Gun들지마의 Bioinformatics 생명정보학

이 글은 2017년 2월 Bioinformatics 저널에 실린 "Changes associated with Ebola virus adaptation to novel species"를 요약 및 번역한 것입니다.

에볼라 바이러스 (Ebola virus)는 원래 쥐 등의 설치류에게 전염되지는 않지만 유전자 변형으로 감염되어 질병을 일으킬 수 있습니다. 불과 몇년 전에 아프리카에 있었던 대규모의 발병은 수많은 희생자를 낳았습니다.

현재까지, 에볼라 바이러스는 5개의 종류로 구분이 됩니다. 이 중 4개는 (Ebola virus, Sudan virus, Bundibugyo virus, Tai forest virus) 인간을 숙주로 삼지만, 나머지 하나 (Reston virus)는 사람을 제외한 유인원에게 감염이 됩니다.

이러한 숙주의 특정성때문에, 과학자들은 바이러스에 유전자 변형을 일으켜서 쥐 등의 설치류에게 감염시키는 연구를 해왔고, 몇몇의 연구는 성공적으로 감염시킬 수 있었습니다.

이 논문은 그러한 성공적인 사례들을 종합하고 분석하여서, 어떠한 인자가 바이러스에게 새로운 숙주를 감염시킬 수 있는 능력을 가지게 하는지 조사했습니다. 특히 기니피그에게 감염시킨 유전자 변형 바이러스 세 종류 (Cross et al., 2015; Dowall et al., 2014; Vochkov et al., 2000)와 쥐에게 감연시킨 한 종류 (Ebihara et al., 2006)의 바이러스를 분석하였습니다.

이들을 종합한 결과, 단백질의 성질을 변화시키는 33개의 특정한 돌연변이를 발견할 수 있었습니다.

(사진 출처: Table 1. Pappalardo et al., Bioinformatics 2017) 세로줄은 돌연변이가 발견된 단백질의 종류이고, 가로줄은 각각 독립된 연구논문입니다. 숫자는 발견된 돌연변이의 수입니다.

NP: nucleoprotein, GP: glycoprotein, VP: viral protein

NP와 GP, 그리고 VP24의 돌연변이가 모든 바이러스에서 발견됩니다. 그리고 일부의 케이스에서 공통된 돌연변이도 발견할 수 있습니다. (L, VP35)

여기서 NP (nucleoprotein)은 VP30, VP35, L 등과 함께 바이러스의 복제 매커니즘을 담당하고 있습니다. NP는 또한 바이러스가 숙주의 면역체계에 의해 발견되지 못하게 하는 역할도 합니다. GP (glycoprotein)은 숙주세포에 바이러스가 침입할 수 있도록 도와줍니다. 

또한 VP24는 바이러스의 nucleocapsid를 형성하고, 바이러스의 복제를 돕고, 숙주의 면역전달을 막는 등의 역할을 합니다.

이러한 돌연변이들을 종합하여 본 결과, 바이러스가 유전자 변형을 일으켜서 새로운 숙주를 감염시키기 위해서는 아주 적은 수의 돌연변이로도 가능하다고 합니다. 특히, VP24에 일어난 돌연변이는 새로운 숙주 감염에 결정적인 역할을 함으로써, 단지 5개이하의 돌연변이 만으로도 전혀 다른 종의 생물을 감염시킬수 있게합니다.

결론적으로, 바이러스가 새로운 숙주를 감염시킬 수 있는 능력은 아주 쉽게 일어날 수 있으며 실제로 위에서 언급한 5가지 종류의 에볼라 바이러스에서 마지막인 Reston virus는 지금은 사람을 제외한 유인원만을 감염시킨다고 알려져있지만, 이 변종이 돼지에 감염되고 거기서 다시 사람에게 공기를 통하여 감염될 수도 있다는 연구가 나와있습니다.

만약 조금의 변형으로 이 바이러스가 인간과 밀접한 반려동물들, 즉 개나 고양이 혹은 가축들을 감염시킬 수 있게 된다면 그 여파는 걷잡을 수 없이 커질 것으로 보입니다.

사진출처: Science Magazine

타원형의 구체인 새의 알은 비슷비슷하게 생겼다 할지라도, 자세히 들여다보면 다 다르게 생겼습니다. 날씬하고 길쭉한 알도, 통통한 물방울 같이 생긴 알도, 그리고 동그란 탁구공 같이 생긴 알도 있지요.

이 알들의 생김새는 그 새의 종류에 따라 나뉘는데, 최신 Science Magazine의 기사에 따르면 새의 알들이 다 다르게 생긴 데에는 특별한 이유가 있다고 합니다.

프린스턴 대학교의 과학자인, Mary Stoddard는 항상 이것에 대한 의문을 품고 있었다고 합니다. 다행히도, 최근데 버클리의 한 박물관에서 1400 종의 새알을 디지털화 하였고, Mary Stoddard는 이 알들의 크기와, 지름, 모양을 측정하는 Eggxtractor 라는 프로그램을 만들어서 이 모양들에 대한 규칙성이 있는지를 조사하였습니다.

그 결과, 새알의 특정한 모양과 새의 비행능력에 밀접한 연관이 있다는 것을 발견하였습니다. 

예를 들어, 도요새나 바다오리 같은 비행능력이 뛰어난 새들은, 알의 모양이 좀더 비대칭이고 늘씬하다고 합니다. 반면에 하늘에 오랫동안 날지 않는 새들은 더 동그란 알을 낳고요.

그 이유는 더 오래 더 잘 나는 새들은 좀더 몸집이 작고 가벼워서 골반의 크기도 작기때문에 알의 모양이 길쭉할 수 밖에 없다고 결론을 내렸습니다. 어찌보면 당연한 이야기일지도 모르지만, 방대한 양의 디지털 데이터를 종합 및 분석하여서 의미있는 결론을 도출해 내는 생명정보학이 잘 이용된 결과라고 생각합니다.

이 글은 Science Magazine의 기사 원글을 편집 및 요약한 글입니다.

이 링크에서 아래와 같은 데이터 시각화의 예제를 감상하실 수 있습니다.

출처: https://www.youtube.com/watch?v=JhHMJCUmq28

양자 컴퓨터의 기본 원리를 제가 본 설명 중에는 가장 이해하기 쉽게 설명해 놓은 것 같습니다.

자막을 선택하시면 한글 자막도 나옵니다.

2016년 학계를 뜨겁게 달구었던 주제 중 하나는 지카바이러스가 아닐까 생각합니다.

지카 바이러스는 dengue, yellow fever, 일본뇌염, west nile virus 등과 마찬가지로 모기에 의해 전파되고 감염되는 바이러스의 한 종류 입니다. 그 이름은 바이러스가 처음 확인된 우간다의 지카숲에서 유래되었으며, 아프리카와 아시아를 거쳐서 남미에도 전파되어있습니다.

지카바이러스에 감염이 되면 대부분 미열을 동반한 감기 증상이 나타나는데, 일부의 경우 증상이 전혀 없을 수도 있어서 그 진단이 어렵습니다. 현재 활발한 연구가 되고 있지만, 아직까지는 이렇다할 치료제나 백신이 없는 상태이지만, 이 바이러스의 심각성은 감염자 자신보다는 감염자가 임신할 경우에 태아에게 소두증을 유발할 수가 있기 때문에 더욱더 위험합니다.

지카 바이러스에 관련하여 여러 재미있는 연구가 많이 진행되고 있지만, 바로 지난 달에 유전체 시퀀싱을 이용하여 지카 바이러스가 미국에 들어오게 된 경로 및 바이러스 유전체의 다양성을 파악하는 두 논문이 네이쳐에 실렸습니다.

첫번째 논문 (Faria et al., 2017) 은 MINION을 이용해서 주로 브라질의 환자에게서 얻은 샘플을 시퀀싱하여 지카 바이러스의 유전체를 조사 하였고, 두번째 논문 (Metsky et al., 2017)은 10개국의 환자와 모기에서 얻은 샘플을 일루미나 시퀀싱을 이용해서 유전체를 얻었습니다.

이렇게 얻은 유전체 데이터로 phylogenetic tree를 만들었고, 그 결과 과학자들은 브라질에서 캐러비안으로 전파된 바이러스가 플로리다를 통해 유입되었다는 결론을 유추해냈습니다.

사진출처: http://www.nature.com/nature/journal/v546/n7658/full/nature22495.html

그리고 이 연구로, 과학자들은 지카 바이러스가 플로리다에 적어도 4번의 독립적인 사건으로 전파 되었다고 결론내렸습니다.