RNA 의존적 RNA 중합효소

3. 분포 및 기능

RdRp는 바이러스에서 매우 보존되어 있으며 텔로머라제와 관련이 있지만, 2009년 기준으로 그 이유는 여전히 풀리지 않은 질문이었다.^[4] 이러한 유사성으로 인해 바이러스 RdRp가 인간 텔로머라제의 조상일 것이라는 추측이 나왔다.^[5]

RdRp의 가장 유명한 예는 소아마비 바이러스에 있다. 바이러스 게놈은 RNA로 구성되어 있으며, 수용체 매개 세포내이입을 통해 세포에 들어간다. 거기에서 RNA는 상보적인 RNA 합성을 위한 주형 역할을 한다. 상보적인 가닥은 더 많은 숙주 세포를 감염시키기 위해 포장되어 세포에서 방출되는 새로운 바이러스 게놈 생산을 위한 주형 역할을 한다. 이 복제 방법의 장점은 DNA 단계가 복제를 복잡하게 만들지 않는다는 것이다. 단점은 '백업' DNA 사본을 사용할 수 없다는 것이다.^[6]

많은 RdRp가 막과 밀접하게 연결되어 연구하기 어렵다. 가장 잘 알려진 RdRp는 폴리오 바이러스 3Dpol, 수포성 구내염 바이러스 L,^[7] 및 C형 간염 바이러스 NS5B 단백질이다.

많은 진핵생물은 RNA 간섭에 관련된 RdRp를 가지고 있다. 이들은 마이크로RNA 및 siRNA를 증폭하고 작은 간섭 RNA를 프라이머로 사용하여 이중 가닥 RNA를 생성한다.^[8] 이러한 RdRp는 방어 메커니즘에 사용되며 RNA 바이러스에 의해 전용될 수 있다.^[9] 그들의 진화 역사는 주요 진핵생물 그룹의 분화보다 앞선다.^[10]

4. 구조

바이러스 RdRp는 일반적으로 '오른손' 모양의 구조를 가지며, 손가락(fingers), 손바닥(palm), 엄지(thumb)의 세 하위 도메인으로 구성된다.^[16] 이 중 손바닥 하위 도메인만이 역평행 베타 시트와 두 개의 알파 나선으로 구성되어 잘 보존되어 있다.^[16]

RdRp의 손바닥 하위 도메인은 세 개의 잘 보존된 서열 모티프 (A, B, C)로 구성된다.^[16] 모티프 A (D-x(4,5)-D)와 모티프 C (GDD)는 공간적으로 인접해 있으며, 이 모티프에 포함된 아스파르트산 잔기는 Mg²⁺ 및/또는 Mn²⁺ 결합에 관여하는 것으로 추정된다.^[17] 모티프 B의 아스파라긴 잔기는 dNTP 대신 리보뉴클레오시드 삼인산(rNTP)을 선택하여 DNA가 아닌 RNA 합성을 유도한다.^[17]

낮은 전체 서열 상동성을 가지더라도 RdRp의 촉매 중심 3D 구조는 보존되어 있으며, 여러 모티프에 의해 형성된 촉매 중심은 보존된 아미노산 잔기를 포함한다.

5. 복제 메커니즘

RNA 의존적 RNA 중합효소(RdRp)는 DNA 의존적 RNA 중합효소와는 다르게, RNA 주형 가닥에 상보적인 RNA 가닥을 합성하는 반응을 촉매한다. RNA 복제 과정은 다음과 같은 4단계 메커니즘으로 진행된다.^[11]

• 뉴클레오사이드 삼인산 (NTP) 결합: RdRp는 빈 활성 부위를 가지며, 이 부위에 주형 가닥의 뉴클레오타이드에 상보적인 NTP가 결합한다. 올바른 NTP가 결합하면 RdRp의 형태가 변한다.^[11]
• 활성 부위 폐쇄: 올바른 NTP 결합으로 시작된 형태 변화는 활성 부위 접근을 제한하고 촉매 작용이 가능한 상태를 만든다.^[11]
• 포스포다이에스터 결합 형성: 촉매 활성 상태에는 두 개의 Mg²⁺ 이온이 존재하며, 새로 합성되는 RNA 사슬 주변에 배열되어 기질 NTP가 포스파티딜 이동을 겪고 새로운 사슬과 포스포다이에스터 결합을 형성한다.^[12] 이 Mg²⁺ 이온이 없으면 활성 부위는 더 이상 촉매 작용을 안정적으로 유지할 수 없으며, RdRp 복합체는 열린 형태로 변경된다.^[12]
• 이동: 활성 부위가 열리면 RNA 주형 가닥이 RdRp 단백질 복합체를 통해 한 위치 이동하고, 주형에 다른 지정이 없는 한 새로운 NTP를 결합하여 사슬 신장을 계속한다.^[11]

5. 1. 센다이 바이러스의 내부 유전자 상호보완

6. RNA 간섭

진핵생물에서 RdRp는 RNA 간섭에 중요한 역할을 하며, 이는 siRNA가 mRNA에 결합하여 비활성화함으로써 유전자 발현을 억제하는 과정이다.^[36] 진핵생물 RdRp는 dsRNA가 존재할 때 활성화되며, 일부 동물에서는 소실되었지만, ''C. elegans'', ''P. tetraurelia''^[37]와 식물에서 발견되기 때문에 다른 RNAi 구성 요소보다 널리 분포되어 있지 않다.^[38] 이러한 dsRNA의 존재는 siRNA의 도입을 통해 RNA 전사의 시작을 준비함으로써 RdRp 및 RNAi 과정을 활성화시킨다.^[37] ''C. elegans''에서 si RNA는 RNA 간섭을 위해 표적이 된 mRNA와 함께 작용하여 더 많은 RdRp를 모집하여 더 많은 2차 si RNA를 합성하고 유전자 발현을 억제하는 RISC에 통합된다.^[39]

7. 항바이러스제 개발

RdRp는 진핵생물의 생존에 필수적인 기능이 아니므로 바이러스 병원체에 대한 약물 표적으로 사용될 수 있다. RdRp 기능을 억제하면 RNA 템플릿 가닥에서 새로운 RNA가 복제될 수 없지만 DNA 의존적 RNA 중합효소는 계속 기능한다.

C형 간염 및 COVID-19에 대한 일부 항바이러스제는 RdRp를 특별히 표적으로 한다. 여기에는 C형 간염에 대한 소포스부비르와 리바비린^[33], 그리고 COVID-19에 대한 FDA 승인 약물인 렘데시비르가 포함된다.

GS-441524 삼인산은 RdRp의 기질이지만 포유류 중합효소의 기질은 아니다. 이는 조기 사슬 종결 및 바이러스 복제의 억제를 초래한다. GS-441524 삼인산은 렘데시비르의 생물학적 활성 형태이다. 렘데시비르는 조기 또는 지연 종결을 통해 또는 RNA 폴리뉴클레오티드의 추가 연장을 방지하여, 신생 RNA의 종결을 공유 결합 방식으로 방해함으로써 RdRp 기능을 억제하는 뉴클레오티드 유사체로 분류된다.^[34][35] 이른 종결은 정상적인 세포 과정을 통해 분해되는 기능이 없는 RNA로 이어진다.

참조

_[1] 논문 Tentative identification of RNA-dependent RNA polymerases of dsRNA viruses and their relationship to positive strand RNA viral polymerases 1989-07
_[2] 논문 A reevaluation of the higher taxonomy of viruses based on RNA polymerases 1996-09
_[3] 논문 A New Ribonucleic Acid Polymerase Appearing after Mengovirus Infection of L-Cells 1963-10
_[4] 논문 Viruses in the sea 2005-09
_[5] 논문 Eukaryotic nuclear telomeres: molecular fossils of the RNP world? 1988-01
_[6] 서적 The Blind Watchmaker https://terebess.hu/[...] W.W. Norton&Company
_[7] 논문 Robust kinetics of an RNA virus: Transcription rates are set by genome levels 2015-08
_[8] 논문 Evolutionary connection between the catalytic subunits of DNA-dependent RNA polymerases and eukaryotic RNA-dependent RNA polymerases and the origin of RNA polymerases 2003-01
_[9] 논문 RNAi, a new therapeutic strategy against viral infection 2004-12
_[10] 논문 Evolution of the RNA-dependent RNA polymerase (RdRP) genes: duplications and possible losses before and after the divergence of major eukaryotic groups 2009-11
_[11] 논문 Visualizing the Nucleotide Addition Cycle of Viral RNA-Dependent RNA Polymerase 2018-01
_[12] 논문 Structural basis of viral RNA-dependent RNA polymerase catalysis and translocation 2016-07
_[13] 논문 RNA Dependent RNA Polymerases: Insights from Structure, Function and Evolution 2018-02
_[14] 논문 Mechanistic analysis of RNA synthesis by RNA-dependent RNA polymerase from two promoters reveals similarities to DNA-dependent RNA polymerase 1998-04
_[15] 논문 A speed-fidelity trade-off determines the mutation rate and virulence of an RNA virus 2018-06
_[16] 논문 Structure of the RNA-dependent RNA polymerase of poliovirus 1997-08
_[17] 논문 Poliovirus RNA-dependent RNA polymerase (3Dpol): structural, biochemical, and biological analysis of conserved structural motifs A and B 2000-08
_[18] 논문 Analysis of RNA-dependent RNA polymerase structure and function as guided by known polymerase structures and computer predictions of secondary structure 1998-12
_[19] 논문 The Extended "Two-Barrel" Polymerases Superfamily: Structure, Function and Evolution 2019-09
_[20] 논문 Evolution of multisubunit RNA polymerases in the three domains of life 2011-02
_[21] 논문 Single-peptide DNA-dependent RNA polymerase homologous to multi-subunit RNA polymerase 2017-06
_[22] 논문 Recombinant dengue type 1 virus NS5 protein expressed in Escherichia coli exhibits RNA-dependent RNA polymerase activity 1996-02
_[23] 논문 The phylogeny of RNA-dependent RNA polymerases of positive-strand RNA viruses 1991-09
_[24] 논문 Birnavirus VP1 proteins form a distinct subgroup of RNA-dependent RNA polymerases lacking a GDD motif 2002-05
_[25] 웹사이트 Structural Similarities for the Entities in PDB 5A22 https://www.rcsb.org[...] 2019-04-03
_[26] 논문 Structural Insights into Bunyavirus Replication and Its Regulation by the vRNA Promoter 2015-06
_[27] 논문 Origins and Evolution of the Global RNA Virome 2018-11
_[28] 논문 Evolution of tertiary structure of viral RNA dependent polymerases 2014
_[29] 논문 The mechanism of RNA recombination in poliovirus 1986-11
_[30] 논문 Biochemical and genetic analysis of the role of the viral polymerase in enterovirus recombination 2016-08
_[31] 논문 Mechanism of RNA recombination in carmo- and tombusviruses: evidence for template switching by the RNA-dependent RNA polymerase in vitro 2003-11
_[32] 논문 Intragenic complementation and oligomerization of the L subunit of the sendai virus RNA polymerase 2002-12
_[33] 논문 RNA dependent RNA polymerase of HCV: a potential target for the development of antiviral drugs 2013-03
_[34] 논문 Structural basis for inhibition of the RNA-dependent RNA polymerase from SARS-CoV-2 by remdesivir 2020-06
_[35] 논문 Remdesivir against COVID-19 and Other Viral Diseases 2020-12
_[36] 논문 Hemodynamic effects of aerosol propellants. II. Pulmonary circulation in the dog 1975-11
_[37] 논문 Distinct RNA-dependent RNA polymerases are required for RNAi triggered by double-stranded RNA versus truncated transgenes in Paramecium tetraurelia 2010-07
_[38] 논문 The Functions of RNA-Dependent RNA Polymerases in Arabidopsis 2011-07
_[39] 논문 New insights into siRNA amplification and RNAi 2012-08
_[40] 논문 Molecular basis for ubiquitin and ISG15 cross-reactivity in viral ovarian tumor domains 2011-02
_[41] 논문 Tentative identification of RNA-dependent RNA polymerases of dsRNA viruses and their relationship to positive strand RNA viral polymerases 1989-07
_[42] 논문 A reevaluation of the higher taxonomy of viruses based on RNA polymerases 1996-09
_[43] 문서 ただし、ウイルス粒子内にこの酵素を持つかどうかはウイルスのクラスによって異なる。具体的には二本鎖RNAをゲノムとして持つウイルスとマイナス鎖RNAをゲノムとして持つウイルスがこの酵素をウイルス粒子内に持つ一方、プラス鎖RNAをゲノムとして持つウイルスはウイルス粒子内にはこの酵素を含まない。
_[44] 논문 Assembly, purification, and pre-steady-state kinetic analysis of active RNA-dependent RNA polymerase elongation complex 2012
_[45] 논문 De novo initiation of viral RNA-dependent RNA synthesis 2001-09
_[46] 논문 Evolutionary connection between the catalytic subunits of DNA-dependent RNA polymerases and eukaryotic RNA-dependent RNA polymerases and the origin of RNA polymerases 2003-01
_[47] 논문 Viruses in the sea 2005-09
_[48] 논문 Structure of the RNA-dependent RNA polymerase of poliovirus 1997-08
_[49] 논문 Poliovirus RNA-dependent RNA polymerase (3Dpol): structural, biochemical, and biological analysis of conserved structural motifs A and B 2000-08
_[50] 논문 Analysis of RNA-dependent RNA polymerase structure and function as guided by known polymerase structures and computer predictions of secondary structure 1998-12
_[51] 논문 RNA-dependent DNA polymerases 2008-10
_[52] 논문 Viruses in the sea. 2005