코로나19의 돌연변이와 전파

NYTimes에 실린 'How Coronavirus Mutates and Spreads' 라는 제목의 기사로, 코로나 바이러스의 기원과 전파 과정을 시간의 경과에 따른 연대기로 설명합니다. 돌연변이는 '종류' 가 여러가지 인데, 변이가 없거나, 변이율이 높은 돌연변이는 사라지기 쉬울 수 있는 반면에 변이율이 작은 돌연변이는 생존, 공존함으로써 오히려 유전적 다양성을 확보합니다.

Covid-19는 변이율이 작고 변이 속도가 느리기 때문에 잘 사라지지 않는 반면에, ACE 2 수용체와 결합시켜 '상기도 감염' 이 시작되는 스파이크 단백질의 '변이가 심한 것' 으로 알려졌음으로, 펜데믹이 오랫동안 진행중이고, 백신 개발은 어려운 상황입니다.

코로나 바이러스 게놈

'수백만 자가복제' 를 위한 유전정보로 가득찬 코로나 바이러스는 지질성 막(oily membrane)으로 쌓여 있다. 유전정보는 감염된 세포가 '많은 종류의 바이러스 단백질' 로 해독하고 번역하는 a(adenine), c(cytosine), g(guanine), u(uracil) 의 30,000여개 "염기서열"이 암호화 되어 있다.

단일가닥 RNA와 이중가닥 DNA 염기서열의 차이점으로, DNA는 RNA의 u 대신에 t(thymine) 서열로 구성된다.

12월 26일, 새로운 코로나 바이러스

2019년 12월, '중국 우한 시의 한 수산 시장' 에서 원인을 알수 없는 폐렴 증상이 집단으로 발병했다. 1월 초, 연구진들은 시장에서 일해왔던 한 남성으로 부터 채취한 새로운 코로나 바이러스의 첫번째 '게놈'(genome)을 밝혀냈다. 이 게놈은 SARS-CoV-2(Covid-19)가 전세계로 확산됨으로써 과학자들의 추적을 위한 기준선이 되었다.

1월 8일, RNA 돌연변이

코로나 바이러스에 감염된 세포는 수백만개 모두가 오리지날 게놈에서 복제된 유정정보를 실어나르는 새로운 바이러스를 방출한다. 세포가 그 게놈을 복제하는 과정에서 가끔씩 오류가 일어나는데, 일반적으로 한개의 염기서열이 잘못 배치되는 것에 불과하다. 이러한 오자(typos)들을 돌연변이(mutation, 변종)라 부른다. 사람 대 사람 간 코로나 바이러스가 전파됨에 따라 무작위로 더 많은 돌연변이가 누적된다.

아래의 게놈은 우한 시의 또다른 초기 환자에서 나온 것으로 하나의 돌연변이를 제한다면 첫번째 사례와 동일했다. RNA의 186번째 염기서열이 c 대신 u였다.

연구진들이 우한 집단 사례에서 여러 게놈들을 비교했을 때, 소수의 새로운 돌연변이들만이 발견되었으며, 이는 다른 게놈들이 최근의 공통된 조상으로 부터 유래되었다는 것을 암시한다. 바이러스들은 거의 일정한 비율로 새로운 돌연변이를 축적하기 때문에 과학자들은 이 창궐의 진원지가 2019년 11월 경 중국이었다는 것을 추정할 수 있었다.

2월 27일, 하나의 후손, 2개 이상의 돌연변이

RNA의 186번째 염기서열에서 동일한 돌연변이가 우한 시 외 지역인, 중국 광저우에서 남쪽으로 600마일 떨어진 곳에서 7주 후에 수집된 다른 샘플 하나에서 발견되었다. 광저우 샘플은 최초 우한 샘플의 직계 후손일 수 있다. 혹은 공통의 조상을 공유하는 바이러스성 사촌일 수도 있다. 그 7주 동안 광저우 계통(lineage)은 사람 대 사람으로 전파되면서 몇세대에 걸처 새로운 바이러스가 되었다. 그리고 그 과정에서 새로운 돌연변이가 생겨났다. RNA 염기서열 2개가 u로 바꼈다.

돌연변이는 언제 표현될까?

돌연변이는 종종 암호화 하는 단백질을 번역하지 않고 유전정보를 바꿀 것이다. 단백질은 서로 다른 모양(1차, 2차, 3차, 4차 구조)으로 접힌 아미노산의 길다란 사슬이다. 각각의 아미노산은 3가지 유전자 염기서열로 암호화되지만, 많은 사례에서 3번째 염기서열 돌연변이는 여전히 동일한 아미노산을 암호화 할 것이다. 이처럼 일명 "침묵 돌연변이(silent mutations, 잠재성 돌연변이)"는 단백질 표현형, 번역 결과를 바꾸지 않는다.

a, c, u 코돈의 침묵 돌연변이 a, c, a/c/g는 동일한 아미노산 threonine 을 번역한 반면에, 비-침묵 돌연변이는 다른 아미노산인 isoleucine을 번역함으로써 표현형이 다르다.

"비-침묵" 돌연변이는 단백질의 서열을 바꾸고 코로나 바이러스의 광저우 샘플에서는 2가지 비-침묵 돌연변이가 수집됐다.

그러나 단백질은 수백개 또는 수천개의 아미노산으로 구성된다. 이중에서 하나의 아미노산이 바뀐다는 것은 종종 단백질 표현형이나 역할에 현저한 영향을 미치지 않는다.

돌연변이는 사라지기도 하고, 전파되기도 한다

수개월에 걸처, 코로나 바이러스 게놈의 일부에는 많은 돌연변이 서열이 생겼다. 어떤 게놈은 거의 돌연변이가 없거나 전혀 일어나지 않았다. 이러한 변이 과정에서는 코로나 바이러스 생물학에 있어 중요한 실마리를 찾을 수도 있다.

많은 돌연변이가 축적되어 온 게놈 부위는 보다 유연하다. 이러한 게놈은 바이러스에 해를 끼침 없이 유전적인 서열 변화를 수용할 수 있다. 돌연변이가 거의 없는 부위는 사라지기 쉽다. 그러한 부위의 돌연변이는 단백질 표현형에 치명적인 변화를 일으킴으로써 코로나 바이러스를 파괴할 수 있다. 그러한 중요한 영역은 특히 항바이러스제로 바이러스를 공격하는 좋은 타겟이 될 수 있다.

돌연변이가 코로나 바이러스에 축적됨으로써, (변이된 서열을 분석 비교하여 거슬러 올라감으로써)과학자들이 전세계에 걸친 Covid-19의 확산을 추적할 수 있게 된다.

1월 15일, 첫번째 미국인 사례

1월 15일, 한 남성이 우한 시의 가족을 방문한 후에 '시애틀 지역의 집으로 돌아왔다'. 몇일간 가벼운 증상을 보인 후 이 남성은 Covid-19 양성 확진 판정을 받았다. 그는 미국에서 Covid-19의 첫번째 확진 사례가 되었다.

"환자의 폐 검사는 폐렴 증상을 보여준다." 'NEJM'

그의 바이러스 게놈은 중국 내 바이러스에서도 발견되었던 3개의 단일-염기서열 돌연변이가 발견됐다. 게놈은 과학자들이 이 남성의 감염 경로를 추적할 수 있도록 했다.

2월 24일, 시애틀에서 확산된 전염병

5주 후, 워싱턴 주 스노호미시 군(Snohomish County, Wash)의 한 고등학생이 독감과 비슷한 증상을 보였다. 코 면봉(nose swab) 테스트에서 Covid-19가 검출됐다. 과학자들은 이 학생의 코로나 바이러스 샘플로 부터 게놈 서열을 분석했고, 시애틀의 첫번째 사례에서 발견된 동일한 특징을 갖은 돌연변이를 공유했지만, 3가지 추가적인 돌연변이도 일어났다.

이 유래된 돌연변이와 새로운 '돌연변이의 조합'은 그 학생이 최근에 다른 나라에서 온 누군가로 부터 코로나 바이러스에 감염되지 않았다는 것을 암시했다. 그대신, 코로나 바이러스는 아마도 1월 중순 이후 약 5주 동안 시애틀 지역에서 (무증상, 잠복기 등)'검출되지 않은채 전파되었을 것' 이다.

그후로, 워싱턴 집단과 유전적으로 연관성이 있는 바이러스는 이제 '최소 14개주' 와 '그랜드 프린세스 크루즈호' 의 9건 사례 뿐만 아니라 전세계에 걸처 여러 나라들에서 나타났다.

2월 26일, 캘리포니아에서의 초기 전파

코로나 바이러스의 다른 형태 또한 캘리포니아 주에서 은밀하게 전파되는 중이었다. 2월 26일, 미국 질병통제예방센터(C.D.C.)는 솔라노 카운티의 환자가 이전 사례 또는 양성 판정을 받은 해외 여행 사례와 어떠한 연관성도 없다고 '발표했다'.

다음날 얻은 샘플은 이 바이러스가 워싱턴 주에서 발견된 특징을 갖은 돌연변이가 아니라는 것이 밝혀졌다. 그대신, 오리지날 우한 게놈과 구별되는 단일 돌연변이만이 있었다. 이는 중국과는 별개로 캘리포니아에 유입됐음을 의미한다.

환자를 돌보던 2명의 의료진도 감염됐다. 바이러스에 돌연변이가 일어남으로써, 환자들에게서 추가적인 돌연변이 샘플을 얻게 되었다.

1월과 2월에 걸처, 보다 많은 사람들이 코로나 바이러스를 싣고 미국에 도착했다. 일부 바이러스는 중국 또는 아시아 기타 지역에서 유입됐음을 의미하는 돌연변이가 있었다. 그러나 (글로벌 허브라 불리는)뉴욕시의 경우, 바이러스 대부분이 환자들과의 접촉이 없던 유럽에서 전파되던 바이러스와 유전정보가 일치한다는 것이 '확인됐다'.

1월 19일, 상하이에서 뮌헨으로

워싱턴에서 Covid-19 양성 판정을 받은 첫번째 환자가 발생한 날인 1월 19일, 상하이의 한 여성이 뮌헨에 도착했다. 여행이 있기 얼마 전에, 우한에서 온 부모가 그녀를 방문했다. 그녀가 뮌헨에 도착했을 당시 가벼운 증상만을 느꼈고, 시차적응으로 인한 피로감이라 여겼다.

이 여성은 독일 자동차 부품 제조업체에서 근무했다. 뮌헨에 도착한 다음날 회사 회의에 참석했다. 회의에 참석했던 몇몇 다른 직원들이 앓기 시작했고, Covid-19 양성 판정을 받았다. 그 회의에 참석했던 한 남성의 코로나 바이러스 게놈은 중국으로 다시 연결되는 돌연변이가 있었다.

그후에, 유전적으로 유사한 형태의 바이러스가 유럽의 다른 지역으로 확산되었지만, 이 집단 사례에서 유래된 것인지 다른 유입이 있었던 것인지는 불분명하다.

3월 1일, 웰컴 투 뉴욕

3월 1일, 뉴욕에서는 이란 방문중에 감염된 맨해튼에 거주중인 한 여성의 Covid-19 첫번째 확진 사례가 발표되었다. 그후로 뉴욕에서 과학자들이 연구해온 모든 바이러스들 중에 그녀의 코로나 바이러스 게놈 돌연변이는 발견되지 않았다. 이 감염 사례가 전파되는 중인 연속되는 사슬의 일부가 아님을 의미한다.

그대신, 과학자들이 염기서열을 분석한 뉴욕 시 코로나 바이러스 대부분은 유럽의 코로나 바이러스와 '유전적인 연관성' 을 보였다. 어떤 것들은 아시아에서 유입됐고 어떤 것들은 미국 내 다른 지역에서 유입된 것일 수 있다.

3월과 4월, 아시아 재유입과 추방

곧이어, 미국과 유럽은 Covid-19를 다른 국가들로 유입시키는 새로운 진원지가 되었다. 미국에서 추방되어 본국 등으로 돌아간 콰테말라인 이민자 수십명이 도착 후에 코로나 바이러스 '양성 확진을 받았으며', 유럽에서 발생한 돌연변이를 가진 코로나 바이러스가 '아시아로 재유입' 되었다.

느리게 변이하는 바이러스

펜데믹의 현재로써는, 돌연변이가 10개 이하의 코로나 바이러스 게놈은 흔하고, 20개 이상의 돌연변이를 가진 소수만이 있으며 이는 여전히 게놈의 10% 보다 적은 수치다.

시간이 경과됨에 따라 바이러스들은 계통이 서로 크게 다른 새로운 변종으로 진화할 수 있다. 1월 이후로, 연구진들은 수천개 이상의 SARS-CoV-2 게놈의 염기서열을 분석했고 발생한 모든 돌연변이를 추적했다. 지금까지, 연구진들은 돌연변이가 우리에게 어떻게 영향을 미치는지에 중요한 변화를 가져왔다는 설득력 있는 증거를 발견하지 못하였다.

이 때문에, Covid-19 초기, 치명율이 낮다는 이유로 신종 플루 정도로 과소평가 되었다. 그러나, 전염력이 강한 백신, 치료제가 없는 병원성 바이러스가 제곱승으로 증식하여 급속도로 전파되기 때문에, '연령대, 비만도' 를 포함한 기저질환에 따라 다름으로, 확진자 수와 사망자수를 감안한다면 의미가 없었다.

사실, 연구진들은 코로나 바이러스가 일부 다른 RNA 바이러스와 비교했을 때 상대적으로 천천히 변이되는 중임을 발견하였으며, 이는 부분적으로 교정자 역할을 하는 바이러스 단백질이 몇가지 오류를 교정할 수 있기 때문이다. 매달, 한 코로나 바이러스 계통은 2개의 단일-서열 돌연변이만을 얻을 수 있을 것이다.

향후, 코로나 바이러스가 우리의 면역 체계를 우회하는 것을 돕는 몇가지 돌연변이를 찾게 될 수 있다. 그러나, 코로나 바이러스의 느린 변이율은 이러한 변화들이 수년에 걸처 일어날 것이라는 것을 의미한다.

이점은 현재 개발중인 Covid-19 백신에 좋은 정황이다. 사람들이 새로운 코로나 바이러스에 대응하여 2021년에 백신을 접종한다면, 수년 동안 지속되는 보호를 받을 수 있을 것이다.

우리가 모르는 것

연구진들은 현재 전세계 '300만명 이상을 감염시킨' 코로나 바이러스 중 극소수의 서열을 분석한 것일 뿐이다. '더 많은 게놈 서열을 분석하는 것'은 바이러스 역사의 더 많은 챕터들이 열릴 것이고, 과학자들은 특히 아프리카와 남미 처럼, 염기서열이 분석된 게놈이 거의 없는 지역의 돌연변이 연구를 바라고 있다.

원문: 'NYTimes'

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