단백질 구조의 상동성 탐색을 통한 SARS-CoV-2의 NSP11 기능 예측

Abstract

서론 : 전세계적인 전염병을 발생시킨 SARS-CoV-2(코로나바이러스-2)에 대한 항바이러스제 연구는 대부분 바이러스 단백질을 항원으로 하여 설계되고 있다. 바이러스 단백질에 대한 구조와 기능을 확실하게 밝히게 된다면 좀 더 효율적으로 항바이러스제에 대한 접근을 할 수 있게 된다. SARS-CoV-2는 총 16개의 NSP를 가지고 있다. 이 단백질들은 대부분 SARS-CoV-2 생활사에서 유전체의 복제에 관련되는 효소나 전사인자의 역할을 하기 때문에 매우 중요하다. 이 중 NSP2와 NSP11은 아직 기능이 완전히 밝혀지지 않았다. 그나마 NSP2의 경우는 상동성 검색을 통해 기능을 예측하는 연구가 진행되어 발표가 된 상황이다. 하지만 NSP11은 매우 작은 크기의 단백질이므로 서열정보를 이용해 구조를 예측하기가 어렵다. 이러한 특성 탓에 기존 연구에서는 NSP11의 기능이나 구조를 예측한 자료를 구하기 어렵다. 본 연구에서는, 생물정보학적인 방법으로 상동성 탐색을 통해 NSP11 복합체의 기능과 구조를 예측할 것이다. 그렇게 된다면 NSP11에 대한 기존 연구의 한계점이나, NSP11에 대한 자료의 부족함을 극복할 수 있을 것이라 기대된다.

방법 : SARS-CoV-2바이러스의 cDNA 아미노산 서열은 ncbi 웹 포털에서 구하여 연구과정에 사용했다. PSI-BLAST를 통해서 NSP11과 가장 유사한 구조를 가진 상동체를 선정했다. 그 이후, 바이오그리드 데이터베이스를 이용하여 NSP11과 상호작용하는 단백질 목록을 획득했다. Cn3D 소프트웨어를 사용하여 NSP11의 상동체와 NSP11과 상호작용하는 단백질들의 일치하는 영역을 확인했다. 그리고 일치하는 영역의 염기 서열을 확보하고, 공유하는 배위자 종류를 확인했다. 그 후 SWISS-MODEL 소프트웨어를 사용하여 NSP11 그리고 상호작용하는 단백질들과의 복합체 구조를 예상했다. 예측한 복합체의 구조와 가장 유사한 상동체를 최종적으로 선정했다. 선정한 복합체의 상동체와 배위자를 이용하여 NSP11의 기능을 예측했다. 타당성을 검증하기위해 실제 기능이 밝혀진 NSP13의 기능을 동일한 방식으로 예측했다.

결론 : NSP11-TBCA 복합체의 구조를 예측하고 이와 가장 유사한 상동체로 Secreted protein EsxB를 선정했다. 복합체는 선정된 상동체와 유사한 기능을 할 확률이 매우 높다고 판단했다. 상동체의 주요 기능을 참고하여 유전체 번역의 부산물들과 복제산물들이 지질막소낭으로 둘러싸여 세포 내에서 이동할 때, 안정적으로 이동하는 것에 관여하는 기능을 가질 것으로 예측했다. 동시에 이온의 분포 밀도에 관여하여 면역 회피의 기능을 가질 것으로도 예측했다. 2차적으로 ARCT3, MYO6, MYO1b 등과 복합체를 이루어서 기능할 것으로 예상되며 Myosin7과 비슷한 역할을 할 것으로 예측했다. 구조를 통해 확인한 ADP, 마그네슘 이온을 배위자로 사용하여 운동성을 가져갈 수 있는 동력원으로 사용할 것으로 예측했다. 최종적으로 NSP11은 1차적으로 복합체를 이루어 물질 수송의 막 안정성에 기여함과 동시에, 2차적으로 막수송에 운동성을 부여하는 역할을 할 것이라 예측했다.

주요어 : BLAST, 아미노산 서열, 상동성, 단백질 구조, SWISS-MODEL, SARS-CoV-2, 바이러스 학 번 : 2018-24970

Introduction: Most antiviral studies of SARS-CoV-2 (coronavirus-2), which caused a global pandemic, are designed with viral proteins as antigens. Once the structure and function of viral proteins is clearly identified, they will have more efficient access to antiviral drugs. SARS-CoV-2 has a total of 16 NSPs. Most of these proteins are very important because they serve as enzymes or transcription factors involved in the replication of genes in SARS-CoV-2 lifestyles. Of these, NSP2 and NSP11 are not fully functional yet. However, in the case of NSP2, research was conducted to predict functions through homogeneity search. However, NSP11 is a very small protein, making it difficult to predict its structure using sequencing information. Due to these characteristics, it is difficult to obtain data predicting the function or structure of NSP11 in existing studies. In this work, we will predict the function and structure of the NSP11 complex through homogeneity exploration in a biological information method. This is expected to overcome the limitations of existing research on NSP11, or the lack of data on NSP11.

Method: The cDNA amino acid sequence of SARS-CoV-2 viruses was obtained from the ncbi web portal and used in the research process. The PSI-BLAST selected homologous bodies with the most similar structure to NSP11. Subsequently, the biogrid database was used to obtain a list of proteins that interact with NSP11. Using Cn3D software, we identified the homologous regions of NSP11 and the corresponding regions of proteins interacting with NSP11. It also identified the types of ligands it shares and secured the sequence of matching areas. Subsequently, the SWISS-MODEL software was used to anticipate a complex structure with NSP11 and interacting proteins. The homologous bodies most similar to the structure of the predicted complex were finally selected. The functionality of NSP11 was predicted using homologous bodies and ligands of selected complexes. To verify feasibility, we predicted the functionality of NSP13 in the same way that the actual functionality was revealed.

Conclusion: We predict the structure of the NSP11-TBCA complex and select Secreted protein EsxB as the most similar homologous. The complex was very likely to function similar to the selected homologous body. With reference to the main functions of homologous bodies, it is predicted that by-products and cloned products of dielectric translation will have the function of being involved in stable movement when moving within cells surrounded by lipid membranes. At the same time, we also predicted that it would have the function of immunodeficiency by being involved in the distribution density of ions. It is expected to function as a complex with ARCT3, MYO6, MYO1b, etc., and will play a similar role as Myosin7. It is predicted that ADP and magnesium ions, which were identified through structure, will be used as power sources to take motility. Finally, NSP11 predicted that it would form a primary complex, contributing to the membrane stability of material transport, while secondaryly providing motility to membrane transport.

Key words: BLAST, amino acid sequence, homogeneity, protein structure, SWISS-MODEL, SARS-CoV-2, virus Student Number: 2018-24970