Structural analysis of the 5' terminal of human immunodeficiency virus type 1 genome RNAs transcribed from proviruses with mutations in the transcription start site

바이러스는 흔히 단순한 침입자로 생각되곤 하지만, 인간 면역결핍 바이러스로 알려진 HIV-1은 그 유전 물질 안에 복잡한 일련의 지침을 담고 있습니다. 이 물질은 RNA 가닥으로, 새로운 바이러스 입자를 만드는 설계도이자 바이러스 자체의 기계 장치를 위한 지침서 역할을 합니다. 이 바이러스가 직면한 결정적인 문제는 이 단일 RNA 가닥이 동시에 매우 다른 두 가지 일을 수행해야 한다는 점입니다. 이 가닥은 인간 세포 안에 숨기 위해 DNA로 복제되어야 하며, 또한 바이러스를 구성하는 단백질을 만들기 위해 세포에 의해 읽혀야 합니다. 이를 해결하기 위해 바이러스는 복제 과정이 시작되는 특정한 출발점에 의존합니다. 야생형 바이러스에서 이 출발점은 세 개의 동일한 구성 단위로 이루어진 서열이며, 이들은 모두 구아닌이라는 유형입니다. 바이러스는 영리한 속임수를 진화시켰습니다. 만약 복제가 이 세 개의 블록 중 첫 번째 블록에서 시작된다면, 결과물인 RNA는 흐물흐물하고 유연해져서 단백질을 만드는 데 적합한 상태가 됩니다. 반면, 복제가 세 번째 블록에서 시작된다면 RNA는 단단하고 안정적인 구조로 접히며, 이는 새로운 바이러스 입자로 포장되기에 이상적인 형태가 됩니다. 이러한 구조적 차이가 RNA를 '일꾼'으로 만들지 혹은 '승객'으로 만들지를 결정합니다.

하지만 자연은 결코 완벽하지 않습니다. 바이러스가 새로운 세포를 감염시킬 때, 복제 기계는 때때로 실수를 저질러 이 세 개의 출발 블록 중 하나를 사이토신이나 우라실 같은 다른 것으로 바꾸어 버리기도 합니다. 오랫동안 과학자들은 이러한 변이된 버전들이 어떻게 되는지 알지 못했습니다. 바이러스가 단순히 번식에 실패하는 것일까요? 아니 아니면 오류를 보완하기 위해 복제 과정을 다른 지점에서 시작함으로써 적응할 방법을 찾아내는 것일까요? 이 문제를 이해하는 것은 매우 중요합니다. 왜냐하면 바이러스가 이러한 변화에 쉽게 적응할 수 있다면, 바이러스를 막기가 훨씬 더 어려워지기 때문입니다. 일본의 한 연구팀은 이러한 변이된 RNA 가닥들이 스스로 어떻게 행동하는지 살펴보기 위해 아주 작은 인공 모델을 제작하여 이 미스터리를 해결하고자 했습니다.

연구진은 실험실에서 네 가지 서로 다른 버전의 RNA 가닥을 만드는 것으로 시작했습니다. 그들은 두 번째 블록에서 시작하지만 세 번째 블록에 변이가 있는 버전 하나와, 첫 번째 블록에서 시작하지만 세 번째 블록에 변이가 있는 또 다른 버전을 설계했습니다. 또한 다른 유형의 변이를 가진 버전들도 만들어 그 결과가 동일한지 확인했습니다. 이렇게 가닥들을 만든 후, 과학자들은 이것들이 어떻게 접히는지 확인해야 했습니다. 그들은 젤 전기영동이라는 기술을 사용했는데, 이는 본질적으로 젤라틴 미로를 통과하는 경주와 같습니다. 이 경주에서 빽빽하게 접힌 조밀한 분자들은 빠르게 이동하는 반면, 느슨하고 흐물흐물한 분자들은 걸려서 느리게 이동합니다. 연구팀은 정상적인 환경과 분자를 펼쳐지도록 강제하는 화학 물질이 가득한 가혹한 환경에서 각각 한 번씩, 총 두 번의 경주를 진행했습니다.

결과는 명확한 패턴을 보여주었습니다. 변이가 있더라도 두 번째 블록에서 시작하는 RNA 가늘은 성공적인, 안정적인 '승객' RNA처럼 행동했습니다. 이들은 가혹한 화학 물질이 구조를 풀어헤치려 해도 그 형태를 유지하는 단단하고 조밀한 모양으로 접혔습니다. 반면, 첫 번째 블록에서 시작하는 가닥들은 단백질을 만드는 데 쓰이는 '일꾼' RNA처럼 느슨하고 흐물흐물하게 남았습니다. 이를 확인하기 위해 연구진은 이 가닥들이 분해되는 온도를 측정했습니다. 안정적인 가닥들은 온도가 약 섭씨 60도에 도달할 때까지 형태를 유지했지만, 흐물흐물한 가닥들은 훨씬 낮은 온도에서 분해되었습니다. 이는 변이가 바이러스의 안정적인 유전 물질 생성 능력을 깨뜨린 것이 아니라, 바이러스가 단순히 두 번째 블록으로 시작점을 옮겨 필요한 구조를 유지했음을 확인시켜 주었습니다.

안정적인 형태가 정확히 어떤 모습인지 보기 위해, 연구팀은 모든 원자의 위치를 지도화할 수 있는 강력한 영상 기법인 핵자기 공명법을 사용했습니다. 그들은 안정적인 RNA 가닥의 3차원 모델을 구축하였고, 분자의 두 주요 부분이 연속적이고 튼튼한 줄기(stem)로 연결되어 있음을 발견했습니다. 이 구조는 바로 바이러스가 새로운 입자로 포장되는 데 필요한 것입니다. 그 후 그들은 컴퓨터 시뮬레이션을 실행하여 이 구조들이 시간이 지남에 따라 어떻게 움직이는지 관찰했습니다. 200나노초의 움직임을 시뮬레이션한 후에도 안정적인 가닥들은 그 형태를 유지했으며, 이는 두 섹션 사이의 연결이 강하고 신뢰할 수 있음을 증명했습니다.

이 연구는 바이러스가 출발 지점에서 변이를 만났을 때, 내장된 백업 계획을 가지고 있음을 시사합니다. 실패하는 대신, 바이러스는 복제 과정의 시작을 두 번째 블록으로 옮깁니다. 이 이동을 통해 RNA는 새로운 바이러스의 유전 물질이 되기 위해 필요한 단단하고 안정적인 구조로 접힐 수 있습니다. 연구진은 또한 이러한 안정적인 가닥들이 형성되는 동안 그것들만 만들어지는 것은 아니며, 바이러스가 아마도 안정적인 가닥과 흐물흐물한 가닥을 혼합하여 만들어낼 것이라고 언급했습니다. 이러한 유연성은 바이러스의 시작 지침이 불완전할 때도 바이러스가 생존하고 퍼질 수 있는 이유를 설명해 줄 수 있습니다. 바이러스가 이러한 오류에 자신의 구조를 어떻게 적응시키는지 이해함으로써, 과학자들은 바이러스의 회복력과 그것이 생존하기 위해 따르는 구체적인 물리적 규칙에 대한 더 명확한 그림을 얻을 수 있습니다.