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.

서울(SEOV)과 한탄(HTNV) 오르토한타바이러스는 신증후성 출혈열(hemorrhagic fever with renal syndrome)을 유발하는 주요 인수공통 감염 병원체이다. 본 연구에서는 L(large), M(medium), S(small) 유전자 분절의 완전한 유전체 염기서열을 이용하여 계통발생 및 생물정보학 분석을 수행함으로써 SEOV와 HTNV의 분자 진화 양상을 조사하였다. 유행하는 동물군 사이의 유사한 전파 주기와 임상 증상에도 불구하고, SEOV와 HTNV는 서로 다른 유전적 및 진화적 동역학을 보였다. 각 분절의 계통발생수는 일관되게 두 바이러스의 지리적 분포와 관련된 주요 유전 클레이드를 나타냈다. 특히 SEOV의 M 및 S 분절은 HTNV에 비해 더 높은 진화율을 보이며 유전적 다양성이 빠르게 증가하고 기원이 더 최근인 것으로 나타났다. 재조합 사건은 드물었으나, 두 바이러스 모두 유전적 교환에서 M 유전자 분절을 활용하는 것으로 보인다. SEOV는 L 또는 M 분절 간 재조합을 선호하는 반면, HTNV는 M 또는 S 분절 교환을 선호하였다. 두 바이러스 모두에서 세 유전자 분절 모두 정화선택(purifying selection)이 우세하였지만, SEOV는 당단백질 Gc의 세포외 도메인(ectodomain)에서 양성선택(positive selection)이 증가된 양상을 보였다. Gn의 말단에 위치한 양성 ‘리신 펜스(lysine fence)’(K77, K82, K231, K307, K310을 통한)와, M108–F334 상호작용을 통한 RGD 유사 모티프 주변의 물리적 안정성은 SEOV의 독특한 항원성 특성에 기여할 수 있을 것으로 사료된다. 전 세계적 확산의 증가와 SEOV가 공중보건에 미칠 잠재적 영향이 커짐에 따라, 본 연구는 백신 설계 및 공중보건 대비에 정보를 제공하기 위해 SEOV와 HTNV의 독특한 진화 양상 및 항원성 특성을 강조한다.

SARS-CoV-2 변이는 전 세계적으로 지속적으로 출현하였으며, 한국에서도 나타났다. 한국에서의 SARS-CoV-2 분자 진화 양상을 규명하기 위해 2022년 10월까지 수집된 12,000건 이상의 완전 유전체 서열을 이용하여 계통유전학 및 유전체 재조합 분석을 수행하였다. 한국에서의 변이는 전 세계적으로 확인된 우려 변이에서 기원하였고, 스파이크 단백질의 주로 N-말단 도메인(NTD) 또는 수용체 결합 도메인(RBD) 주변에 유전적 클레이드 공통 및 클레이드 특이 아미노산 변이를 보유하고 있었다. 주요 항원성 부위의 몇몇 점 돌연변이 잔기는 SARS-CoV-2의 유전적 클레이드가 변화하는 가운데서도 양성 선택 하에 지속적으로 나타났다. 또한 우리는 17개의 잠재적 유전체 재조합체를 확인하였고, 이들 중 76.4%(13/17)는 모자이크 NTD 또는 RBD 유전체를 유지하였다. 본 연구 결과는 스파이크에서의 점 돌연변이와 유전체 재조합이 한국에서의 SARS-CoV-2 분자 진화에 기여하였음을 시사하며, 이는 SARS-CoV-2에 대한 전 세계적 예방 및 통제 조치의 중요한 부분을 이룰 것이다.

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.

서울(SEOV)과 한탄(HTNV) 오르토한타바이러스는 신증후성 출혈열(hemorrhagic fever with renal syndrome)을 유발하는 주요 인수공통 감염 병원체이다. 본 연구에서는 L(large), M(medium), S(small) 유전자 분절의 완전한 유전체 염기서열을 이용하여 계통발생 및 생물정보학 분석을 수행함으로써 SEOV와 HTNV의 분자 진화 양상을 조사하였다. 유행하는 동물군 사이의 유사한 전파 주기와 임상 증상에도 불구하고, SEOV와 HTNV는 서로 다른 유전적 및 진화적 동역학을 보였다. 각 분절의 계통발생수는 일관되게 두 바이러스의 지리적 분포와 관련된 주요 유전 클레이드를 나타냈다. 특히 SEOV의 M 및 S 분절은 HTNV에 비해 더 높은 진화율을 보이며 유전적 다양성이 빠르게 증가하고 기원이 더 최근인 것으로 나타났다. 재조합 사건은 드물었으나, 두 바이러스 모두 유전적 교환에서 M 유전자 분절을 활용하는 것으로 보인다. SEOV는 L 또는 M 분절 간 재조합을 선호하는 반면, HTNV는 M 또는 S 분절 교환을 선호하였다. 두 바이러스 모두에서 세 유전자 분절 모두 정화선택(purifying selection)이 우세하였지만, SEOV는 당단백질 Gc의 세포외 도메인(ectodomain)에서 양성선택(positive selection)이 증가된 양상을 보였다. Gn의 말단에 위치한 양성 ‘리신 펜스(lysine fence)’(K77, K82, K231, K307, K310을 통한)와, M108–F334 상호작용을 통한 RGD 유사 모티프 주변의 물리적 안정성은 SEOV의 독특한 항원성 특성에 기여할 수 있을 것으로 사료된다. 전 세계적 확산의 증가와 SEOV가 공중보건에 미칠 잠재적 영향이 커짐에 따라, 본 연구는 백신 설계 및 공중보건 대비에 정보를 제공하기 위해 SEOV와 HTNV의 독특한 진화 양상 및 항원성 특성을 강조한다.

SARS-CoV-2 변이는 전 세계적으로 지속적으로 출현하였으며, 한국에서도 나타났다. 한국에서의 SARS-CoV-2 분자 진화 양상을 규명하기 위해 2022년 10월까지 수집된 12,000건 이상의 완전 유전체 서열을 이용하여 계통유전학 및 유전체 재조합 분석을 수행하였다. 한국에서의 변이는 전 세계적으로 확인된 우려 변이에서 기원하였고, 스파이크 단백질의 주로 N-말단 도메인(NTD) 또는 수용체 결합 도메인(RBD) 주변에 유전적 클레이드 공통 및 클레이드 특이 아미노산 변이를 보유하고 있었다. 주요 항원성 부위의 몇몇 점 돌연변이 잔기는 SARS-CoV-2의 유전적 클레이드가 변화하는 가운데서도 양성 선택 하에 지속적으로 나타났다. 또한 우리는 17개의 잠재적 유전체 재조합체를 확인하였고, 이들 중 76.4%(13/17)는 모자이크 NTD 또는 RBD 유전체를 유지하였다. 본 연구 결과는 스파이크에서의 점 돌연변이와 유전체 재조합이 한국에서의 SARS-CoV-2 분자 진화에 기여하였음을 시사하며, 이는 SARS-CoV-2에 대한 전 세계적 예방 및 통제 조치의 중요한 부분을 이룰 것이다.

고병원성 조류인플루엔자(HPAI) H5 바이러스는 전 세계적으로 순환하며 산발적인 사람 감염을 유발해 실질적인 팬데믹 위협을 초래해 왔다. 본 연구는 2000년 이후 전 세계에서 유통된 조류 및 사람에서 분리된 H5Nx 바이러스의 헤마글루티닌(HA)에 대해 분자 진화와 계통집단역학(phylodynamics)을 조사하였다. 우리는 조류 및 사람 유래 H5Nx 바이러스의 HA 서열에서 아미노산 치환의 동역학을 분석하고 계통학적 분석을 수행하였다. 본 연구에서는 H5Nx 계통이 2000년 이후 지배적으로 확장되었고, 고유한 유전 변이를 동반한 여러 하위 계통으로 분화되었음을 확인하였다. HA의 P185S 변이는 2.3.4.1부터 2.3.4.4(2.3.4.1-4)까지의 clade 전반에서 우세한 H5Nx 바이러스의 분자적 특징으로 자리 잡았다. 조류 유래 바이러스의 HA 유전자와 관련하여 사람에서 분리된 바이러스의 HA 유전자에서 핵심 변이인 ΔE130 및 I155T, 그리고 아미노산 잔기 128, 144 및 159에서의 잠재적 N-결합 당화는 H5 진화와 숙주 적응에 대해 개체 수준뿐 아니라 집단 수준에서도 기여했을 가능성이 있다. 분석 결과, clade 2.3.4.1-4의 HA 유전자에서 양성 선택을 받는 아미노산 자리의 이질성이 관찰되었다. HA 단백질에서 축적된 변이는 HPAI H5Nx 바이러스의 유전적 및 항원성 다양성에 영향을 미칠 뿐 아니라 NA 아형과의 기능적 적합성을 증가시킬 가능성도 있다. H5Nx 바이러스의 전 세계 확산과 지속적으로 발생하는 HA 변이를 고려할 때, 본 결과는 HA 변이의 조기 식별의 중요성과 더불어 팬데믹 대비 관점에서 H5Nx 변이체에 대한 종합적 평가의 필요성을 강조한다.

계통지리학적 추론(phylogeographic inference) 접근법은 시공간적 재구성을 시각화함으로써 유전체 데이터와 역학을 연결하여 병원체의 확산 및 진화를 이해하고자 한다. 출혈열-신증후군(hemorrhagic fever with renal syndrome, HFRS)의 원인 병원체인 한탄바이러스 한탄엔세(Orthohantavirus hantanense, HTNV)는 전 세계적인 중대한 공중보건 문제를 대표한다. 본 연구에서는 HTNV를 위한 국소화된 Nextstrain 플랫폼을 소개하며, 이는 시공간적 유전체 감시와 바이러스 유전체의 진화 역학(evolutionary dynamics) 연구를 촉진하기 위한 포괄적인 자원을 제공한다. Nextstrain은 고유한 웹 주소를 통해 그림 및 수치 데이터의 웹 기반 시각화와 간편한 공유를 가능하게 한다. HTNV에 대한 Nextstrain 구축본은 사용하기 쉬운 인터페이스를 갖추고 있으며 온라인에서 https://nextstrain.org/community/KU-MV/Hantavirus 로 즉시 접근할 수 있다. 본 연구는 풍토성 HFRS 유행에 대응하기 위한 공중보건 정책 개발을 위해 유전체 감시, 바이러스 계통동학(viral phylodynamics), 그리고 오르토한타바이러스의 진화적 역사에 관한 유용한 통찰을 제공한다.

공중보건의 통제와 치료를 제한하는 SARS-CoV-2의 진화는 숙주 내에서 함께 유통되는 균주의 재조합을 포함하여 여러 기전에 의해 발생한 것으로 보인다. 그러나 동시감염 후에는 충분한 실험 자료가 확보되지 않았다. 따라서 우리는 부모형 SARS-CoV-2 및 SARS-CoV-2 Delta와의 동시감염 후 변이의 출현을 조사하였다. 그 결과, 연속 계대배양 후 Calu-3 세포에서는 다른 세포들에 비해 축적된 돌연변이가 더 적었으며(약 50%), 이는 계대배양 기간과 관련하여 관찰되었다. 이전에 우리는 Calu-3 세포 유래 이종이식 종양을 SARS-CoV-2로 감염시켜 장기 복제 마우스 모델을 확립하였다. 본 연구에서는 이 모델을 활용하여 동시감염 후의 결과를 조사하였다. 세포 계대배양 중보다 종양에서는 더 다양한 바이러스 돌연변이와 함께 여러 고빈도 동시 돌연변이가 발견되었다. 종양에서 분리한 바이러스는 세포병리효과를 보이지 않았고, 훨씬 더 작은 플라크를 형성하였다. 계통발생학적 분석은 변이들의 유전적 구성은 SARS-CoV-2 Delta보다는 부모형 SARS-CoV-2와 대체로 동일하게 유지됨을 시사하였다. 바이러스 감염 도전 시험에서는 분리주가 부모형 SARS-CoV-2 및 SARS-CoV-2 Delta 균주보다 치명성이 낮은 것으로 나타났다. 이러한 결과는 동시감염 시 부모형 SARS-CoV-2가 SARS-CoV-2 Delta보다 우세하게 나타나지만, SARS-CoV-2 Delta가 재조합 없이 부모형 SARS-CoV-2 변이의 더 나은 숙주 적응을 향한 진화에 기여한다는 점을 시사한다.

우리는 폐암 이종이식 마우스(lung-cancer xenograft mice)를 이용하여 장기 SARS-CoV-2 감염 모델을 최근에 확립하였고, 장기 전파 동안 SARS-CoV-2 유전체에서 발생한 변이들을 확인하였다. 여기서 우리는 이전형(조상) SARS-CoV-2에 비해 전파력이 증가하고 면역 회피 능력이 향상된 SARS-CoV-2 델타(Delta) 변이에 본 모델을 적용하였다. 장기 전파 동안 SARS-CoV-2 델타에서 나타난 변이는 제한적이었으며, 여기에는 우점 변이 2가지가 포함되었다: 스파이크 단백질의 R682W와 뉴클레오캡시드 단백질의 L330W이다. 우리는 우점 변이와 일부 추가 변이를 모두 포함한 대표적인 2개 분리주 델타-10(Delta-10)과 델타-12(Delta-12)를 분석하였다. 델타-10과 델타-12는 배양 세포에서의 복제 능력이 SARS-CoV-2 델타에 비해 낮았으나, 델타-12는 K18-hACE2 마우스에서 SARS-CoV-2 델타 및 델타-10에 비해 더 높은 치명성을 보였다. 델타-12로 감염된 마우스에서는 더 높은 바이러스 역가, 폐에서의 더 심각한 조직병리 소견, 더 높은 케모카인 발현, 성상교세포 및 미세아교세포 활성화의 증가, 그리고 뇌에서의 광범위한 호중구 침윤이 관찰되었다. 뇌 조직의 출혈과 경미한 공포화(vacuolation) 또한 관찰되었으며, 이는 델타-12의 높은 치명성이 폐와 뇌의 병리와 연관되어 있음을 시사한다. 본 장기 감염 모델은 SARS-CoV-2 델타로부터 유래한 변이 바이러스를 제공할 수 있으며, 새로운 변이에서 나타날 수 있는 부상( emergent ) 변이들이 특성에 기여할 가능성에 대한 지식을 제공할 수 있다.

중증열-혈소판감소증후군(severe fever with thrombocytopenia syndrome, SFTS)은 동아시아에서 높은 사망률을 보이는 신종 진드기 매개 질환이다. 이 질환은 SFTS 바이러스(SFTSV)로 인해 발생하며, Dabie bandavirus라고도 알려져 있다. SFTSV는 L, M, S 분절로 이루어진 분절형 RNA 유전체를 가진다. 선행 연구에서는 SFTSV의 유전자형에 따라 바이러스 병원성이 달라질 수 있음을 시사했으나, 이러한 병원성 차이에 관여하는 핵심 바이러스 인자는 아직 알려져 있지 않다. 본 연구에서는 각각 F 및 B 유전자형에 속하는 한국의 두 분리주 간에 시험관 내 바이러스 증식과 생체 내 병원성에서 유의한 차이가 있음을 확인하였다. 두 바이러스 균주를 이용해 바이러스 재조합체를 생성함으로써, 바이러스 RNA 의존적 RNA 중합효소(RdRp)를 암호화하는 L 분절이 향상된 바이러스 증식과 병원성의 원인임을 입증하였다. 아미노산 서열 및 바이러스 증식률을 비교한 결과, RdRp의 표면에 존재하는 한 점 변이인 E251K가 향상된 바이러스 증식률과 생체 내 병원성에 대한 가장 중요한 결정인자임을 확인하였다. 이 변이의 효과는 역유전공학(reverse genetic engineering)을 통해 생성된 재조합 SFTSV를 사용하여 추가로 확인되었다. 따라서 본 연구 결과는 바이러스 복제효소 활성에 영향을 주는 자연 변이가 SFTSV의 바이러스 병원성에 유의하게 기여할 수 있음을 시사한다.