A Severe COVID-19-associated hNTPDase2 Variant is Enzymatically Inactive

우리 몸의 미세한 세계에서 세포들은 뉴클레오타이드라고 불리는 분자로 만들어진 화학적 신호를 사용하여 끊임없이 소통합니다. 이 중 ATP라고 알려진 분자는 강력한 신호로서 작용하여 염증을 유발할 수 있으며, 이는 본질적으로 부상이나 감염이 발생한 부위로 면역 체계를 불러모으기 위해 경보를 울리는 것과 같습니다. 정상적인 상황에서 인체는 이러한 신호들이 제 역할을 다한 후 이를 분해하여, 경보가 너무 크게 울리거나 너무 오래 지속되지 않도록 방지하는 정교한 청소부 역할을 하는 효소를 보유하고 있습니다. hNTPDase2라고 불리는 이러한 효소 중 하나는 특정 세포의 표면에 위치하며, ATP 및 유사한 분자들을 잘라내는 특화된 가위처럼 작동하여 이들의 수치를 조ank합니다. 이 시스템이 제대로 작동할 때 염증은 조절되고 억제됩니다. 그러나 호흡기 질환의 중증 사례에서 볼 수 있듯이 이러한 신호 분자들의 수치가 너무 높아지면, 그 결과로 발생하는 과도한 면역 반응은 보호하려는 바로 그 조직에 손상을 입힐 수 있습니다.

연구자들은 코로나19 환자들이 종종 이러한 세포 외 신호 분치들의 위험할 정도로 높은 수치를 보인다는 사실을 오랫동안 알고 있었습니다. 캐나다 라발 대학교(Université Laval) 연구팀이 발표한 최근 연구는 왜 일부 환자들의 신체가 이 과정을 조절하는 데 실패했는지를 설명할 수 있는 특정 유전적 변이를 조사했습니다. 과학자들은 hNTPDase2 효소의 유전 암호에서 발견된 아주 작은 오류, 즉 잠재적으로 해로운 것으로 의료 데이터베이스에 보고된 돌연변이에 주목했습니다. 이 특정 유전적 변이를 실험실에서 재현함으로써, 연구팀은 이 돌연변이가 효소의 기능을 완전히 파괴한다는 사실을 발견했습니다. 이들의 연구 결과는 이 유전적 결함을 가진 개인들이 과도한 ATP를 제거하는 데 필요한 '분자 가위'가 부족하여, 결과적으로 질병의 중증도를 악화시키는 통제 불능의 염증 상태로 기도를 방치하게 될 수 있음을 시사합니다.

연구는 코로나19 중증 환자들에게서 발견되는 특정 유전 서열에 대한 면밀한 검토로부터 시작되었습니다. 연구진은 hNTPDase2 효소의 DNA 지침에서 단 하나의 글자가 누락된 것을 확인했습니다. 유전학의 언어로 볼 때, 이 작은 결실은 문장에서 글자 하나를 빼버리면 뒤따르는 모든 단어의 의미가 변하는 것처럼, 나머지 전체 서열이 읽히는 방식을 변화시킵니다. 이러한 변화는 조기 정지 신호를 생성하여, 신체가 원래의 전체 길이 버전보다 현저히 짧은 단백질을 만들게 합니다. 원래 495개의 빌딩 블록, 즉 아미노산으로 구성되어야 할 단백질이 돌연변이로 인해 408번에서 멈추게 된 것입니다. 이러한 절단은 매우 결정적인데, 왜냐하면 단백질의 맨 끝부분인 C-말단 관통 도메인(C-terminal transmembrane domain)과 효소의 직무에 필수적인 여러 다른 부분들을 제거하기 때문입니다.

이 유전적 오류가 효소의 기능에 정확히 어떤 의미를 갖는지 이해하기 위해, 과학자들은 실험실 환경에서 돌연변이를 재현했습니다. 그들은 사이트 직접 돌연변이 유발법(site-directed mutagenesis)을 사용하여 복제한 DNA 서열에 동일한 단일 글자 결실을 도입하여, hN2COV라고 명명한 효소 버전을 만들었습니다. 그런 다음 이 유전 암호를 살아있는 세포, 구체적으로 단백질 생산에 자주 사용되는 햄스터 세포주에 삽입하여 세포가 결함이 있는 효소를 구축하는지 관찰했습니다. 단백질을 추적할 수 있도록 정상 버전과 돌파된 버전 모두의 끝에 작은 분자 태그를 추가했습니다. 연구팀은 세포가 실제로 돌연변이 단백질을 위한 mRNA 지침을 생성하고 있음을 확인하여, 유전 암호가 읽히고 있음을 증명했습니다. 그러나 일반적인 효소를 인식하도록 설계된 항체를 사용하여 실제 단백질을 찾았을 때, 그들은 이를 발견할 수 없었습니다. 이는 돌연변이된 단백질이 불안정하거나, 혹은 표준 탐지 도구가 인식할 수 없을 정도로 구조적으로 달랐음을 시사했습니다.

연구진은 돌연변이 효소가 여전히 제 역할을 할 수 있는지 확인하기 위해 더 직접적인 방법을 사용했습니다. 그들은 효소가 처리해야 할 네 가지 주요 분자인 ATP, ADP, UTP, UDP를 분해하는 능력을 측정했습니다. 이 분자들이 분해될 때 방출되는 인산염을 감지하는 표준 화학 테스트를 사용하여, 정상 효소와 돌연변이 버전의 성능을 비교했습니다. 결과는 극명하고 확정적이었습니다. 정상 효소는 예상대로 ATP와 UTP를 효율적으로 분해했습니다. 반면, 돌연변이 hN2COV는 감지 가능한 활동을 전혀 보여주지 않았습니다. 이 돌연변이는 네 가지 기질 중 어느 것도 분해할 수 없었습니다. 이는 해당 돌연변이가 단순한 사소한 오류가 아니라, 효소를 무용지물로 만드는 완전한 기능 상실임을 확인시켜 주었습니다.

이러한 완전한 실패의 원인은 단백질에서 소실된 특정 부분들에 있습니다. 효소의 사라진 꼬리 부분에는 단백질의 형태를 유지하기 위해 다른 부분과 화학적 가교를 형성하는 것으로 알려진 시스테인 399(Cysteine 399)라는 중요한 아미노산이 포함되어 있었습니다. 이 가교가 없으면 효소는 올바르게 접힐 수 없습니다. 또한 사라진 섹션에는 효소의 완전한 활성에 필수적인 과정인 당 분자가 부착되는 부위와 효소가 표적 분자를 붙잡는 데 도움을 주는 다른 잔기들도 포함되어 있었습니다. 연구팀은 이 돌연변이가 자연적인 꼬리를 알려지지 않은 어떤 단백질 가족에도 속하지 않는 18개의 새로운 아미노산의 짧고 무작위적인 문자열로 대체했다는 점에 주목했으며, 이는 효소가 손실을 보충할 새로운 기능을 얻을 가능성이 없음을 의미합니다.

이 발견의 함의는 실험실의 벤치를 넘어 확장됩니다. 이 효소는 전신을 순환하는 혈구 세포에서는 발견되지 않지만, 코와 기관지를 포함한 호흡기의 내벽에는 존재합니다. 이곳은 코로나19를 일으키는 바이러스가 처음 침입하여 공격하는 바로 그 위치입니다. 독감과 같은 다른 호흡기 감염에서도 기도 내의 높은 ATP 수치는 심한 부종 및 액체 축적과 연관이 있는 것으로 밝혀졌습니다. 연구진은 이 특정 유전적 돌연변이를 가진 환자들의 경우, 호흡기 내의 기능적인 hNTPDase2가 부족하여 바이러스 감염 중에 생성된 과도한 ATP가 제거되지 못할 것이라고 제안합니다. 이러한 축적은 면역 경보를 너무 크게 울리게 하여, 질병의 중증도를 높이는 더욱 공격적이고 파괴적인 염증 반응을 초래할 가능성이 큽니다.

본 연구는 이 돌연변이가 코로나19의 유일한 원인이라고 주장하거나, 중증 증상을 보이는 모든 환자가 이 특정 유전적 결함을 가지고 있다고 시사하는 것이 아닙니다. 대신, 이 연구는 왜 특정 하위 집단의 환자들에게서 질병이 더 심각하게 나타날 수 있는지에 대한 명확한 기전적 설명을 제공합니다. 돌연변이된 효소가 효소적으로 비활성 상태임을 입증함으로써, 연구진은 생물학적 취약성을 식로했습니다. 이들의 연구 결과는 호흡기 내의 뉴클레오타이드 신호 전달 교란이 질병을 악화시키는 국소적 요인이 될 수 있음을 시사하며, 신체의 자연적인 방어 기제가 실패한 특정 영역을 지목하고 있습니다. 이러한 통찰은 중증 사례의 생물학적 풍경을 더 명확하게 보여주며, 호흡기 감염에 대한 개별적인 반응 방식에서 유전적 변이가 얼마나 중요한지를 강조합니다.