인플루엔자 A 바이러스는 항원성 표류(antigenic drift)와 항원성 이동(shift)을 통해 지속적으로 진화하여, 주로 헤마글루티닌(HA)에 의존하는 백신의 효과를 저하시킨다. 뉴라미니다아제(NA)는 서열 보존성이 더 높은 표면 항원으로서, 더 광범위한 인플루엔자 백신 설계를 위한 보완적 표적에 대한 관심이 증가해 왔다. 2009년 이후 A(H1N1)pdm09 NA 서열 707개에 대한 계산 분석을 바탕으로, 우리는 두 가지 NA 기반 mRNA 백신 구성체를 설계하였다. NA-D1은 최근의 H1N1 분리주로부터 유래하였고, NA-E2는 H1N1과 H5N1 사이에 공통적으로 공유되는 보존적 특징을 통합하였다. 마우스에는 1차-추가 접종(프라임-부스트)을 시행한 뒤 동종 H1N1 또는 이종 H5N1에 대한 도전을 수행하였다. NA-D1과 NA-E2 모두 NA 특이적 항체 역가를 유도하였으며, 동종 H1N1 감염에 대해 완전한 보호를 제공하였다. 반면, 이종 H5N1에 대한 보호는 부분적이었는데, 이는 백신 구성체와 H5N1 NA 간의 예측된 항원성 유사도가 더 낮기 때문인 결과와 일치한다. 종합하면, 본 연구 결과는 NA 기반 mRNA 예방접종이 강력한 동종 보호를 유도할 수 있음을 보여주지만, 이종 보호의 효능은 제한적임을 시사한다. 이러한 결과는 차세대 인플루엔자 백신을 위한 중요한 보완 항원으로서 NA를 지지하며, 계산에 의해 유도된 이중 항원(HA + NA) 전략이 광범위하게 보호하는 mRNA 백신 개발을 진전시킬 잠재력을 강조한다.

서론: 중증급성호흡기증후군 코로나바이러스 2(SARS-CoV-2)는 전 세계 코로나바이러스감염증-2019(COVID-19) 팬데믹의 원인 병원체이며, 새로운 변이의 출현을 통해 연속적인 감염 파동을 지속적으로 유발하고 있다. 따라서 글로벌 감시를 통해 다음 클레이드(clade) 계통의 뿌리를 정확히 예측하는 일은 백신 항원 업데이트를 예방·통제하고 적시에 갱신하기 위해 매우 중요하다. 본 연구는 394개의 완전 유전체 및 스파이크(S) 유전자 서열을 바탕으로 계통발생학적(phylogeny-informed) 유전적 거리(genetic distances)를 이용하여 SARS-CoV-2의 진화 역학을 평가하였다. 또한, 클레이드 뿌리에서의 비동의(non-synonymous) 및 동의(synonymous) 유전적 거리로부터 출현 변이가 클레이드 치환(clade replacement)을 일으킬 가능성을 추정하는 예측 프레임워크를 도입하였으며, 이는 전 세계적인 집단 면역 압력을 반영한다. 방법: 비동의 및 동의 유전적 거리는 우한(Wuhan) 및 클레이드 뿌리(clade root) 균주 모두로부터 평가하여, 클레이드 치환이 일어나기 전 3개월 이내에 해당 클레이드가 우세해질지 또는 소멸할지를 예측하였다. 결과: 2024년 1월까지 관찰된 5회의 클레이드 치환을 통해, 클레이드 뿌리로부터 스파이크(S) 유전자의 비동의 및 동의 유전적 거리에서 우세 변이와 소멸 변이 간의 정량화 가능한 이질성을, 점진적 또는 급격한 변화 여부에 따른 ‘새로움(novelty)’의 정도로 측정하여 포착하였다. 논의: 본 프레임워크는 비동의 및 동의 유전적 거리의 차등 가중치를 반영함으로써, 훈련 및 테스트 데이터셋 모두에서 치환 이전의 다음 클레이드 뿌리를 식별하는 데 높은 예측 가능성을 보였다(수신자 조작 특성 곡선 [AUROC] 아래 면적 > 0.90). 또한, 스파이크 유전자 데이터만을 단독으로 사용한 프레임워크는 완전 유전체를 사용하는 경우와 유사한 정확도를 나타냈다. 전반적으로, 본 접근법은 SARS-CoV-2 백신의 잠재적 업데이트를 식별하기 위한 정량화 가능한 분자 기준을 제시함으로써 선제적 팬데믹 대비에 기여한다.