전장 유전자 정보 기반 SARS-CoV-2 항원성 변이 예측 시스템 개발 및 HTS 기반 에피토프 특이적 항바이러스 후보물질 발굴

초록

본 연구는 2022년부터 2024년까지 SARS-CoV-2의 항원성 변이 예측 시스템 개발 및 항바이러스 후보물질 발굴을 목표로 수행된 5가지 주요 목표를 중심으로 수행되었다. 첫 번째는 SARS-CoV-2 유전자 다양성 및 진화 분석이었다. 해당 분석은 국내외 바이러스 전장 유전자를 수집, 유전자 다양성과 진화 결정 부위를 분석하였다. Spike 유전자는 지속적인 변이 누적과 유전자 재조합을 통해 바이러스간 변별력이 높은 부위로 확인되었으며, 특히 Omicron 변이주 출현 이후 항원성이 기존 바이러스와 크게 달라졌음을 발견하였다. 더불어 Positive selection markers 확인을 통해서도, Spike 유전자가 항원성 변이 예측에 핵심적인 유전체임을 확인하였다. 두 번째는 SARS-CoV-2 항혈청 제작 및 검증이었다. 현재 시리안 햄스터 동물모델에서 주요 변이주에 대한 항혈청을 제작하고, Spike 유전자 변이가 항원성 차이에 미치는 영향을 검증하였다. Wuhan 주부터 XBB.1.5와 JB.1 변이주의 Spike 유전자를 포함한 17개 변이주의 Pseudovirus 제작을 수행한 생태이며, 향후 시리안 햄스터를 활용, 중화반응 실험과 항체 지도 작성이 예정되어있다. 세 번째는 진화 예측 통계모델 구축이다. Spike 유전정보를 활용한 통계 모델로 주요 Clade 전환을 예측하였다. Antigenic cartography와 Bayesian 방법론을 통해 주요 Clade의 유전자 및 항원 거리 변화를 분석하였으며, Clade 전환 이전에 나타나는 우세주의 유전적 특성을 기반으로 차기 Clade 기원주를 예측하였다. 2024~25년 Clade 전환 가능성이 높은 변이주는 KP.3.1.1과 LB.1.3.1로 제시하였다. 네 번째는 장기감염 유래 바이러스 분석이다. 장기감염 환자에서 발견된 바이러스의 유전자 변이를 분석하여 변이주 생산의 중요한 역할을 확인하였다. 특히 ORF1ab와 Spike 유전자의 변이를 주로 확인했지만, 낮아진 위험도로 장기감염환자가 줄면서 추가 정보 수집은 어려웠다. 하지만 현재 전세계적으로 데이터베이스 운용을 통해 중요정보를 공유하는 것을 확인하였다. 마지막으로 에피토프 분석 및 항바이러스 후보물질 발굴이다. SARS-CoV-2에 유전자 변이가 낮은부위에 초점을 맞춰 siRNA 기반 항바이러스 후보물질을 개발하였다. In-silico부터 In-vitro, In-vivo 실험을 거쳐 24개의 siRNA를 설계하고, 그중 UTR-1, RdRp-2, nsp14-2가 XBB1.5 감염시 바이러스 복제를 억제하는 데 유의미한 효과를 보였다. 이 결과는 siRNA 기반 치료제의 가능성을 확인하였다. 위 연구 결과로 SARS-CoV-2 변이 예측 및 치료제 개발에 대한 주요 정보를 제공하였으며 지속적인 변이 추적을 통해 변이주에도 효력이 높은 항바이러스제 개발에 대한 가능성을 제시하였다.

The present study aimed to develop a system to predict antigenic variations of SARS-CoV-2 and identifying antiviral candidate substances between 2022 and 2024. First of all, we investigated the SARS-CoV-2 genetic diversity and evolution. Genetic diversity and evolutionary determinants were analyzed by collecting complete viral genome sequences from domestic and international sources. The Spike gene was identified as a highly distinctive region due to its continuous accumulation of mutations and genetic recombination. Notably, the emergence of the Omicron variant marked a significant antigenic shift compared to earlier strains. Positive selection markers also confirmed the critical role of the Spike gene in predicting antigenic variations. Second, we performed the production and validation of SARS-CoV-2 Antisera. Antisera against major variants were produced in Syrian hamster animal models. The antigenic impact of mutations in the Spike gene was verified through these antisera. Additionally, pseudoviruses representing 17 variants, from the Wuhan strain to XBB.1.5 and JB.1, were constructed. Future experiments will utilize Syrian hamster models to perform antibody response assessments and generate neutralizing antibody maps. Third, we developed statistical model to predict the dominant strain before the clade replacement. The present study used the spike gene sequences to predict dominant strains which could be a clade root after the major clade replacement. We found the nonsynonymous and synonymous genetic distances from clade root were related with antigenic distance and dominant strain prediction. Based on the genetic characteristics, the potent dominant strain before the 2024 2025 clade replacement would – be either KP.3.1.1 or LB.1.3.1. Fourth, our study focused on genetic mutation from Long-Term SARS-CoV-2 Infection patients. we found that genetic mutations in viruses was possibly derived from long-term infection cases. While mutations were mainly observed in ORF1ab and Spike genes, the declining number of long-term infection cases has limited additional data collection. However, global database efforts continue to facilitate the sharing of critical information. Lastly, we performed epitope analysis and antiviral candidate discovery. Antiviral candidate substances based on siRNA were developed, focusing on genomic regions with low mutation rates. Through in-silico, in-vitro, and in-vivo experiments, UTR-1, RdRp-2, and nsp14-2 targeted siRNA showed significant efficacy in inhibiting viral replication in XBB.1.5 infections, demonstrating the potential for siRNA-based therapeutic development. These findings shared the insight of SARS-CoV-2 evolution, character of major variant and therapeutic development, highlighting the potential for creating broadly effective antiviral agents through continuous monitoring of emerging variants.