한국연구재단은 박만성(고려대 의과대학), 김윤기(고려대 생명과학과), 백대현(서울대 생명과학부) 교수 공동 연구팀이 신종 코로나 바이러스감염증(COVID-19)의 원인인 사스코로나바이러스-2(SARS -CoV-2)의 감염 후 시간에 따른 번역체※ 및 전사체※의 양상을 측정한 고해상도의 지도를 제작했다고 밝혔다.
   ※ 전사체 : 유전정보가 담긴 유전체에서 전사되는 RNA 총체
   ※ 번역체 : 전사체를 해독하여 단백질을 생산하는 번역과정의 종합적인 양상

COVID-19의 병태생리를 이해하고 백신과 치료제를 개발하기 위해바이러스 유전자의 발현의 원리를 밝히고, 감염 후 인간 및 바이러스 유전자 발현 패턴의 변화를 관찰하는 것이 필수적이다.

사스코로나바이러스-2는 스파이크 같은 특징적인 구조 단백질과유전체를 숙주에 퍼트리기 위한 복제 단백질 등에 대한 정보를 담은 12개의 유전자를 가지고 있다.

이들 유전자로부터 단백질을 만드는 중간과정인 전령RNA(mRNA)를 만드는 전사과정은 비교적 잘 알려진 반면 전령RNA로부터 단백질이 생성되는 번역과정은 많이 알려지지 않았다. 

감염 후 시간에 따른 숙주와 바이러스의 유전체 발현의 변화를 측정한 데이터도 부족해 병리학적 기전 이해에 어려움이 있었다.

연구팀은 사스코로나바이러스-2 감염 후 다양한 시간대에 걸쳐  인간 세포 및 바이러스 유전체의 번역 및 전사 양상을 측정하고 대규모 차세대 염기서열 분석※ 데이터를 얻는 데 성공했다.
   ※ 차세대 염기서열분석(next-generation sequencing; NGS) : DNA 혹은 RNA 서열을 대규모, 고속으로 분석하는 기법. 돌연변이 감지, 유전자 발현량 측정 등에 활용

나아가 이렇게 얻은 사스코로나바이러스-2 번역체 지도를 토대로 바이러스의 단백질 생성 효율을 조절하는 신규 인자를 발굴하고 TIS-L(translation initiation site located in the leader)이라 이름 지었다.

사스코로나바이러스-2 유전체의 리더 지역에 위치한 번역 시작 부위라는 의미를 담았다.

특히 연구팀은 TIS-L이 신종 코로나바이러스감염증 백신의 주요 표적인 스파이크 단백질을 비롯한 바이러스 단백질들의 번역 효율에 큰 영향을 미침을 실험적으로 검증했다. 

또한 인간 유전자의 발현 패턴 변화를 분석하여, 바이러스 감염 후 시간에 따라 서로 유사한 발현 양상을 보이는 유전자 집단을 탐지했다.

감염 초기에는 세포 스트레스와 관련한 유전자들이, 후기에는 면역 반응과 관련한 유전자들이 크게 반응함을 확인했다.

연구팀은 이번 연구결과가 사스코로나바이러스-2의 감염기작 및 병태생리의 이해를 돕는 한편 TIS-L을 표적으로 한 치료제 연구의 실마리가 될 것으로 기대하고 있다.

과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구지원사업등의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 국제학술지 네이쳐 커뮤니케이션스(Nature Communications)에 8월 25일 게재되었다.
 

주요내용 설명

<작성 : 서울대학교 백대현 교수>

논문명
A high-resolution temporal atlas of the SARS-CoV-2 translatome and transcriptome
저널명
Nature Communications
키워드
신종 코로나바이러스감염증 (COVID-19), 사스코로나바이러스-2 (SARS-CoV-2), 번역체, 전사체, 차세대 염기서열 분석 (next-generation sequencing; NGS)
DOI
https://doi.org/10.1038/s41467-021-25361-5
저  자
백대현 (공동교신저자, 서울대), 김윤기 (공동교신저자, 고려대), 박만성 (공동교신저자, 고려대), 김도연 (공동 제 1저자, 서울대), 김석준 (공동 제 1저자, 서울대), 박주리 (공동 제 1저자, 고려대), 장희령 (공동 제 1저자, 서울대), 장지윤 (공동 제 1저자, 고려대), 안준학 (공동 제 1저자, 서울대), 박희도 (공동 제 1저자, 고려대)

1. 연구의 필요성
 ○ COVID-19의 원인 바이러스, SARS-CoV-2는 바이러스의 복제에 필요한 단백질과 바이러스의 구조를 형성하는 단백질 등의 정보를 담은 12개의 유전자들을 유전체에 지니고 있다.
 ○ SARS-CoV-2 유전자로부터 전령RNA(mRNA)를 만드는 과정(전사)은 비교적 명확히 규명된 데 반해, 전령RNA로부터 단백질을 생성하는 과정 (번역)에 대해서는 상대적으로 밝혀진 것이 많이 없었다.
 ○ 또한 SARS-CoV-2 감염 이후 시간에 따른 인간 숙주 및 바이러스의 유전체 발현의 변화를 측정한 고품질의 데이터 또한 부족해 SARS-CoV-2의 병리학적 기전의 이해에 어려움이 있었다.

2. 연구내용
 ○ 본 연구진은 SARS-CoV-2와 인간 숙주 유전체의 전사, 번역 양상 등을 측정할 수 있는 다양한 NGS 실험들(mRNA-seq, RPF-seq, QTI-seq, sRNA-seq)※을 수행하였다.
 ○ SARS-CoV-2를 인간 세포주에 감염시킨 뒤 초기(0~12 시간)부터 후기 (16~48시간)까지의 바이러스 및 인간 세포주의 발현 양상을 측정한 대규모의 고품질 데이터를 제작하고, 생물정보학 분석을 실시했다.

※ 차세대 염기서열 분석(Next-generation sequencing; NGS)
 DNA 혹은 RNA의 서열을 대규모, 고속으로 분석하는 실험기법. 돌연변이 감지, 유전자 발현량 측정 등에 활용. 본 연구에서는 RNA 서열을 분석하는 RNA-seq의 응용 기법을 수행.
 • mRNA-seq : 전사체 측정기법. 단백질 생성을 위한 중간체인 mRNA 서열을 분석
 • RPF-seq : 번역체 측정기법. 전령RNA에서 정보를 읽어 단백질을 생산하는 세포내 소기구 리보솜이 위치하고 있는 전령RNA 조각을 분석. 번역이 일어나고 있는 지역을 탐지하거나 번역의 양을 계산
 • QTI-seq : 번역 개시 단계에 있는 리보솜의 전령RNA 조각 만을 분석. 번역 시작위치를 탐지
 • sRNA-seq : 유전자 발현의 주요 조절자인, ~20nt 길이의 짧은 마이크로RNA (miRNA)를 탐지

 ○ SARS-CoV-2 감염 이후 시간에 따른 인간 숙주 및 바이러스 유전체의 발현 양상을 전령RNA 수준, 번역 수준에서 정확히 측정했으며, 이를 바탕으로 유전체 번역의 효율을 계산했다.
 ○ RPF-seq과 QTI-seq 데이터를 이용하여 SARS-CoV-2 유전체 전 영역의 번역체 지도를 완성했다. SARS-CoV-2 번역체 지도를 조사한 결과, 5′leader 지역의 한 부위에서 강력한 번역 신호를 관찰했으며, 이 부위를 TIS-L이라 명명했다.
 ○ TIS-L은 모든 SARS-CoV-2 전령RNA에 존재하기 때문에 SARS-CoV-2 유전체 번역의 전반에 영향을 미칠 것으로 사료된다. 전령RNA 상 TIS-L과 단백질 정보 코딩 지역(ORF)과의 상대적인 위치에 따라 번역 효율이 증가 혹은 감소될 수 있다.
 ○ 특히 TIS-L은 COVID-19 백신의 주 표적인 스파이크 단백질의 번역을 향상시킬 것으로 예상되며, 실험(luciferase reporter assay)을 통해 TIS-L이 실제 스파이크를 비롯한 SARS-CoV-2 유전자들의 번역 효율에 영향을 미침을 확인했다.
 ○ SARS-CoV-2 감염 후 시간에 따른 인간 유전자의 발현 패턴의 변화를 측정했으며, 유사한 시계열적 반응을 보이는 유전자 집단을 탐지했다. 이들의 기능을 동정한 결과, 면역 및 스트레스 반응 등에 관련되어 있음을 확인했다.
3. 기대효과
 ○ SARS-CoV-2와 인간 숙주의 번역체 및 전사체의 양상을 종합적으로 측정한 고품질의 지도를 제작함으로써 바이러스의 병태생리학적 기전을 이해하기 위한 실마리를 제공했다.
 ○ 또한 SARS-CoV-2 유전체 발현에 광범위하게 영향을 미칠 것으로 기대되는 번역조절인자인 TIS-L을 발굴했으며, 이는 COVID-19 치료 전략 수립 등에 적극 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

(그림1) Translation initiation site located in the leader (TIS-L)
(위) SARS-CoV-2 유전체 전반에서 각 위치마다 번역이 일어나는 정도를 측정한 번역 신호 그래프
(아래) TIS-L은 SARS-CoV-2 유전체 59nt(nucleotide)에 위치한 CUG 서열(아래 그래프의 주황색 사각형 부분)로서, 이는 전체의 22%에 달하는 아주 강한 번역 신호를 보인다.
그림설명 및 그림제공 : 서울대학교 백대현 교수

(그림2) SARS-CoV-2 전령RNA 상 TIS-L의 위치와 번역 신호
(왼쪽) TIS-L은 SARS-CoV-2 전령RNA 단백질 코딩 지역의 상류에 위치하며, 개시 코돈과의 주기 일치 여부에 따라 번역 효율을 증가 혹은 감소시킨다.
(오른쪽) TIS-L은 COVID-19 백신의 주 표적인 스파이크 단백질 (S)의 코딩 지역과 주기가 일치하기 때문에 단백질 발현량을 증가시킨다.
그림설명 및 그림제공 : 서울대학교 백대현 교수

(그림3) TIS-L의 기능을 활용한 SARS-CoV-2 치료 전략
안티센스 올리고뉴클레오타이드 등을 통해 TIS-L의 기능을 저해함으로써 SARS-CoV-2 유전자 발현을 교란하여 바이러스의 감염성을 억제하려는 전략에 대한 모식도이다.
그림설명 및 그림제공 : 서울대학교 백대현 교수