코로나19 ‘SARS-CoV-2’ 공개 게놈 서열 데이터 분석 결과

지난해 중국 우한에서 발생해 전 세계로 전파된 코로나19(COVID-19) 감염병을 ‘SARS-CoV-2’ 신종 코로나바이러스는 자연적 진화의 산물로 밝혀졌다.

네이처 메디신(Nature Medicine)에 17일(현지시각) 발표된 연구결과에 따르면 SARS-CoV-2 및 관련 바이러스의 공개 게놈 서열 데이터 분석 결과 바이러스가 실험실에서 만들어 졌거나 다른 방식으로 제작됐다는 증거는 발견되지 않았다.

미국 기초 생의학 연구기관 스크립스 연구소(The Scripps Research Institute)의 면역학 및 미생물학 부교수로 논문 교신저자 크리스티안 안데르센(Cristian Andersen) 박사는 “알려진 코로나 바이러스 균주에 대한 이용 가능한 게놈 서열 데이터를 비교함으로써 SARS-CoV-2가 자연적 과정을 통해 유래한 것을 확실히 확인할 수있다”고 말했다.

해당 논문 “SARS-CoV-2의 인접 기원(The proximal origin of SARS-CoV-2)“에는 투란대(Tulane University, Robert F. Garry), 시드니대(University of Sydney, Edward Holmes), 에든버러대(University of Edinburgh, Andrew Rambaut), 컬럼비아대(Columbia University, W. Ian Lipkin) 연구진이 공동 저자로 참여했다.

코로나 바이러스는 광범위하게 광범위한 질병을 일으킬 수있는 대규모 바이러스 군이다. 코로나 바이러스에 의한 최초의 질병은 2003년 중국에서 중증 급성 호흡기 증후군(SARS) 전염병으로 나타났다. 중증 질환의 두 번째 발발은 2012년 중동 호흡기 증후군(MERS)으로 사우디 아라비아에서 시작됐다.

작년 12월 말, 중국 당국은 세계 보건기구(WHO)에 심각한 질병을 일으키는 새로운 코로나 바이러스 변종이 발생했다고 경고했다. 2020년 3월 18일 현재 약 186,000여건의 COVID-19 발병 사례가 보고됐다. 사망자는 7779명 이상이다.

전염병이 시작된 직후, 중국 과학자들은 SARS-CoV-2의 게놈 서열을 분석, 전 세계의 연구자들에게 데이터를 제공했다. 게놈 서열 데이터는 중국 당국이 전염병을 신속하게 탐지, COVID-19 사례는 이후 사람에서 사람 간 전염으로 인해 증가하고 있음을 보여 주었다. 국제 공동 연구진은 이 시퀀싱 데이터를 사용해 바이러스의 여러 가지 특징에 중점을 두어 SARS-CoV-2의 기원과 진화를 탐색했다.

과학자들은 인간과 동물 세포의 외벽을 잡고 침투하는 데 사용되는 스파이크 단백질, 바이러스 외부의 뼈대에 대한 유전자 템플릿을 분석했다. 보다 구체적으로, 이들은 스파이크 단백질의 2가지 중요한 특징, 즉 숙주 세포에 걸리는 그래플링 후크의 일종인 수용체-결합 도메인(RBD) 및 바이러스가 숙주 세포로 진입하도록 분자를 개방하는 절단 부위에 초점을 맞추었다.

a, SARS-CoV-2 스파이크 단백질의 접촉 잔기에서의 돌연변이. SARS-CoV-2의 스파이크 단백질(상단의 적색 막대)은 가장 밀접하게 관련된 SARS-CoV- 유사 코로나 바이러스 및 SARS-CoV 자체에 대해 정렬됐다. ACE2 수용체와 접촉하는 스파이크 단백질의 주요 잔기는 SARS-CoV-2 및 SARS-CoV(우르바니 균주)를 포함한 관련 바이러스 모두에서 파란색 상자로 표시된다. b, 다 염기성 절단 부위 및 O-연결 글리칸의 획득. 다 염기성 절단 부위 및 3개의 인접한 예측된 O-연결 글리칸은 SARS-CoV-2에 독특하고 계통 B 베타코로나바이러스에서는 이전에 보이지 않았다. 도식화한 서열들은 NCBI GenBank, 수탁 코드 MN908947, MN996532, AY278741, KY417146 및 MK211376로부터의 서열이다. 천산갑 코로나바이러스 서열은 SRR10168377 및 SRR10168378 (NCBI BioProject PRJNA573298) 29,30에서 생성 된 컨센서스다. credit:nature medicine.

자연 진화 증거

과학자들은 SARS-CoV-2 스파이크 단백질의 RBD부분이 혈압 조절에 관여하는 수용체 ACE2라 불리는 인간 세포 외벽 분자 특성을 효과적으로 표적으로하도록 진화했다는 것을 발견했다. SARS-CoV-2 스파이크 단백질은 인간 세포와 결합하는 데 매우 효과적이어서 과학자들은 이것이 유전 공학의 산물이 아니라 자연 선택의 결과라고 결론내렸다.

자연 진화에 대한이 증거는 SARS-CoV-2의 골격(전체 분자 구조)에 대한 데이터가 뒷받침했다. 누군가 코로나바이러스를 병원체로 설계하려고한다면 질병을 일으키는 것으로 알려진 바이러스의 골격에서 이를 만들었을 것이다. 그러나 과학자들은 SARS-CoV-2 골격이 이미 알려진 코로나 바이러스와 실질적으로 다르며 대부분 박쥐와 천산갑에서 발견되는 관련 바이러스와 유사하다는 것을 발견했다.

안데르센(Andersen) 박사는 “바이러스의 이 두 가지 특징인 스파이크 단백질의 RBD 부분에 돌연변이가 있고 그 고유한 골격은 실험실 조작을 SARS-CoV-2의 잠재적 기원으로 배제한다”고 말했다.

영국 웰컴트러스트(Wellcome Trust) 전염병학자 조지 골딩 박사(Josie Golding, Ph.D.)는 안데르센과 그의 동료들이 발견한 사실은 SARS-CoV-2 원인 COVID-19 바이러스의 기원에 관한 소문에 증거 기반의 견해를 제시하는 데 결정적으로 중요하다고 말했다.

고딩 박사는 “그들은 바이러스가 자연 진화의 산물이라고 결론을 내렸다”며 “인위적 유전 공학에 대한 추측은 끝이났다”고 덧붙였다.

바이러스 기원

안데르센과 공동 연구자들은 그들의 게놈 시퀀싱 분석에 기초해 SARS-CoV-2의 기원이 두 가지 가능한 시나리오 중 하나를 따른다고 결론 지었다.

한 시나리오에서, 바이러스는 비인간 숙주에서 자연 선택을 통해 현재 병원성 상태로 진화한 후 인간에 침입했다. 이는 사향고양이(SARS)과 낙타(MERS)에 직접 노출된 후 바이러스가 사람에 침입한 이전 코로나바이러스가 발생했던 방식이다. 연구원들은 박쥐 코로나 바이러스와 매우 유사하기 때문에 박쥐를 SARS-CoV-2의 담지체로 제안했다. 그러나 직접적인 박쥐-인간 전염 사례는 직접적으로 드러난 증거가 없다. 박쥐와 인간 사이에 중간 숙주가 관여했을 가능성이 높다.

이 시나리오에서 SARS-CoV-2의 스파이크 단백질(세포에 결합하는 RBD 부분과 바이러스를 개방하는 절단 부위)의 특징은 모두 인간에 옮기 전에 현재 상태로 진화했을 것이다. 이 경우, 바이러스는 이미 병원성이 있고 사람들 사이에 퍼질 수있는 기능을 이미 진화시켰기 때문에 현재의 전염병은 사람에 전파 되자마자 빠르게 출현했을 것이다.

다른 시나리오의 비병원성 바이러스 버전은 동물 숙주에서 인간으로 침입해 인간 집단 내에서 현재 병원성 상태로 진화했다고 설명한다. 예를 들어, 아시아와 아프리카에서 발견되는 아르마딜로 유사 포유동물 천산갑(pangolins)의 일부 코로나 바이러스는 SARS-CoV-2와 매우 유사한 RBD 구조를 가지고 있다. 천산갑에서 나온 코로나 바이러스는 직접 또는 사향고양이 또는 흰 족제비와 같은 중간 숙주를 통해 인간에게 전염됐을 수 있다.

그후, SARS-CoV-2의 다른 뚜렷한 스파이크 단백질 특성인 절개 부위는 전염병이 시작되기 전에 인간 집단에서 제한적으로 검출되지 않은 순환을 통해 인간 숙주 내에서 진화했을 가능성이 있다.

연구진은 SARS-CoV-2 절개 부위가 사람 사이에서 쉽게 전염되는 조류 독감 균주의 절개 부위와 유사하게 나타났다는 것을 발견했다. SARS-CoV-2는 코로나 바이러스가 사람 사이에 훨씬 더 많이 퍼질 수 있었기 때문에 인간 세포에서 이러한 독성 절개 부위를 진화시켜 현재 유행병을 촉발했다.

연구의 공동 저자 앤드류 람바우트(Andrew Rambaut)는 이 시점에서 어떤 시나리오가 가장 가능성이 높은지를 아는 것이 불가능하지는 않다고 말했다. SARS-CoV-2가 동물 숙주에서 현재 병원성 형태로 인간에게 들어간 경우, 바이러스의 질병 유발 균주가 동물 집단에서 여전히 순환중이며 다시 인간에 침입할 수 있기 때문에 미래의 발병 가능성을 높인다. 비병원성 코로나바이러스라면 인간 집단에 유입 된 후 SARS-CoV-2와 유사한 특성을 발전시킬 가능성은 낮다.

*Andersen, K.G., Rambaut, A., Lipkin, W.I. et al. The proximal origin of SARS-CoV-2. Nat Med (2020). https://doi.org/10.1038/s41591-020-0820-9