HIV 저해 효과가 향상된 유전자 변형된 항체 기반 물질

KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2015-02-03

미국 Caltech의 과학자들이 HIV가 항체를 회피하는 기작을 이용하여 인체에서 자연적으로 생성되는 항체보다 100배 이상 효과적인 항체 기반 분자를 개발했다고 한다. 항체는 인체의 면역계가 바이러스와 같은 침입성 병원체를 찾아서 제거하는데 이용하는 단백질이다. 이번 연구에서 개발된 항체 기반 분자는 시험관 시험에서 HIV에 결합하여 중화시키는데 매우 뛰어난 효과를 나타냈다고 한다. 연구팀은 이번 결과가 보다 효과적인 HIV 약물의 설계에 이용될 수 있다고 설명했다. Cell 최신호에 발표된 이번 연구를 주도한 Pamela Bjorkman 박사는 “우리가 이룬 이번 결과에 기초하여 아주 적은 농도에서도 작용할 뿐만 아니라 바이러스의 돌연변이 경로의 작용을 차단하여 치료법에 감수성을 갖도록 만드는 실제로 효과적인 치료제를 만들 수 있다고 생각한다. 이렇게 만들어진 약물은 이미 HIV에 감염된 사람들에게서 HIV를 소멸시킬 수 있을 것으로 생각된다”고 설명했다. 이번 연구 논문에는 Bjorkman 박사 실험실의 대학원생인 Rachel Galimidi가 주요 저자로 참여했다. 연구팀은 면역계가 다른 바이러스와 비교하여 HIV에 효과를 보지 못하는 이유 중 하나를 HIV의 표면에 돌기(spike)처럼 튀어나온 적은 숫자의 저밀도 단백질 때문이라고 보고 있다. 3개의 단백질 아단위(subunit)로 구성되어 HIV의 표면으로부터 삐져나온 이들 돌기는 HIV를 중화시키는 항체의 주요 표적이다. 그러나 다른 바이러스들이 이러한 돌기를 수백 개씩 보유한 것과 달리 HIV에서는 겨우 10~20개 정도를 보유하고 있으며, 때문에 이들 돌기 사이의 평균 거리가 매우 멀다고 한다. 이들 돌기 사이의 거리는 인체에서 자연적으로 생성되는 항체가 바이러스의 표적을 결합하는데 매우 중요하다고 한다. Y자 형태의 단백질인 항체는 Fabs(fragment antigen binding)라 불리는 양쪽 팔을 이용하여 자신의 표적을 잡도록 진화해왔다. 그러나 HIV처럼 돌기의 숫자가 적고 이들의 거리가 멀면 항체는 한쪽 팔로만 표적에 결합하게 된다. 그 결과로서 항체가 바이러스에 약하게 결합하게 되며, 항체의 효과가 약해져서 돌기에 돌연변이가 발생하기 쉬워지게 된다. 연구팀은 자신들의 가설을 시험하기 위하여 하나의 돌기에 항체의 양쪽 팔이 모두 결합하도록 유전자 변형시킨 인공 항체 분자를 제조했다. 연구팀은 광범위 중화 항체의 HIV 결합 부위인 Fabs에 다른 분자를 결합시키려고 시도했다고 한다. 광범위 중화 항체는 HIV 양성 환자 중에서 소수의 사람들에게서 자연적으로 생성되는 여러 변종 HIV에 대하여 대항하는 효과를 갖는 단백질이다. 이 광범위 중화 항체들을 병용하여 이용하면 상당한 효과를 내는 것으로 보고되어 있다. 연구팀은 Y자 형태의 항체를 만드는 대신에 2종의 Fab를 결합시켜서 광범위 중화 항체를 병용시키는 효과를 얻었다고 한다. 이렇게 제조된 인공 항체 분자들은 서로 다른 길이의 DNA로 구성된 연결체에 Fab들이 결합되어 있는 형태였다. 여기서 왜 DNA를 연결체로 이용했는가에 의문점이 발생할 것이다. 연구팀은 인공 항체 분자가 하나의 돌기에 동시에 결합하도록 만들기 위하여 어떤 Fabs를 이용해야 하며, 이들이 어느 수준으로 떨어져서 결합해야 효과적인지를 알 필요가 있었다. 이전부터 연구팀은 알려져 있는 HIV 돌기의 구조에 기초하여 어떤 Fabs를 이용해야 하며, 얼마나 거리를 두어야 하는지에 대하여 많은 실험을 실시했지만 여전히 어려운 문제들이 많이 존재했다고 한다. 연구팀은 이번 연구에서는 DNA를 분자 계측자(molecular ruler)로 이용하는 아이디어를 내게 되었다고 한다. 2중 나선 구조의 DNA의 각각의 염기쌍은 3.4 엉거스트롱(angstrom)의 간격으로 분리되어 있는 것으로 잘 알려져 있다. 따라서 2종의 Fabs 사이에 여러 다양한 길이의 DNA를 융합시킴으로써 연구팀은 최적의 중화 효과를 나타내는 인공 항체 분자를 제조하여 시험할 수 있었다고 한다. 실제로 연구팀은 여러 항체들의 Fabs를 이용하여 다양한 조합의 인공 항체 분자를 제조하여 시험을 실시했다. Bjorkman 박사는 “시험된 인공 항체 분자의 다수에서 효과가 나타나지는 않았다”고 설명했다. 그러나 일부 항체 분자는 뛰어난 효과가 나타났다고 한다. 다른 2종의 범용 중화 항체의 Fabs를 결합시킨 특정 인공 항체 분자들의 경우에는 HIV를 중화시키는 효과가 원래의 항체와 비교하여 10~1000배나 높아졌다고 한다. 이들 인공 항체 분자를 제조하는데 최적의 DNA 연결체의 길이는 40~62 염기쌍(13~21 나노미터)인 것으로 나타났다. 연구팀은 이번 결과에 기초하여 보다 효과적인 새로운 인공 항체 분자를 개발할 계획이라고 한다. 특히 새로운 분자는 DNA 조각 대신에 tetratricopeptide 반복서열로 불리는 동일한 길이의 펩타이드가 반복된 단백질이 이용되게 될 것이다. 이렇게 제조되는 인공 항체 분자는 전체가 단백질로 구성되면서도 HIV의 돌기 하나에 효율적으로 결합하여 효과를 낼 것으로 기대되고 있다. Bjorkman 박사는 “이 분자는 DNA가 이용된 인공 항체 분자와 비교하여 30배의 효과가 늘어날 것으로 기대된다. 단백질 기반 시약을 이용하면 이러한 수준의 효과를 얻어낼 수 있는 것으로 증명되어 있다”고 밝혔다. 이러한 뛰어난 효과는 항체 기반 분자가 낮은 농도에서도 작용함으로써 저렴하게 제조하고 환자들에게 부작용을 감소시킬 수 있음을 제시하고 있다. Galimidi는 “이번 연구는 생명공학 기업들이 HIV에 대항하는 보다 효과적인 항체 시약을 만들어내는데 이용할 유망 치료 전략을 조명하고 있다. 많은 기업들이 항체 시약을 폄하하고 있으며, 그 이유는 HIV의 돌연변이 발생 때문에 항체를 회피할 수 있기 때문이다. 때문에 기업들은 소분자 약물 개발에 초점을 맞추고 있다. 그러나 이번 우리의 연구는 항체로 효과를 내는 길을 제시하고 있다”고 설명했다. 연구팀은 현재 새로운 인공 항체 분자를 대량 생산하는 연구를 진행 중이라고 한다. 여기서 얻어지는 인공 항체 분자들은 HIV에 감수성을 갖는 인간화된 마우스들을 대상으로 시험될 예정이다. 그림설명: 연구팀의 DNA 이용 인공 항체 분자에 대한 설명 Journal Reference: Rachel P. Galimidi, Joshua S. Klein, Maria S. Politzer, Shiyu Bai, Michael S. Seaman, Michel C. Nussenzweig, Anthony P. West, Pamela J. Bjorkman. Intra-Spike Crosslinking Overcomes Antibody Evasion by HIV-1. Cell, 2015; 160 (3): 433 DOI: 10.1016/j.cell.2015.01.016 Fab.jpg http://www.sciencedaily.com/releases/2015/01/150129132922.htm