기는 이 사망 패턴이 DNA를 만드는 데 필요한 특정 영양소가 결핍되었을 때 박테리아에게 일어나는 현상과 유사하다는 점에 주목했습니다. 이 경우, 바이러스 단백질은 아마도 박테리아가 유전 코드를 복제하는 데 필요한 구성 성분의 부족을 야기하여 세포 내부 구조의 붕ense를 초래했을 것입니다.

팀은 이 단백질이 어떻게 작동하는지 이해하기 위해 단백질 자체를 면밀히 조사했습니다. 그들은 Gp135 단백질이 유명한 또 다른 바이러스인 T4 파지에서 발견되는 잘 알려진 도구와 매우 유사한 형태와 구조를 가지고 있다는 것을 발견했습니다. T4의 이 도구는 dUTP뿐만 아니라 그와 관련된 분자인 dCTP까지 분해하는 능력으로 알려져 있습니다. 연구진의 분석에 따르면 Gp135 단백질도 동일한 방식으로 작용합니다. 이러한 필수적인 구성 성분들을 분해함으로써, 단백질은 세포의 공급량을 고갈시켜 박테리아가 DNA를 복제하는 것을 방지합니다. 새로운 DNA 없이는 세포가 분열할 수 없습니다. 연구진은 또한 이 단백질이 바이러스가 박테리아의 자연 방어 체계에 대한 방패 역할을 하는 특수한 변형 유전 물질을 만드는 데 도움을 준다는 사실도 발견했습니다.

마지막으로, 연구진은 이와 같은 유형의 바이러스 도구가 얼마나 흔한지 확인하기 위해 더 넓은 관점에서 접근했습니다. 그들은 수백 개의 서로 다른 바이러스로부터 유전 서열을 수집하고 이들이 어떻게 연관되어 있는지 보기 위해 계통수를 구축했습니다. 그들은 이러한 도구들이 모두 동일하지 않다는 것을 발견했습니다. 대부분 알려진 도구들은 3부 구조를 형성하는 반면, Mosigvirus 및 유사한 바이러스에서 발견되는 것들은 2부 구조를 형성합니다. 더욱 흥식하게도, 이 2부 구조의 도구들이 서로 밀접하게 관련되지 않은 두 개의 뚜렷한 그룹으로 나뉜다는 것을 발견했는데, 이는 이들이 별도로 진화했음을 시사합니다. 또한 과학자들이 아직 연구하지 못한 네 번째의 신비로운 도구 그룹이 존재하며, 이들은 매우 다양하고 완전히 다른 기능을 가질 수도 있습니다.

이 연구는 Gp135 단백질이 바이러스의 무기고에 있는 강력한 무기라고 결론짓습니다. 유전 구성 성분의 공급을 방해함으로써, 이 단백질은 숙주 세포의 재생 능력을 중단시켜 세포 사멸을 유도하고 바이러스가 장악할 수 있게 합니다. 이 연구는 바이러스가 숙주를 조종하기 위해 진화시킨 복잡하고 다양한 방식들을 강조합니다. 또한 자연계에 존재하는 이러한 도구들의 다양한 유형이 여전히 배울 것이 많으며, 이해되기를 기다리고 있는 전체 그룹들이 존재한다는 사실을 보여줍니다. 이 발견은 세포의 화학 작태를 하이재킹하는 능력이 다양하고 진화하는 일련의 분자 도구들에 의존하는, 바이러스들에게 널리 퍼져 있고 성공적인 전략임을 시사합니다.