SARS-CoV-2(COVID-19) 변이와 백신 (미국미생물학회, 2021년 3월 3일)

SARS-CoV-2(COVID-19) 변이체의 S 단백질에 대한 몇 가지 주목할만한 아미노산 변화와 백신 접종 후의 항체 반응에 대한 새로운 연구 분석 내용은 다음과 같습니다.

COVID-19(SARS-CoV-2)는 얼마나 자주 돌연변이가 발생할까요?

전형적인 SARS-CoV-2 바이러스는 한 달에 게놈에 1-2 개의 단일 염기 돌연변이를 축적하는데, 이는 인플루엔자 비율의 ½, HIV 비율의 ¼입니다. SARS-CoV-2가 더 낮은 비율로 변이를 가지는 이유 중 하나는 대부분의 RNA 바이러스와 달리 코로나 바이러스는 게놈에 암호화 된 새로운 엑소리보뉴클레아제(ExoN)를 가지고 있어서 유전자 복제 중에 발생하는 많은 변이를 교정할 수 있습니다. 그러나 SARS-CoV 및 뮤린 코로나 바이러스(MHV)에서의 엑소뉴클레아제의 유전적 불활성화는 돌연변이율을 15~20배 증가시킵니다. 중요한 것은 뉴클레오타이드 결실은 치환과는 달리 유전자 변이를 교정할 수 없습니다.

SARS-CoV-2 변이체의 S 단백질 돌연변이

특정 돌연변이와 게놈 상에서의 뉴클레오타이드 치환, 첨가 또는 결실이 발생하는 위치에 따라 돌연변이는 유기체에 해를 끼칠 수도 아무런 영향이 없을 수도 있습니다. SARS-CoV-2의 스파이크(S) 단백질은 1,273개의 아미노산을 포함하며, 현재 COVID-19 백신 개발에 중요한 표적입니다. 스파이크 단백질은 숙주 세포 수용체를 인식하여 결합하고 바이러스 진입을 매개하는 역할을 하며, 이부분이 없으면 숙주 세포를 감염시킬 수 없습니다. 이러한 이유로 병인성 및 정상 기능에 중요한 역할을 하는 S 단백질 부분 (예 : 수용체 결합 도메인 (RBD) 또는 푸린 절단 부위)에 영향을 미치는 S 유전자 돌연변이 또는 S 단백질에 구조적 변화를 일으키는 돌연변이가 발생합니다. 이러한 돌연변이는 항체에 인식되지 않아 변이 이전의 SARS-CoV-2 바이러스에 대한 면역 기능이 작동하지 않게 됩니다.
 
처음으로 보고된 SARS-CoV-2 돌연변이 D614G에 대하여 살펴보면, 현재 전 세계적으로 염기서열이 확인된 SARS-CoV-2 게놈에서 공통적으로 나타납니다. SARS-CoV-2 변이체의 주요 S 단백질 돌연변이가 추가적으로 확인되고 있습니다. B.1.1.7은 일반적으로 영국 변종이라고 불리며, 501Y.V2락도 알려진 B.1.351는 남아프리카 변종이며, P.1는 501Y.V3 또는 브라질 변형이라고도 합니다. B.1.427와 B.1.429는 CAL.20C 또는 캘리포니아 변종이며, B.1.526, 또는 677번 아미노산 위치에 돌연변이를 포함하는 New York 변종이 있습니다.


“SARS-CoV-2(COVID-19) 스파이크 (S) 단백질의 아미노산 변화”

  [관련 그림은 상단의 그림을 참조]


SARS-CoV-2 변이체에서 스파이크 (S) 단백질의 아미노산 변화
SARS-CoV-2 변이체의 스파이크 단백질에서 아미노산 변화. 
B.1.1.7, B.1.351, P.1, B.1.427/B.1.429 및 B.1.526 SARS-CoV-2 변이체의 스파이크 단백질에서 아미노산 변화.
출처 : 미국 미생물 학회

D614G

첫 번째 SARS-CoV-2 게놈에서 돌연변이는 2020년 3월에 확인되었으며, 6월 말에 D614G는 S 단백질의 614번째 아미노산인 아스파르테이트(D)가 글리신(G)으로 치환 된것을 확인하였으며, S 단백질은 전 세계 거의 모든 SARS-CoV-2 샘플에서 발견되고 있습니다.

D614G는 바이러스의 감염성과 안정성을 증가시켜 사람의 허파 상피 세포 및 중요한 인간 호흡기 조직에서 바이러스 복제를 향상시키는 것으로 밝혀졌습니다. 감염성의 증가는 바이러스 표면에 S 단백질의 기능이 강화된 결과로 알려졌습니다. 여러 다른 연구에서는 D614G의 변이가 더 높은 바이러스 감염과 관계가 있다고 합니다. 다행히도 이 돌연변이는 COVID-19 백신이 출시되기 전에 SARS-CoV-2 게놈에 공통으로 발견되었기 때문에, SARS-CoV-2에 대한 효능이 입증된 백신은 D614G 돌연변이에 대해서도 작용한다고 확신할 수 있습니다.

N-말단 (N-Terminus)

S 단백질 N-말단의 S1 부위는 SARS-CoV-2의 바이러스 수용체 결합을 담당합니다. 연구에 따르면, S 단백질의 (N)-말단 도메인 (N-Terminal Domain, NTD)에서 염기의 결실이 일어나면, 항원성이 변화될 수 있습니다. 미국 질병 통제 예방 센터 (CDC )에 따르면 B.1.1.7에서 69번과 70번 아미노산의 결실은 스파이크 단백질의 구조적 형태 변화를 일으킬 가능성이 있습니다. 인위적으로 조직된 Δ69Δ70 결실 돌연변이의 생성은 SRAS-CoV-2 (D614G 변이)보다 2배 더 높은 감염성을 가지게 됩니다..

B.1.1.7의 144번 아미노산과 B.1.351의 242-244번 부위의 아미노산 결실은 중화 항체와의 결합력을 감소시킵니다.

B.1.526의 2가지의 돌연변이가 확인되었는데, 253번 위치의 아스파르테이트가 글리신으로 치환된 D253G 변이는 S 단백질의 NTD와 결합하는 단일 클론 항체와의 결합력 약화와 상관관계가 있으며, P.1의 18번째 아미노산 류신(L)의 페닐알라린(F)으로의 치환과 B.1.351의 246번째 위치의 아르기닌(R)에서 이소류신(I)으로 치환된 R246I 변이가 NTD 부위에서 나타납니다.

B.1.351, P.1, B.1.427 / B.1.429. B.1.526은 모두 NTD 부위에서 여전히 의미가 알려지지 않은 여러 아미노산 치환이 발견되고 있습니다.

수용체 결합 도메인 (Receptor Binding Domain, RBD)

S 단백질의 수용체 결합 도메인 (RBD)은 319~541의 아미노산 서열로 구성됩니다. 이것은 사람 세포의 ACE2 수용체에 직접 결합합니다. 따라서, 게놈 상의 RBD 부위에서 발생하는 돌연변이는 SARS-CoV-2 적합성 및 항원성에 특히 중요합니다.

B.1.1.7, B.1.351 및 P.1은 모두 RBD 부위의 501번째 아미노산 아스파라긴(N)이 티로신(Y)으로 치환된 돌연변이를 가지고 있습니다. N501Y는 사람 세포의 ACE2 수용체에 대한 SARS-CoV-2의 결합 능력을 증가시키고, RBD에 대한 항체 결합을 방해하며, 약화된 T와 B 세포 협력을 통한 항체 생산을 감소시킵니다. 이러한 발견은 N501Y 돌연변이를 보유하는 SARS-CoV-2 변이체가 면역 회피에 대한 잠재력을 증가시킬 수 있습니다.

B.1.351 및 P.1은 RBD 부위의 417번 위치의 리신(K)이 아스파라긴(N)으로 치환된 K417N와 트레오닌(T)으로 치환된 K417T, 그리고 484번 위치의 글루타메이트(E)이 리신(K)으로 치환된 E484K의 2가지 돌연변이를 가지고 있습니다. E484K 변이는 ACE2 수용체에 대한 RBD의 친 화력과 SARS-CoV-2 중화 항체에 대한 내성을 증가시키고, 단일 클론 항체 치료요법에 효과적이지 못하며 회복기 혈장에 대한 중화력을 감소시킵니다. 이러한 3개의 RBD 부위의 돌연변이는 N501Y 단독 또는 SARS-CoV-2(D614G)에 비해 상대적으로 높은 구조적 변화를 일으키고 면역 회피 가능성을 증가시킵니다..

위에서 언급한 B.1.526의 E484K와 수용체 결합 친화도를 증가시키는 것으로 밝혀진 477번 세린(S)의 아스파라긴(N) 치환 S477N 변이체 2가지 모두 바이러스 감염성이 증가할 수 있습니다.
 
CAL.20C 변이체는 B.1.1.7, B.1.351, P.1과 B.1.526에는 존재하지 않고 S 유전자 상에 3가지 돌연변이를 가지는 B.1.427 및 B.1.429와 같은 돌연변이를 가지고 있습니다. 이들 중 하나인 RBD의 452번 위치의 류신(L)의 아르기닌(R) 치환 변이체 L452R은 ACE2 수용체에 대한 RBD의 친화력을 증가시킵니다. B.1.429 변이체는 중화 항체에 덜 민감하고 질병을 악화시킬 수 있니다.

푸린 절단 사이트 (Furin Cleavage Site)

S 단백질 서브 유닛 S1 및 S에 위치하는 퓨린 절단 부위는 SARS-CoV-2의 막 융합에 필수적입니다. 이 부위의 구조 또는 기능의 손실은 바이러스의 병인성을 증가시키는 영향을 미칩니다. B.1.1.7은 푸린 절단 부위 근처의 681번 프롤린(P)이 히스티딘(H)으로 치환 되었는데, 이 돌연변이는 P681H 변이체의 감염성을 향상시키는지 감소시키는 지는 명확하지 않지만, 바이러스 감염성에 영향을 미칠 수 있습니다.

B.1.351과 B.1.526은 701번 위치의 알라닌(A)이 발린(V)으로의 치환된 A701V는 푸린 절단 부위에 인접해 있지만, 아직 정확한 기능이 알려지지 않았습니다. S 유전자 상의 677번 위치의 아미노산 치환이 있는 SARS-CoV-2 급속한 감염 증가를 일으켰습니다. 연구자들은 푸린 절단 부위 근처에 발생하는 돌연변이는 숙주 세포에 감염에 대한 바이러스의 능력에 영향을 미칠 수 있으며, 여러 계통의 병렬 진화가 바이러스에 선택적 이점을 제공한다고 의심합니다.

C-말단 (C-Terminus)

S 단백질 의 C-말단 S2 서브 유닛은 바이러스와 세포막 융합을 촉진합니다. B.1.1.7과 P.1은 S 단백질의 C-말단 도메인에 여러 돌연변이가 있지만, 아직 기능은 알려지지 않았습니다.


“SARS-CoV-2 변이체의 항원성 평가”

항원성에 대한 질문이 있는 가운데, 연구자들은 SARS-CoV-2 변종에 대한 예방 접종을 받은 사람의 혈청에 대한 중화 효능을 평가하기 시작했습니다. 먼저 N501Y 치환을 포함하는 B.1.1.7 계통의 S 유전자 돌연변이를 평가한 몇 가지 데이터를 살펴보겠습니다.

B.1.1.7

2021년 1월 8일, 화이자는 그들의 백신이 실험실에서 N501Y 돌연변이를 가진 SARS-CoV-2를 중화시킬 수 있는 항체를 유도한다고 발표하였습니다. 화이자가 텍사스 대학 의학부 (UTMB)와 공동으로 수행한 연구의 결과에 따르면, 백신 개발에 사용된 N501 임상 바이러스에서 동종 Y501 돌연변이를 만들었고, 그들은 두 번째 백신 투여 2~4 주 후에 20명의 백신 시험 참가자의 혈청에서 N501과 Y501에 대한 중화작용를 테스트하여 Y501 돌연변이에 대한 중화 활성에 생물학적으로 유의한 차이가 없음을 발견하였습니다.
WT Wuhan 균주와 모든 B.1.1.7 계통에서 나타나는 VSV-SARS-CoV-2-S 유사 바이러스에 대하여 독일의 Pfizer에서 1/2상 시험에 참여한 16명에게서 2차 백신 투여 21일 후에 혈청을 검사하였는데, 연구자들은 2개의 유사 바이러스에 대한 백신의 중화 활성에 대한 생물학적 유의성을 발견하지 못했습니다.
다른 예비연구에서는 화이자 백신의 첫 번째 투여 3주 후의 23명의 참가자에게서, 렌티 바이러스 유사형 WT 보다 B.1.1.7에 대해 중화 활성이 3.85배 높은 것을 발견했습니다. B.1.351 및 P.1에서 발견된 E484K 돌연변이에서는 중화 활성이 감소되었습니다.

B.1.351

모더나 또는 화이자 백신을 2차 접종한 8주 후의 20명의 지원자로부터 얻은 혈장에서의 10개의 돌연변이 유사형 바이러스에 대한 중화 효능을 테스트 한 결과, 연구원들은 중화 활성이 N501Y 및 K417N:E484K:N501Y 조합 돌연변이에서 작은 수치이지만 상당한 차이로 감소되었음을 발견했습니다.

Moderna의 WT (Wuhan) 분리 바이러스, D614G 변이체, B1.1.7 및 B.1.351 변이체의 재조합 VSV 기반 SARS-CoV-2 유사 바이러스에 대한 1상 시험 참가자의 혈청에서 중화 활성을 분석하였습니다. 인간이 아닌 영장류의 혈청에서도 어떤 경우이든 B.1.1.7에 대한 중화에 큰 영향을 미치지 않았습니다. 그러나 스파이크 K417N-E484K-N501Y-D614와 모든 B.1.351 돌연변이를 가진 유사바이러스에서는 각각 2.7 및 6.4 배의 중화 활성 감소를 나타냈다. 중요한 것은 이러한 감소된 중화 활성에도 불구하고 혈청은 B.1.351 변이체를 충분히 중화시킬 수 있다는 것입니다.

Moderna와 Pfizer가 2020년 11월 3상 효능 시험 결과를 발표했을 때, SARS-CoV-2 변이체에 대한 대중이 인식이 부각되기 시작하였습니다. Johnson & Johnson (J&J)은 2021년 1월 말에 3상 효능 시험의 중간 분석을 발표하였고, B.1.1.7 및 B1.351와 같은 SARS-CoV-2 변이에 대한 백신 효능 시험을 설계할 수 있었습니다. 특정 변이의 지역적 유행은 이러한 시험에 참여한 국가에서의 임상시험 결과에서도 변동성(미국에서 72% 효능, 라틴 아메리카에서 66%, 남아프리카에서 57%)이 확인되었습니다. 비상 사용 허가 (EUA) 요청을 위해 J&J가 미국 식품의약국(FDA)에 제시한 내용에 따르면, 남아프리카에서 백신 접종 후 28일부터 백신이 심각한 질병을 줄이는 데 81.7%, 중등도 질병에 대해 64% 효과적이라고 주장했습니다.

게놈 감시의 필요성 강조

연구를 요약해 보면, B.1.1.7 변이는 실제로 Pfizer와 Moderna mRNA 백신으로 백신을 접종한 개인에서 형성된 항체에 의해 중화됩니다. B.1.351 변이에 대해서는 중화 효능이 감소됨이 관찰되었습니다. 그러나 연구 결과에 따르면 mRNA 백신이 접종된 개인의 혈청은 여전히 B.1.351 변이체를 충분히 중화시킬 수 있다고 합니다. 그리고 미국에서 세 번째로 EUA를 받은 J&J의 백신은 B.1.1.7 및 B.1.351에 감염된 개인의 중증 질병에 대해 여전히 높은 효능을 보이고 있습니다. 제품의 최대 효능을 보장하기 위해 Moderna는 기존 바이러스 및 새로 발생하는 SARS-CoV-2 변이에 대한 백신 부스터를 개발하는 임상 프로그램을 시작하고 있으며, 최근에 Pfizer도 개발을 시작하였습니다.

항상 그렇듯이 지금까지의 연구결과는 예비 데이터라는 점을 기억하는 것이 중요합니다. P.1, B.1.427/B.1.429 및 B.1.526 계통에 대한 중화 효능을 평가하는 연구가 여전히 필요하며 SARS-CoV-2 변이에 대한 새로운 정보가 매일 보고되고 있습니다. 주목해야할 것은 B.1.1.7, B.1.351 및 P.1은 현재 미국을 포함한 여러 국가에서 발견되고 있으며, 정기적인 돌연변이의 발생으로 새로운 변종이 지속적으로 나타날 것입니다. 이러한 지속적인 돌연변이 위협은 SARS-CoV-2 진화를 추적하고, 질병 확산을 억제하며, 진단 및 백신의 개발 및 배포를 포함한 공중 보건 활동에 정보를 제공할 수 있는 게놈 감시 프로그램의 필요성을 강조하게 됩니다.


저자 : ASHLEY HAGEN, MS
Ashley Hagen, MS는 미국 미생물학 회의 과학 커뮤니케이션 전문가입니다.
출처 : https://asm.org/Articles/2021/February/SARS-CoV-2-Variants-vs-Vaccines