The ribonuclease activity of SAMHD1 is required for HIV-1 restriction
국내 연구진이 에이즈를 일으키는 인간면역결핍바이러스(HIV)의 RNA를 직접 분해, 감염을 억제하는 RNA 분해효소를 찾아냈다. 에이즈 치료를 위한 백신개발 연구에 기여할 것으로 기대된다.
* 에이즈 : 면역세포의 일종인 CD4 양성 T-림프구가 파괴되는 후천성 면역결핍증후군. 세계적으로 4,500만 명이 감염되어 있고, 연간 300만명이 사망하는 질환
** RNA : 핵산(nucleic acids)의 일종이며 단일사슬로 이루어져 있고 HIV의 유전체는 DNA가 아닌 RNA로 이루어져 있다.
서울대 생명과학부 안광석 교수 연구팀 유정민 박사과정 연구원이 주도한 이번 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단이 추진하는 리더연구자지원사업(창의)의 지원을 받았고 연구결과는 네이처 메디슨지(Nature Medicine) 7월 21일자 온라인판에 게재되었다.
* 논문제목: The ribonuclease activity of SAMHD1 is required for HIV-1 restriction
연구팀은 SAMHD1이 RNA분해효소 활성을 갖고 HIV-1 유전체 RNA를 분해하여 감염을 억제한다는 것을 알아냈다. 특히 염기서열에 관계없이 HIV-1 RNA만을 특이적으로 인식하여 분해한다는 것이다.
* SAMHD1 : 626개 아미노산으로 이루어진 단백질로 이 단백질을 만드는 유전자에 돌연변이가 생기면 아카디-구띠에르 증후군, 루푸스 같은 자가면역질환을 일으키는 것으로 알려져 있으나 자세한 생물학적 기능은 알려져 있지 않다.
SAMHD1이 HIV-1 감염억제 기능이 있다는 것은 알려져 있었으나 정확한 작용기전에 대해서는 알려지지 않았었다.
연구팀은 세포내 염기의 농도가 SAMHD1의 RNA분해효소 활성화 여부를 조절하여 감염여부에 영향을 미칠 수 있음을 알아냈다.
염기농도가 낮은 세포에서 HIV 증식이 억제되는 것이 기존에는 HIV 증식에 필요한 역전사효소가 기능을 할 수 없기 때문이라고 알려져 있었다.
* 염기 : 핵산(DNA, RNA)을 이루는 단위체로서 DNA에 존재하는 염기는 시토신(C), 티민(T), 아데닌(A), 구아닌(G)이며, RNA에는 티민(T) 대신에 우라실(U)이 존재한다.
** 역전사효소(reverse transcriptase) : RNA를 주형으로 하여 이에 상보적인 서열의 DNA를 합성하는 효소를 말한다.
하지만 연구팀은 염기농도가 낮아지면 SAMHD1의 RNA분해효소활성이 높아지면서 HIV RNA를 직접 분해하여 감염이 억제되고, 반대로 염기농도가 높아지면 SAMHD1이 비활성화된다는 것을 밝힘으로써 염기가 SAMHD1의 활성 조절자임을 입증하였다.
현재 시판중인 많은 항-HIV 약품들은 염기농도를 조절하거나 역전사효소를 무력화시키도록 제조된 것인데, 이번 연구결과로 인해 관련 연구가 활발해 질 것으로 예상된다.
안 교수는 “HIV는 빠른 속도로 돌연변이를 일으켜 그간 효과적인 백신개발에 어려움이 있었지만, SAMHD1은 돌연변이에 상관없이 RNA를 분해할 수 있기 때문에 이번 연구결과가 새로운 개념의 백신 개발 연구로 이어질 수 있을 것”이라고 밝혔다.
연 구 결 과 개 요
1. 연구배경
SAMHD1 유전자에 돌연변이가 생기면 루프스, 아카디-구띠레스 증후군과 같은 자가면역질환을 일으킨다. 이런 환자에서는 만성 바이러스에 감염된 경우와 유사하게 만성적으로 인터페론이 분비되어 염증성 질환을 일으키고, 뇌와 피부에 이상을 초래한다. 최근에 예상치 않게 SAMHD1이 에이즈바이러스인 HIV-1의 증식을 억제할 수 있음이 알려졌다. 여러 연구그룹들이 후속 연구를 통해 SAMHD1이 dNTPase 효소 기능을 지니고 있고(DNA는 dATP, dGTP, dTTP, dCTP 네가지 dNTP로 이루어져 있고 dNTPase에 의해 dN + ppp 로 분해됨), 결국 DNA 합성 재료인 dNTP를 고갈시켜 HIV 역전사효소가 작용을 할 수 없게 함으로써 HIV 복제를 억제한다는 가설을 제시하였다. 지난 2년간 이 가설을 지지하는 논문이 네이처를 비롯해 20여편 발표됨으로써 현재 정설로 확립되었었다.
본 연구팀은 자가면역질환과 SAMHD1의 연관성을 연구하던 중 4년 전에 이미 독립적으로 SAMHD1이 RNA를 분해하는 RNA분해효소(RNase)임을 알고 있었다. 따라서 SAMHD1 RNA분해효소 기능이 혹시 HIV-1 억제기능의 직접적인 원인이 아닐까 생각하고 HIV 연구에 착수하게 되었다.
2. 연구내용
SAMHD1이 dNTPase와 RNase 기능을 이중으로 가지고 있는 효소이며, 기존의 타 연구그룹들이 보고한 연구결과와는 달리 dNTPase 기능은 HIV 억제와 관련이 없고 RNase 기능 때문이라는 것을 입증하였다. 이미 여러 연구그룹들이 SAMHD1 dNTPase 기능이 HIV 억제 원인이라고 보고하였기 때문에 이를 반박하는 연구결과를 내놓기 위해서는 여러 가지 확실한 증거를 제시해야 했기 때문에 연구투자비용과 시간이 배가되었다.
연구팀은 세포내 dNTP 농도가 SAMHD1의 RNase 와 dNTPase 기능 조절 스위치로 작용함을 제시하였다.(그림 3 참조). 세포내 dNTP 농도가 높아지면 dNTPase가 활성화되는 반면 RNase가 비활성화되고, dNTP 농도가 낮아지면 이와 반대 현상이 일어난다. 이 연구결과는 그동안 왜 많은 연구자들이 피상적으로 dNTPase 기능이 HIV 억제 원인이라고 생각했는지 설명한다. 즉, dNTPase 기능이 활성화되면 세포내 dNTP 농도가 낮아지고 결국 RNase 기능을 활성화시켜 HIV RNA가 분해되는 것이다.
연구팀은 SAMHD1이 HIV-1 유전체인 RNA를 선택적으로 인식하고 직접 분해함을 규명하였다. HIV-1 백신개발이 난제인 이유 중 하나가 HIV-1은 빠른 속도로 RNA 유전체에 돌연변이가 생겨 사람의 면역체계를 회피한다는 것이다. 그러므로 막대한 비용을 투자하여 개발된 항-HIV 약품들에 대항하여 짧은 기간 내에 내성을 가진 HIV 균주가 탄생한다. 흥미롭게도 본 연구팀은 SAMHD1이 HIV RNA 염기서열에 상관없이 HIV를 인식할 수 있음을 알았다. 이는 향후 안정적인 백신 설계에 중요한 단서를 제공할 수 있다.
또한 SAMHD1이 실제로 HIV 감염세포인 인간 대식세포와 CD4 양성 T임파구에서 HIV-1 억제 기능이 있음을 증명하였다. 시험관에서는 효율적으로 작동하던 효소도 생체내에서는 작동하지 않는 경우가 많다. 본 연구팀은 사람으로부터 대식세포와 CD4 양성 T임파구를 분리하여 실험한 결과 SAMHD1이 효율적으로 HIV를 억제할 수 있음을 알았다.
3. 기대효과
SAMHD1은 HIV 뿐 아니라 RNA를 유전체로 가지고 있는 다른 레트로바이러스 억제가 있을 것으로 예상된다. 백혈병을 일으키는 RNA종양바이러스도 레트로바이러스이다.
현재 시판중인 다수의 항-HIV 백신약품들이 역전사효소와 dNTP 조절을 타겟으로 한 것들인데, 본 연구결과는 이들 약품의 개량 혹은 새로운 개념의 혁신적인 백신 개발에 활용이 가능할 것이다.
최근 면역학 분야 핵심 관심사 중의 하나가 핵산-매개성 면역반응이다. 즉 바이러스와 박테리아 핵산 물질, 혹은 결함이 있는 핵산을 인식하고 제거하는 선천성 면역기전이 존재할 것으로 믿어지고 있다. 본 연구결과는 SAMHD1의 천연 타겟이 인간 유전체의 42%를 차지하는 레트로엘리먼트(retroelement)일 것으로 제시한다. 레트로엘리먼트는 진화적으로 레트로바이러스가 침입-증식을 반복하면서 숙주 염색체상에 남겨 놓은 핵산 쓰레기 물질이다. 레트로엘리먼트는 유전체불안정을 일으켜 암과 같은 여러 가지 질환을 일으키는데 SAMHD1은 이와 관련된 질환연구에 응용될 수 있을 것이다.
연 구 결 과 문 답
이번 성과 뭐가 다른가 | SAMHD1이 유전체 변이에 관계없이 HIV 유전체 RNA를 분해할 수 있는 RNA분해효소임을 규명함 | |
어디에 쓸 수 있나 | HIV를 비롯한 레트로바이러스 억제 백신 개발에 활용 가능 | |
실용화까지 필요한 시간은 | 에이즈는 암과 더불어 전세계적인 초관심 분야이기 때문에 실용화 노력이 경쟁적으로 앞당겨질 것임 | |
실용화를 위한 과제는 | SAMHD1 발현 활성과 에피제니틱 조절 이해 | |
연구를 시작한 계기는 | SAMHD1과 자가면역질환과의 연관성을 연구하던 중 SAMHD1이 RNA분해효소임을 발견하고, 이를 바탕으로 우연히 HIV 억제 기능을 알게 됨 | |
에피소드가 있다면 | HIV와 SAMHD1 분야는 매달 몇 편씩 관련 논문이 나올 정도로 경쟁이 심했고, 현재 정설에 반하는 연구결과를 발표하기 위해서 정신적, 육체적 노력이 배가되었음 | |
꼭 이루고 싶은 목표는 | 후속연구를 통해 HIV 치료 실용화에 도움이 되는 연구 수행. | |
신진연구자를 위한 한마디 | 획기적인 과학적 발견은 때로 우연한 아이디어의 착안에서 이루어지기 때문에 1+1=2 라는 것을 당연하게 받아들이지 말자. |
그 림 설 명
HIV-1을 형광단백질로 표지한 결과 정상적인 야생형 SAMHD1이 발현되는 세포(왼쪽)에서는 HIV-1 증식이 억제되어 형광이 보이지 않는 반면, RNA분해효소 기능이 제거된 돌연변이 SAMHD1-D207N이 발현되는 세포(오른쪽)에서는 HIV-1 증식으로 인해 녹색 형광이 보인다.
(1) HIV 생활사. HIV가 세포속으로 침투한 후 외피속에 들어있던 유전체인 RNA가 세포질에 노출된다. HIV 역전사효소에 의해 cDNA가 합성되고, 이는 핵속으로 이동하여 숙주 염색체에 삽입되어 영구적으로 감염된다. 이 후 HIV 복제가 활성화 되면 이로부터 수많은 HIV 자손이 증폭되어 다른 세포를 감염시키고 에이즈 질환이 심화된다.
(2) SAMHD1의 항-HIV 작용 기전. SAMHD1 RNA분해효소가 HIV RNA를 특이적으로 인식하고 분해함으로써 역전사가 이루어지지 않기 때문에 HIV 감염을 억제한다.
