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The His41 site of 3CLpro is a new target for designing broad-spectrum antiviral agents against coronaviruses via a non-covalent pan-binding mode

본 연구는 코로나바이러스 3CLpro의 보존된 His41 부위를 새로운 비공유 범용 결합 표적으로 식별하였으며, 이를 통해 팍스로비드와 대등한 수준의 광범가 항바이러스 효능을 여러 코로나바이러스에 대해 입증하는 최적화된 유도체인 ISL-221을 개발하였다.

원저자: Dongbo Sun, Xiaoxu Xing, Letian Li, Jiongze Cheng, Haixin Liu, Bin Xu, Xin Yin, Jun Wang, Feiyu Zhao, Jiawei Xiao, Ming Liu, Limin Jiang, Hansong Li, Zhen Li, Xinglin Wang, Wei Zhou, Fanbo Shen, Xiaox

게시일 2026-07-22

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CC BY 4.0

원저자: Dongbo Sun, Xiaoxu Xing, Letian Li, Jiongze Cheng, Haixin Liu, Bin Xu, Xin Yin, Jun Wang, Feiyu Zhao, Jiawei Xiao, Ming Liu, Limin Jiang, Hansong Li, Zhen Li, Xinglin Wang, Wei Zhou, Fanbo Shen, Xiaoxi Yu, Hao Yuan, Yining Song, Qinghe Zhu, Chunqiu Li, Donghua Guo, Hui-Xin Li, Da Shi, Baochao Fan, Jialin Zhang, Bin Li, Shengwang Liu, Li Feng, Yung-Fu Chang, Ningyi Jin, Mingjun Su, Chang Li

원본 논문은 CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) 라이선스로 제공됩니다. ✨ 이것은 아래 논문에 대한 AI 생성 설명입니다. 저자가 작성하거나 승인한 것이 아닙니다. 기술적 정확성을 위해서는 원본 논문을 참조하세요. 전체 면책 조항 읽기

바이러스의 세계를 분주하고 혼란스러운 도시라고 상상해 보세요. 이 도시에는 아주 작은 침입자들이 건물을(우리의 세포) 뚫고 들어가 자원을 훔치고 자신들의 복사본을 더 많이 만들려는 시도를 끊임없이 하고 있습니다. 이를 막기 위해 과학자들은 보통 앞문을 잠그거나(바이러스의 진입점), 경찰관을 투입하여(백신) 침입자들의 유니폼을 식별하게 합니다. 하지만 바이러스는 교묘합니다. 그들은 매일 변장하는 가면을 쓰고 있어 백신이 따라잡기 어렵습니다. 이것이 바로 과학자들이 바이러스가 어떤 변장을 하더라도 내부 기계를 멈출 수 있는 '마스터 키'를 찾는 이유입니다.

문제의 기계는 바이러스 내부의 아주 작은 가위인 3CLpro입니다. 바이러스를 구슬이 꿰어진 긴 줄이라고 생각하면, 이 줄은 작동하기 위해 특정 조각들로 잘려야 합니다. 3CLpro 가위가 바로 그 절단을 담당합니다. 만약 이 가위를 멈출 수 있다면, 바이러스는 스스로를 구축할 수 없으므로 감염은 중단됩니다. 오랫동안 과학자들은 이 가위의 날 부분에 화학적 '쐐기'를 직접 붙여서 가위를 멈추려 노력해 왔습니다. 하지만 바이러스는 그 날의 모양을 바꾸어 쐐기를 튕겨낼 정도로 영리합니다. 이 논문은 다른, 더 스마트한 전략을 탐구합니다. 즉, 쐐기를 날에 붙이는 대신, 가위의 손잡이를 부드럽지만 단단하게 붙잡아 아예 움직이지 못하게 만든다면 어떨까 하는 아이디어입니다. 이것은 연구자들이 어떻게 자연 화합물을 찾아내어 바이러스의 손잡이를 고정했는지, 그리고 어떻게 그것을 강력한 버전으로 만들어 바이러스 가문 전체와 싸울 수 있었는지에 대한 이야기입니다.

바이러스 가위의 '손잡이'를 찾아서

코로나바이러스는 형태를 바꾸는 변신술사와 같습니다. 이들은 동물과 인간 사이를 넘나들며 끊임없이 돌연변이를 일으키기 때문에 백신만으로는 물리치기 어렵습니다. 과학자들은 '광범위 항바이러스제'—즉, 일반적인 감기부터 심각한 폐렴을 일으키는 바이러스까지 다양한 종류의 코로나바이러스와 싸울 수 있는 단일 약물—를 찾아 헤매왔습니다.

그들이 선택한 표적은 바이러스의 필수적인 가위인 3CL 프로테아제(또는 3CLpro)입니다. 대부분의 약물은 이 가위의 절단면(시스테인 원자)에 화학적 '풀'을 붙여서 멈추려 합니다. 하지만 바이러스는 그 절단면을 변형시켜 풀을 무력화할 수 있습니다. 이 논문은 새로운 접근 방식을 제안합니다. 절단면에 풀을 붙이는 대신, 왜 가위의 손잡이를 잡지 않을까요?

이 바이러스 가위의 손잡이는 His41이라고 불리는 단백질의 특정 부분입니다. 이는 가위가 작동하게 만드는 회전축과 같습니다. 연구진은 감초 등 식물에서 발견되는 천연 화합물인 **이소리퀴리티게닌(Isoliquiritigenin, ISL)**이 가위에 자신을 붙이는 것이 아니라, 가위의 포켓 안으로 흘러 들어가 **π–π 적층(π–π stacking)**이라는 특수한 자기장 같은 힘을 이용해 His41 손잡이에 결합한다는 사실을 발견했습니다.

π–π 적층은 두 개의 평평하고 둥근 자석(또는 두 조각의 빵)이 서로 완벽하게 평행하게 놓이려는 성질과 같습니다. ISL 분자는 평평하고 방향족(빵 한 조각처럼)이며, His4이 손잡이 또한 평평하고 방향족입니다. 둘이 만나면 서로 안정적인 비공유 결합의 포옹을 나누며 딱 맞물립니다. 이것은 영구적인 접착제가 아닙니다. 가위가 움직이지 못하도록 멈추는 강하고 가역적인 포옹입니다.

발견: 자연에서 온 락픽(Lockpick)

연구팀은 먼저 6,000개의 천연 생성물을 스크리닝하여 어떤 것이 PEDV(돼지 코로나바이러스)의 가위를 멈출 수 있는지 조사했습니다. 그들은 ISL을 찾아냈습니다. 테스트 결과 놀라운 점이 발견되었습니다. ISL은 정상적인 가위에는 단단히 결합했지만, 만약 His41 손잡이를 변형(돌연변이)시키면 ISL은 그냥 미끄러져 버렸습니다. 이는 ISL이 작동하기 위해 전적으로 그 특정 손잡이에 의존한다는 것을 증명했습니다.

단발성 성공에 그치지 않았습니다. 연구진은 네 가지 가문(알파, 베타, 감마, 델타)의 아홉 가지 서로 다른 코로나바이러스를 대상으로 ISL을 테스트했습니다. 모든 경우에서 ISL은 His41 손잡이에 달라붙었습니다. ISL은 가위가 작동하는 것을 성공적으로 막았고 세포 내 바이러스 양을 줄였습니다. 치명적인 변종 PEDV에 감염된 새끼 돼지들에게 감염 전 ISL을 투여했을 때 대부분의 돼지가 생존했으며, 병에 걸린 후 투여했을 때도 생존에 도움이 되었습니다.

레벨 업: ISL-221로 '좋음'에서 '훌륭함'으로

ISL도 효과적이었지만, 과학자들은 이를 더 개선하고 싶었습니다. 그들은 ISL과 His41 손잡이 사이의 '자기적 포옹'(π–π 적층)이 핵심임을 깨달았습니다. 그들은 질문했습니다. "만약 우리가 ISL 분자를 조금 더 자석처럼 만들 수 있다면 어떨까?"

그들은 ISL-221이라는 새로운 버전을 설계했습니다. 분자에 아주 작은 전자 공여 그룹을 추가함으로써 π–π 적층 상호작용을 강화한 것입니다. 자석을 더 강력하게 만들어 더 꽉 맞물리게 한다고 상상해 보세요.

결과는 인상적이었습니다. ISL-221은 원래의 ISL보다 23배 더 단단하게 가위에 결합했습니다. 실험실에서 바이러스를 멈추는 데 있어 11배 더 효과적이었습니다. 하지만 진짜 마법은 살아있는 동물에게서 일어났습니다.

새끼 돼지: PEDV에 감염된 새끼 돼지들에게 ISL-221을 처방했을 때, 원래의 ISL을 사용했을 때(66.67%)보다 높은 **83.33%**의 생존율을 보였습니다. TGEV와 PDCoV(두 가지 다른 돼지 바이러스)의 경우, ISL-221은 처방받은 새끼 돼지의 **100%**를 살려냈습니다.
생쥐: 연구진은 SARS-CoV-2(코로나19 유발 바이러스)를 대상으로 ISL-221을 테스트했습니다. 이 약물은 생쥐의 폐 속 바이러스 양을 1.65 ± 0.68 Log10 copies/g로 줄였습니다. 이는 엄청난 감소이며, 논문은 이 성능이 주요 임상 약물인 팍스로비드(Paxlovid)와 대등하다고 언급했습니다.

이것이 중요한 이유

이 논문은 His41 손잡이를 표적으로 삼아 비공유 결합의 '포옹'을 사용하는 전략이 두 가지 이유로 탁월하다고 주장합니다.

속이기 어렵다: His41 손잡이는 가위의 기능에 너무나 필수적이어서, 바이러스가 자신의 도구를 망가뜨리지 않고서는 이 부분을 쉽게 바꿀 수 없습니다. 이는 바이러스가 내성을 발달시키는 것을 어렵게 만듭니다.
범용성이 높다: 이 손잡이는 네 가지 모든 코로나바이러스 가문에서 거의 동일하기 때문에, 이 손잡이를 잡도록 설계된 약물은 돼지 바이러스부터 인간의 팬데믹에 이르기까지 광범위한 위협에 맞설 수 있습니다.

연구진은 단순히 추측한 것이 아니라, 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 분자의 춤을 관찰하고, 첨단 센서로 결합을 확인했으며, 살아있는 동물에서도 이를 입증했습니다. ISL-221이 아직 완성된 의약품은 아니지만(더 많은 안전성 테스트가 필요합니다), 이 연구는 밝은 길을 비춰줍니다. 바이러스 기계의 작고 보존된 '손잡이'를 이해함으로써, 우리는 다음 코로나바이러스 발생을 시작 전에 차단할 수 있는 스마트하고 광범위한 방패를 설계할 수 있음을 보여줍니다.

기술 요약: 비공유 $\pi$ – $\pi$ 스태킹을 통한 코로나바이러스 3CLpro의 보존된 His41 부위 표적화

문제 제기
코로나바이러스(CoVs)는 높은 돌연변이율, 재조합 능력, 그리고 $\alpha$ -, $\beta$ -, $\gamma$ -, $\delta$ -속(genera)을 아우르는 넓은 숙주 범위로 인해 전 세계 공중 보건과 축산업에 지속적인 위협이 되고 있다. 백신이 통제의 중심 역할을 하지만, 항원의 특이성은 바이러스의 진화 속도를 따라잡지 못하는 경우가 많다. 현재의 항바이러스 전략은 몇 가지 중요한 한계에 직면해 있다: 3CLpro의 촉매 시스테인을 표적으로 하는 공유 결합 억제제는 오프 타겟 반응성, 약동학적 문제 및 다양한 CoV 변종 간의 가변적인 효능 문제를 겪을 수 있으며, 스파이크 단백질을 표적으로 하는 단클론 항체는 돌연변이 탈출에 매우 취약하다. 또한, 전통적인 광범한 범위의 뉴클레오사이드 유사체는 특이성이 부족하여 세포 독성을 유발할 수 있다. 따라서 발생하는, 혹은 재출현하는 위협을 완화하기 위해 고도로 보존된 바이러스 기능을 표적으로 하는 광범로 항바이러스제에 대한 긴급한 필요성이 존재한다.

연구 방법론
본 연구는 구조 기반 가상 스크리닝, 생물물리학적 특성 분석, 계산 모델링 및 in vivo 검증을 결에는 다학제적 접근 방식을 채택하였다:

스크리닝 및 식별: 6,000개의 천연물 라이브러리를 PEDV 3CLpro에 대해 가상 스크리닝하였다. 그 결과, 플라보노이드인 이솔리퀴리티제닌(Isoliquiritigenin, ISL)이 높은 순위의 후보 물질로 식별되었다.
결합 메커니즘 규명:
- 돌연변이 유발 및 결합 역학: 바이오 레이어 인터페로메트리(BLI)를 사용하여 야생형(WT) 및 다양한 CoV 유래 변이체(H41A, C144A, L164A, D186A) 3CLpro 효소에 대한 ISL의 결합 친화도를 평가하였다.
- 공유 vs 비공유: LC–MS 및 UV–visible 분광법을 사용하여 ISL이 공유 결합 부가물을 형성하는지 또는 $\pi$ -전자계의 섭동을 나타내는 스펙트럼 변화를 유도하는지 결정하였다.
- 분자 동역학(MD): 모든 원자 모델 MD 시뮬레이션(10 ns) 및 상호작용 핑거프린트 분석을 통해 ISL과 His41 잔기 사이의 안정성 및 특정 상호작용(예: $\pi$ – $\pi$ 스태킹)을 규명하였다.
구조 유도 최적화: 식별된 $\pi$ – $\pi$ 스태킹 메커니즘을 바탕으로, His41과의 상호작용을 강화하기 위해 ISL B-링에 전자 공여 그룹을 도입하여 유도체인 ISL-221을 생성하였다.
In Vitro 및 In Vivo 검증:
- 효소 및 항바이러스 분석: FRET 기반 분석을 통해 3CLpro 억제( $IC_{50}$ )를 측정하였고, 6종의 CoV(PEDV, TGEV, BCoV, IBV, PDCoV, SARS-CoV-2)에 대한 세포주(Vero, ST, HRT-18) 내 바이러스 양 감소를 TCID $_{50}$ 분석으로 정량화하였다.
- 동물 모델: 치사량의 돼지 새끼 모델(PEDV, TGEV, PDCoV)과 SARS-CoV-2 마우스 모델에서 예방적 및 치료적 효능을 평가하였다. 돼지 새끼에서의 약동학(PK) 프로파일도 확립하였다.

주요 기여 및 결과

비공유 범용 결합 모드의 발견: 본 연구는 ISL이 네 가지 속을 아우르는 6종의 대표적 코로나바이러스 3CLpro에 비공유 메커니즘으로 결합함을 확인하였다. 결정적으로, 이 결합은 보존된 His41 잔기에 엄격히 의존한다. 즉, H41A 돌연변이는 결합을 소실시켰으나( $K_D$ 가 $\sim 10^{-7}$ M에서 $> 10^{-3}$ M으로 이동), 다른 촉매 포켓 잔기(Cys144, Leu164, Asp186)의 돌연변이는 미미한 영향을 미쳤다.
작용 기전: ISL은 접합된 골격과 His41의 이미다졸 고리 사이의 $\pi$ – $\pi$ 스태킹 상호작용을 통해 His41과 결합한다. 이는 UV–visible 스펙트럼 변화와 $\pi$ – $\pi$ 스태킹 거리(4.12–4.25 Å)를 유지하는 MD 시뮬레이션을 통해 확인되었다. 이 모드는 비가역적인 공유 결합 수정 없이 경쟁적 효소 억제를 가능하게 한다.
ISL-221으로의 합리적 최적화: $\pi$ – $\pi$ 스태킹 상호작용을 강화함으로써 구조적 변형을 통해 유도체 ISL-221을 개발하였다. ISL-221은 모체인 ISL에 비해 PEDV 3CLpro에 대한 친화도가 약 23배 향상( $K_D = 2.18 \times 10^{-8}$ M)되었다.
광범위한 효능:
- In Vitro: ISL-221은 $\alpha$ -, $\beta$ -, $\gamma$ -, $\delta$ -CoV에 대해 향상된 3CLpro 억제 및 바이러스 복제 억제 능력을 보였다. 특히, SARS-CoV-2 Beta 및 Omicron 변이체에 대해 ISL 대비 각각 78.5배 및 74.1배 더 강력한 효능을 나타냈다.
- In Vivo: 돼지 새끼 모델에서 ISL-221은 치사량의 PEDV, TGEV, PDCoV 감염에 대해 각각 83.33%, 100%, 100%의 보호 효과를 제공하였으며, 장내 바이러스 부하와 병리학적 증상을 유의미하게 감소시켰다. SARS-CoV-2 마우스 모델에서 ISL-221은 폐 바이러스 부하를 $1.65 \pm 0.68$ Log $_{10}$ copies/g으로 감소시켜 Paxlovid와 대등한 효능을 달성하였으며, 우수한 약동학적 특성(ISL 대비 119.34%의 경구 생체 이용률)을 입증하였다.

의의
본 논문은 3CLpro 촉매 이중체(dyad) 내의 고도로 보존된 His41 부위가 광범위 항바이러스제 설계를 위한 실행 가능한 표적임을 입증한다. 본 연구는 비공유 $\pi$ – $\pi$ 스태킹을 통해 His41과 결합함으로써 강력한 범용 코로나바이러스 억제제를 생성할 수 있음을 보여줌으로써, 기존의 공유 결합 시스테인 표적 전략에 대한 의문을 제기한다. 또한, 특정 상호작용을 강화하는 메커니즘 기반 최적화 전략이 친화도와 항바이러스 효능의 유의미한 상승을 이끌어낼 수 있음을 검증한다. 촉매 작용과 구조적 무결성에 필수적인 잔기를 표적으로 함으로써, 이 접근 방식은 저항성에 대한 높은 유전적 장벽을 제공할 가능성이 높다. 이러한 결과는 ISL-221을 인간과 동물 집단 모두에서 발생하는 현재 및 미래의 코로나바이러스 위협에 대응할 수 있는 경구 투여 가능한 광범위 항바이러스제의 선도 골격(lead scaffold)으로 개발하는 것을 뒷받침한다.

바이러스 가위의 '손잡이'를 찾아서

발견: 자연에서 온 락픽(Lockpick)

레벨 업: ISL-221로 '좋음'에서 '훌륭함'으로

이것이 중요한 이유

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