뉴클레오사이드와 뉴클레오타이드 역전사효소 억제제의 발견과 발전

3. HIV-1 역전사 효소

HIV-1 역전사효소(RT)는 HIV-1 바이러스 복제에 필수적인 효소이다. 이 효소는 비대칭적인 헤테로다이머(heterodimer) 구조를 가지며, p66과 p51이라는 두 개의 서로 다른 단백질 소단위체(subunit)로 구성된다.^[8][37] 더 큰 소단위체인 p66은 효소의 주요 활성을 나타내며^[8], 더 작은 소단위체인 p51은 구조적 안정성에 기여하는 것으로 여겨진다.^[8][37]

3. 1. 기능

• 뉴클레오사이드 억제제(NRTI): 세 번의 인산화 과정이 필요하다.
• 뉴클레오타이드 억제제(NtRTI): 이미 인산기 한 개를 가지고 있으므로 두 번의 인산화만 필요하다.^[39]

3. 2. 구조

• p66: 더 큰 소단위체로, 560개의 아미노산으로 구성되어 있다. 역전사효소(RT)의 모든 효소 활성, 즉 중합효소(polymerase) 활성과 리보핵산 분해효소 H(ribonuclease H) 활성을 담당하는 두 개의 활성 부위를 가지고 있다.^[8][37] p66의 중합효소 영역은 오른손 모양과 비슷하여 "손가락(fingers)", "엄지(thumb)", "연결(connection)", 그리고 "손바닥(palm)"이라는 네 개의 하위 도메인(subdomain)으로 나뉜다.^{[7][8][9][36][38]}
• p51: 더 작은 소단위체로, 440개의 아미노산으로 이루어져 있다. 주로 헤테로다이머 구조를 안정화시키는 역할을 하는 것으로 여겨지지만, tRNA 프라이머(primer)의 결합에도 관여할 가능성이 제기된다.^[8][37]

4. 뉴클레오사이드/뉴클레오타이드 역전사 효소 억제제 (NRTI/NtRTI) 작용 기전

뉴클레오사이드 역전사 효소 억제제(NRTI)와 뉴클레오타이드 역전사 효소 억제제(NtRTI)는 세포 내로 들어가기 위해 주로 수동 확산이나 운반체 매개 수송 방식을 이용한다. NRTI는 친수성이 높아 세포막 투과성이 제한적이므로 이 세포 진입 단계가 중요하다.^[35][6]

NRTI와 NtRTI는 체내에 존재하는 2'-디옥시뉴클레오사이드와 뉴클레오타이드의 유사체이다. 이들은 세포에 들어온 초기 형태로는 비활성 상태이며, 항바이러스 효과를 나타내기 위해 연속적인 인산화 과정을 거쳐 활성화되어야 한다.^[35][6] 뉴클레오사이드(NRTI)는 총 세 번의 인산화가 필요하고, 이미 인산기를 하나 가지고 있는 뉴클레오타이드(NtRTI)는 두 번의 인산화만 거치면 된다.^[39][10]

이 단계적인 활성화 과정은 세포 내에서 여러 효소들의 정교한 연쇄 반응을 통해 이루어진다.^[40][11] NRTI의 첫 번째 인산화는 전체 반응 속도를 결정하는 속도 결정 단계인 경우가 많으며, 주로 디옥시뉴클레오사이드 키네이스에 의해 촉매된다. 두 번째 인산기는 일인산 뉴클레오사이드 인산화효소(NMP kinase)가 붙여준다. 마지막 인산화 단계는 이인산 뉴클레오사이드 인산화효소(NDP kinase), 포스포글리세레이트 키나제, 피루브산 키네이스, 크레아틴 키네이스 등 다양한 효소들에 의해 촉매되어, 최종적으로 항바이러스 활성을 갖는 삼인산 유사체 형태로 전환된다.^[35][6]

활성화된 삼인산 형태의 NRTI/NtRTI는 바이러스의 역전사 효소가 새로운 DNA 가닥을 합성할 때 필요한 재료인 내인성 디옥시뉴클레오사이드 삼인산(dNTP)과 경쟁하여 DNA 사슬에 삽입된다.^[35][6] 하지만 일반적인 dNTP와 달리, NRTI/NtRTI는 디옥시리보스의 3번 탄소 위치에 수산기(-OH)가 없다.^[39][10][12] 이 3'-수산기는 DNA 사슬이 계속 길어지기 위해 다음 핵산과 5'→3' 방향으로 인산다이에스터 결합을 형성하는 데 필수적이다.^{[39][41][10][12]} 따라서 NRTI/NtRTI가 일단 DNA 사슬에 삽입되면, 3'-수산기의 부재로 인해 역전사 효소는 더 이상 DNA 사슬을 연장할 수 없게 된다. 즉, NRTI/NtRTI는 DNA 합성을 중단시키는 사슬 종결자(chain terminator) 역할을 함으로써 바이러스 증식을 억제한다.^{[39][41][10][12]} 예를 들어, 최초의 NRTI 중 하나인 지도부딘(AZT)은 원래의 뉴클레오사이드인 티미딘의 3' 수산기 대신 아자이드기가 붙어 있어, DNA 사슬에 결합하면 더 이상의 사슬 연장을 불가능하게 만든다.^[13][14]

5. 뉴클레오사이드/뉴클레오타이드 역전사 효소 억제제 (NRTI/NtRTI) 발견과 발전

1981년 여름 후천성 면역 결핍 증후군(AIDS)이 처음 보고되었고,^[1] 2년 뒤 AIDS의 병인으로 인체 면역 결핍 바이러스(HIV)가 확인되었다.^[2][3] HIV 발견 이후, 효과적인 항레트로바이러스 약물 개발과 HIV 연구는 큰 진전을 이루었다.^[3][4]

HIV 감염 치료를 위한 항레트로바이러스 약물은 크게 6가지 종류로 나뉜다. 이 중 HIV-1의 역전사효소를 표적으로 하는 뉴클레오사이드 및 뉴클레오타이드 역전사 효소 억제제(NRTI 및 NtRTI)는 항 HIV 약물 개발의 중요한 기반이 되었다.^[5] 최초로 시험관 내에서 항 HIV 활성을 보인 NRTI는 지도부딘이었다.^[6]

지도부딘이 1987년에 승인된 이후, 여러 NRTI와 하나의 뉴클레오타이드 역전사 효소 억제제(NtRTI)가 미국 식품의약국(FDA)의 승인을 받았다.^[6] FDA 승인을 받은 주요 NRTI/NtRTI는 다음과 같다.^[4][6]

NRTI와 NtRTI는 우리 몸에 원래 존재하는 내생적 2´-데옥시뉴클레오사이드 및 뉴클레오타이드와 유사한 구조를 가진다. 이 약물들은 세포 안으로 들어간 뒤 여러 단계의 인산화 과정을 거쳐 활성 형태로 전환되어야 항바이러스 효과를 나타낸다.^[6][10] 활성화된 약물은 HIV 역전사효소가 바이러스의 유전 물질인 DNA를 합성하는 과정에 끼어들어, DNA 사슬이 더 이상 길어지지 못하게 막는 '사슬 종결자' 역할을 함으로써 바이러스 증식을 억제한다.^[10][12] 각 약물의 구체적인 개발 과정과 작용 방식은 이어지는 하위 섹션에서 자세히 설명한다.

5. 1. HIV 치료를 향한 첫걸음 - 지도부딘

5. 2. 뉴클레오사이드 유사체들의 발전

5. 2. 1. 다이디옥시뉴클레오사이드(dideoxynucleoside)

'''표 1''' 화학적 구조 비교: 다이디옥시아데노신과 다이다노신

화학 물질	화학 구조
다이디옥시아데노신
다이다노신

다이디옥시뉴클레오사이드(dideoxynucleoside)는 당 고리에 2'-수산화기(hydroxyl group)와 3'-수산화기가 모두 없는 뉴클레오사이드 유사체이다.^[38] 지도부딘이 합성된 지 3년 후, 시카고의 제롬 호르위츠(Jerome Horwitz)와 그의 동료들은 현재 잘시타빈(Zalcitabine, ddC)으로 알려진 또 다른 다이디옥시뉴클레오사이드를 개발했다.^[45][16] 잘시타빈은 합성된 피리미딘 뉴클레오사이드 유사체로, 데옥시시티딘과 구조적으로 관련이 있으며 리보스 당의 3'-수산화기가 수소로 치환되어 있다.^[46][17] 잘시타빈은 1992년 6월 FDA으로부터 HIV-1 치료 효과를 인정받아 승인되었다.^{[32][47][3][18]}

2',3'-다이디옥시이노신(dideoxyinosine) 또는 다이다노신(Didanosine, ddI)은 체내에서 다이디옥시아데노신(dideoxyadenosine)으로 전환되는 약물로, 개발 역사가 길다.^[48][19] 1964년에 잘시타빈에 상응하는 아데노신 유사체인 다이디옥시아데노신이 합성되었으나, 신장 손상을 유발하는 문제가 있었다. 이 때문에 다이디옥시아데노신을 효소적 산화(enzymatic oxidation)시켜 다이다노신을 만들게 되었다(표 1 참조). 다이다노신은 신장 손상 없이 HIV에 효과적인 것으로 밝혀졌다.^[45][16] 다이다노신은 1991년 10월 FDA로부터 HIV-1 치료제로 승인받았다.^[47][9]

잘시타빈과 다이다노신은 모두 DNA 사슬 합성을 중단시키는 사슬 종결자(chain terminator)로서 항-HIV 치료제로 개발되었다. 그러나 두 약물 모두 선택성이 낮아 부작용을 일으키는 단점이 있다.^[43]

5. 2. 2. 추가 개발

'''표 2''' 화학 구조 비교:
잘시타빈과 라미부딘

잘시타빈	라미부딘
화학 구조

2',3'-디데옥시-3'-티아시티딘(라미부딘, 3TC)은 버나드 벨로에 의해 발견되었다. 라미부딘의 역사는 1970년대 중반, 버나드 벨로가 당 유도체(화학)를 연구하던 시기로 거슬러 올라간다. 라미부딘은 잘시타빈의 황 유사체로 개발되었다(표 2 참조).^[16] 처음에는 라세미 혼합물(BCH-189)로 합성되었으며, 분석 결과 BCH-189(2',3'-디데옥시-3'-티아시티딘)의 양성 및 음성 에난티오머 모두 HIV에 대해 체외 활성을 나타냈다. 라미부딘은 음성 에난티오머이며 피리미딘 뉴클레오사이드 유사체이다. 2'-데옥시시티딘의 리보스 고리 3' 탄소는 황 원자로 대체되었는데, 이는 양성 에난티오머보다 항 HIV 활성이 더 크고 독성이 적기 때문이다.^[16][20][21]

다음으로 2',3'-디데옥시-5-플루오로-3'-티아시티딘(엠트리시타빈, FTC)이 등장했는데, 이는 라미부딘의 구조적 상동계열이다. 구조적 차이점은 라미부딘의 염기 부분에 5-플루오로 변형이 있다는 것이다. 엠트리시타빈은 라미부딘과 여러 면에서 유사하며 HIV-1과 B형 간염 바이러스 모두에 대해 활성이 있다.^[21][29]

5. 2. 3. 탄소고리 뉴클레오사이드

'''표 3''' 화학 구조 비교: 다이디옥시아데노신, 다이다노신 및 아바카비르

	디데옥시아데노신	다이다노신	아바카비르
화학 구조		--

5. 2. 4. 비고리형 뉴클레오타이드 - 승인된 유일한 뉴클레오타이드 역전사효소 억제제

6. 뉴클레오사이드/뉴클레오타이드 역전사 효소 억제제 (NRTI/NtRTI) 저항성

HIV-1이 항바이러스 치료제에 지속적으로 노출되면서 약물 내성 바이러스가 나타나는 것은 피할 수 없는 결과이다.^[54][24] 약물 내성은 바이러스 감염 치료, 특히 HIV 치료에서 심각한 임상적 문제로 여겨진다.^[54][24] 현재까지 승인된 모든 뉴클레오사이드 역전사효소 억제제(NRTI)에서 저항성 돌연변이가 관찰되었다.^[55][25]

NRTI에 대한 약물 내성이 생기는 주요 기전은 두 가지로 밝혀졌다: NRTI가 DNA에 삽입되는 것을 방해하거나, 이미 삽입된 NRTI를 제거하는 것이다.^{[55][56][25][26]}

첫 번째 기전인 NRTI 삽입 방해는 역전사효소(RT)의 p66 서브도메인에서 돌연변이가 발생하여 일어난다.^[56][26] 이 돌연변이는 입체 장애를 유발하여 특정 약물(예: 라미부딘)이 효소의 활성 부위에 결합하여 DNA 사슬에 삽입되는 것을 막는다.^[56][26]

두 번째 기전은 이미 삽입된 NRTI를 제거하는 것이다. 저항성을 가진 RT 효소는 NRTI를 DNA 사슬에 일단 삽입한 후, 중합반응 단계를 역전시켜 삽입된 NRTI를 제거할 수 있다.^[56][26] 이 제거 과정에는 파이로인산염(pyrophosphate) 제공자가 필요하며, RT는 NRTI의 3' 프라이머 말단에 파이로인산염을 결합시켜 프라이머 DNA로부터 떼어낸다.^[56][26]

환자에게서 HIV-1 복제를 효과적으로 억제하고 약물 내성 바이러스의 출현을 최대한 늦추기 위해 여러 약물을 함께 사용하는 병용 요법이 사용된다.^[57][27] HAART(고강도 항레트로바이러스 치료법)는 NRTI, 뉴클레오타이드 역전사효소 억제제(NtRTI), 비뉴클레오사이드 역전사효소 억제제(NNRTI), 단백질분해효소 억제제 등 다양한 종류의 항바이러스 약물을 조합하여 사용한다.^[57][27]

7. 현재 개발 중인 뉴클레오사이드/뉴클레오타이드 역전사 효소 억제제 (NRTI/NtRTI)

최근 여러 뉴클레오사이드 역전사효소 억제제(NRTI) 및 뉴클레오타이드 역전사효소 억제제(NtRTI)가 임상시험부터 전임상 개발까지 다양한 단계에서 연구되고 있으며, 이는 기존 약물의 독성을 줄이고 내성 바이러스에 대한 효과를 높이며 HIV-1 치료를 단순화하기 위함이다.^{[35][55][58][6][25][28]}

이 외에도 여러 NRTI/NtRTI 후보 물질들이 미국 식품의약국(FDA)의 임상시험계획(IND, Investigational New Drug) 승인을 받았거나 다양한 임상 단계에 있으며, 이들은 새로운 치료제가 필요한 환자들에게 유용할 수 있는 약리학적 특징을 보여주고 있다.^{[35][51][58][6][29][9]}

7. 1. 개발 중인 약물 후보

• '''아프리시타빈''' (Apricitabine, ATC): 데옥시시티딘 유사체로, 라미부딘과 구조적으로 관련이 있으며 분자 내 산소와 황의 위치가 바뀌어 있다.^[21][50] 다른 NRTI에 비해 시험관 내에서의 활성은 다소 낮지만, NRTI에 내성을 가진 다양한 HIV-1 변종에 대해서도 효과를 유지한다는 장점이 있다. 아프리시타빈은 이전에 NRTI 치료 경험이 있는 환자들을 대상으로 한 임상 개발의 마지막 단계에 있다.^[6][35]

• '''엘부시타빈''' (Elvucitabine, L-d4FC): 데옥시시티딘 유사체이며, 지도부딘이나 라미부딘 등 여러 뉴클레오사이드 유사체에 내성을 보이는 HIV에 대해서도 효과가 있다.^[29][51] 이는 세포 내에서 약물의 활성 형태인 삼인산 대사 산물 농도가 매우 높게 유지될 수 있기 때문이다.^[6][35] 그러나 일부 환자에게서 골수 억제 부작용이 나타났고, 약물 투여 시작 후 이르면 이틀 만에 CD4+ 세포 수치가 감소하는 현상이 관찰되어 현재 임상 시험이 보류된 상태이다.^{[9][29][51][58]}

• '''암독소비르''' (Amdoxovir, DAPD): 생체이용률이 좋은 구아노신 유사체 NRTI 프로드러그이다.^{[6][29][9][35][51][58]} 세포 내에서 아데노신 탈아미노효소에 의해 디옥솔란 구아닌(DXG)으로 변환된다. 약물의 실제 활성 형태인 DXG-삼인산은 기존 형태인 DAPD-삼인산보다 더 강력한 효과를 나타낸다.^[29][51] 암독소비르는 현재 2상 임상 시험 단계에 있다.^{[9][23][53][58]}

• '''라시비르''' (Racivir, RCV): 엠트리시타빈(FTC)의 두 가지 광학 이성질체인 (-)-FTC와 (+)-FTC가 1:1로 섞인 라세미 혼합물이다. 라시비르는 경구 생체이용률이 우수하며 하루에 한 번만 복용하면 된다는 장점이 있다. 다른 NRTI와 병용 투여했을 때 유망한 항바이러스 효과를 보였으며, 현재 2상 임상 시험이 진행 중이다.^[6][29][9]

'''표 5''' 임상 개발 중인 여러 약물 후보

약물 후보	아프리시타빈	엘부시타빈	암독소비르	라시비르
화학 구조
개발 단계	임상 개발 마지막 단계	중단됨	2상	2상

이 외에도 더 많은 NRTI들이 개발 중에 있다. 개발사들이 미국 식품의약국(FDA)에 임상시험계획(IND) 신청서를 제출했거나 승인을 받았으며, 여러 임상 시험 단계에 있는 약물들이 있다. 개발 중인 일부 NRTI는 새로운 치료제가 필요한 환자들에게 유용할 수 있는 다양한 약리학적 특성을 보여주고 있다.^[6][29][9]

8. 같이 보기

• 항레트로바이러스 의약품
• CCR5 수용체 길항제의 발견과 발전
• 비뉴클레오사이드 역전사효소 억제제의 발견과 발전
• HIV 단백질분해효소 억제자의 발견과 발전
• 역전사효소 억제제
• 단백질분해효소 억제제
• 진입 억제제

참조

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_[2] 논문 The AIDS epidemic Considerations for the 21st Century
_[3] 논문 HIV and AIDS: 20 years of science https://zenodo.org/r[...]
_[4] 논문 Anti-HIV drugs: 25 compounds approved within 25 years after the discovery of HIV
_[5] 논문 HIV-1 reverse transcriptase connection subdomain mutations reduce template RNA degradation and enhance AZT excision
_[6] 논문 Nucleoside and nucleotide HIV reverse-transcriptase inhibitors: 25 years after zidovudine
_[7] 논문 Retroviral reverse transcriptases (other than those of HIV-1 and murine leukemia virus): A comparison of their molecular and biochemical properties
_[8] 논문 The search for potent, small molecule NNRTIs: A review
_[9] 논문 Reverse transcription of the HIV-1 pandemic
_[10] 논문 Primer unblocking by HIV-1 reverse transcritptase and resistance to nucleoside RT inhibitors
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