피츠버그 대학의 연구원들은 메르켈 세포 암종(Merkel cell carcinoma)이라는 공격적인 피부암을 유발하는 메르켈 세포 폴리오마바이러스(MCV)가 어떻게 숙주 세포에서 DNA 복제를 시작하는지 발견했다.

최근 해외 연구저널에 발표된 이 연구는 바이러스가 수백 개의 새로운 복제본을 만들기 위해 숙주 세포에서 미세하게 조절되는 DNA 복제 시스템을 무시하는 방법에 대한 근본적인 질문에서 시작되었다. MCV 복제 방법을 이해하면 이 바이러스가 어떻게 암을 유발할 수 있는지에 대한 중요한 단서를 얻을 수 있다. 또한 다른 암 유발 바이러스에 대한 통찰력과 일부 바이러스가 암을 유발하지 않는 이유를 알 수 있다. 미래에 이것은 감염 때문에 발생하는 암에 대하여 새로운 치료제 또는 백신을 개발하는 데 도움이 될 수 있다.

연구진은 2008년에 MCV를 처음 발견했다. 대부분 성인은 일반적으로 해가 없지만 때때로 암을 일으키는 바이러스를 보유하고 있다. 미국에서는 매년 약 3,000명이 진단되는 치명적인 형태의 피부암을 유발한다.

연구원 리 제임스 완(Li James Wan) 박사가 주도한 연구에서 피츠버그 대학교의 약리학 및 화학 생물학과 교수인 베넷(Bennett Van Houten) 박사와 연구원 매튜(Matthew)와 팀을 이루어 연구가 진행되었다. C-트랩이라는 도구와 스마든(SMADNE)이라는 기술을 사용하여 이전에 본 적이 없는 세부 사항에서 MCV 복제를 연구한다.

연구진은 "지금까지 우리는 기본적으로 시간의 스냅샷에 불과한 정적 이미지에서 바이러스가 복제되는 방식을 추론해야 했습니다. C-트랩을 통해 단백질이 DNA의 단일 분자에 결합하는 것을 작은 빛의 점으로 실시간 볼 수 있습니다. 마치 사진을 보는 대신 영화를 보는 것과 같습니다."라고 말했다.

정상적인 세포 분열 동안 DNA 복제의 첫 번째 단계는 DNA 이중 나선 주위에 두 개의 슬리브를 형성하는 헬리카제(helicase)라는 단백질을 포함한다. 이 슬리브는 다른 단백질이 결합하여 다음 단계를 수행할 수 있도록 이중 가닥 DNA를 단일 가닥으로 압축 해제하기 위해 함께 밀어낸다. 이 압축 해제 과정에는 ATP 분자 형태의 세포 에너지가 필요하다.

DNA 복제는 세포에 의해 엄격하게 제어된다. 게놈을 구성하는 30억 염기쌍 중 하나라도 돌연변이가 생기면 암이나 다른 질병을 일으킬 수 있기 때문에 오류를 확인하고 세포의 조건이 올바른지 확인하는 데 많은 에너지가 소비된다. 허가된 DNA 복제로 알려진 이 통제된 과정은 세포가 분열할 때마다 한 번만 발생한다. 반대로 바이러스가 숙주 세포의 DNA 복제 과정을 가로채면 수백 번 복제된다.

이렇게 "허가되지 않은" 복제는 관리를 받지 않으며 오류가 발생하기 쉽다. MCV를 사용하면 특정 돌연변이로 인해 바이러스의 전체 유전자 코드 또는 게놈이 숙주의 게놈에 삽입되어 이전에 정상인 세포가 억제되지 않은 성장과 분열을 거쳐 암이 될 수 있다. 연구팀은 MCV 버전의 헬리카제(helicase)가 예상한 대로 DNA 주위에 슬리브를 형성하지 않는다는 것을 발견했다. 대신 DNA 분자를 직접 분리한다. 바이러스 헬리카제는 ATP를 사용하지 않고 반복적으로 이 작업을 수행할 수 있으므로 바이러스가 정상적인 세포 복제를 능가할 수 있다.

이 연구는 결국 MCV가 무해하기 때문에 MCV가 아니라 이식 환자 또는 다른 암 유발 바이러스에 대한 주요 문제로 JC와 BK로 알려진 바이러스와 밀접하게 관련된 바이러스에 대한 새로운 항바이러스 요법으로 이어질 수 있다고 한다. MCV 외에도 자궁경부암과 두경부암을 유발하는 인유두종바이러스(HPV)와 암의 일종을 유발하는 카포시 육종 헤르페스바이러스를 포함하여 6개의 다른 인간 바이러스가 암을 유발하는 것으로 알려져 있다.

앞으로 연구원들은 MCV와 비교하여 이러한 다른 암 유발 바이러스를 연구하여 바이러스 복제에 대한 이해를 넓힐 계획이다.

"바이러스는 아주 작은 로봇과 같지만, 여전히 환경을 감지하고 숙주 세포에서 일어나는 일을 감지할 수 있는 매우 복잡한 메커니즘을 가지고 있어 조용하거나 잠복한 상태에서 복제를 시작하는 가장 유익한 시기를 알 수 있습니다. 암세포 내에서 이러한 단백질을 표적으로 하는 안전하고 효과적인 항바이러스 약물 또는 백신을 개발하기 위해서는 복제 방법을 배우는 것이 중요합니다."라고 연구진은 말했다.

참조:
University of Pittsburgh; Li Wan, Sabrina Toland, Lindsey R. Robinson-McCarthy, Nara Lee, Matthew A. Schaich, Sarah R. Hengel, Xiaochen Li, Kara A. Bernstein, Bennett Van Houten, Yuan Chang, Patrick S. Moore. Unlicensed origin DNA melting by MCV and SV40 polyomavirus LT proteins is independent of ATP-dependent helicase activity. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2023; 120 (30) DOI: 10.1073/pnas.2308010120