Abstract

Prevalence and genetic analysis of Middle East respiratory syndrome coronavirus

Kim Jeong-Min, Chung Yoon-Seok, Kang Chun
Division of Viral Disease, Center for Laboratory Control of Infectious Diseases, KCDC
Yang Jeong-Sun, Lee Joo-Yeon
Division of Emerging Infectious Disease and Vector Research, Center for Infectious Diseases Research, KNIH, KCDC

Background: Middle East respiratory syndrome coronavirus (MERS-CoV) causes severe respiratory diseases such as pneumonia in humans and confers high mortality worldwide. In Korea, a total of 186 infected cases and 38 deaths (20.4%) were reported in 2015. Although genetic factors related to human infection or species-to-species transmission have been reported, they remain unclear and emerging variants are possible. Of its genes, the spike (S) gene plays important roles by binding to cellular receptors and inducing host-neutralizing antibodies, and it is related with viral evolution. Therefore, the epidemiological events need to be monitored and the virological characteristics need to be investigated.
Methodology: As the occurrence of MERS-CoV has been consistently reported in the Middle East, the surveillance system and related research must be strengthened. For this purpose, we intended to analyze the genetic characteristics of Korean MERS-CoV.
Results: Complete sequences of the Korean MERS-Cov strain (MERS-CoV/KOR/KNIH/001_2_2015, KT326819) were compared with those of prototype EMC (JX869069) and Kingdom of Saudi Arabia isolates (KX154686, MG011351, MG011352, MG011360) in 2016 and 2017. The I529T variation in the receptor-binding domain (RBD) was found only in the KT326819 virus, but not at the residue that was bound to the receptor. Several variations including those in the external region of the RBD were also observed in the Korean isolate.
Conclusion: Further investigations are needed to determine whether these substitutions may affect biological characteristics including receptor-binding affinity to human DPP4 receptors and pathogenicity.

Keywords: Middle East respiratory syndrome coronavirus (MERS-CoV), Respiratory disease, Genetic factors, Prototype, Receptor-binding domain


들어가는 말


2012년 9월 중동 지역에서 최초로 발생한 중동호흡기증후군 코로나바이러스(Middle East respiratory syndrome coronavirus, MERS-CoV, 메르스바이러스)는 현재 27개국에서 2,189명의 감염자와 782명의 사망자(치사율, 약 36%)를 초래하는(WHO, ‘18. 4. 20. 기준) 고위험 병원체이다[1](Figure 1). 우리나라에서는 2015년 5월, 중동 여행객으로부터 첫 감염 사례가 발생한 이후, 병원을 기반으로 빠르게 확산되어 종결될 때까지 186명의 확진 환자와 38명의 사망자(사망율 20.4%)가 발생한 바 있다[2].
메르스 바이러스는 코로나비리데 과(Coronaviridae family), 베타 코로나바이러스 속(β-coronavirus genus)에 포함되며, 양성(Positive sense) 단일가닥 RNA를 유전자로 갖는다. 유전자는 바이러스 비리온을 만드는 4개의 구조단백질(Spike, Envelope, Matrix, Nucleocapsid) 발현 ORF(Open reading frame)와 7개의 비구조단백질 발현 ORF(ORF1a, 1ab, 3, 4a, 4b, 5, 8b)로 구성된 총 11개의 ORF로 구성되어있다[3]. 유전학적으로는 2003년 전 세계적으로 총 8,098명 확진자와 774명의 사망자를 발생한 중증급성호흡기증후군(Severe acute respiratory syndrome, SARS, 사스코로나바이러스) 병원체인 사스코로나바이러스와 밀접한 관계를 갖고 있다[4,5]. 메르스 바이러스 spike 단백질은 사람의 DPP4(Dipeptidyl peptidase 4) 수용체와 결합하여 세포내 감염을 가능하게 하고, 중화 항체를 형성할 뿐만 아니라 바이러스의 유전적 진화와 관련 있다고 알려져 있다[3,6]. 중동 지역과 국내에서의 메르스 유행을 토대로 동물(낙타)과 사람 간 전파(Camel to human), 사람 간 감염(Human to human), 또한 주요 전파 방법으로 병원 내 감염 등이 제시되고 있다[7-9]. 메르스 바이러스 감염에 의해 경증 호흡기 증상부터 폐렴과 같은 중증 하기도 호흡기 감염증이 유발된다고 알려져 있다[3,7].
이 글에서는 사우디아라비아에서 시작되어 중동, 아시아, 미주 등 27개국으로 확산되어 현재까지 중동 지역에서 지속적으로 발생되고 있는 메르스 바이러스에 의한 인체감염 발생 동향을 파악하고 국내 및 중동 지역에서 분리된 메르스 임상 분리주에 대한 유전자 정보를 비교 분석하였다. 이를 통하여 국내 메르스 백신과 치료제 개발, 인체감염 관리 및 예방 대책 수립에 필요한 기초 자료를 제공하고자 한다.


몸 말


세계보건기구에서는 2012년 6월 처음 발생한 이후 현재까지 메르스 인체감염이 보고되고 있는 사우디아라비아의 발생 현황에 대한 분석 자료를 발표하였다. 이 보고에 의하면 현재까지 27개국에서 2,189명의 감염자 중 확진환자는 총 1,814명(82.9%)으로, 발생 초기에는 감염 경로에 대한 분석 자료 미흡으로 낙타로부터 감염되는 1차 감염보다는 병원 또는 직접적인 접촉에 따른 2차 감염 환자 수가 우세하였다. 감염자 수는 2014년에 최고치를 보였다가 이후 감소 추세를 나타내었다. 또한, 감염 원인을 모르는 감염 사례도 2014년부터 2015년까지는 증가하였으나, 현재는 발생 건수가 감소되었을 뿐만 아니라 감염 원인이 확인되지 않은 환자 수도 줄었다(Table 1). 특히, 연령별 분포를 보면, 확진 환자는 전 연령대에서 보고되지만, 사망자는 면역력이 저하된 50세 이상의 노년층이 대부분이고, 여성보다는 남성에서 감염률이 높았다. 낙타와 접촉에 의한 직접 노출에 의해 감염되는 1차 감염 환자와 환자가 입원한 병원 및 접촉에 의해 발생하는 2차 감염 환자 비율은 초기에는 유사하였으나, 최근에는 2차 감염률이 감소하는 추세이다[1]. 메르스 바이러스 유전자 특성 분석을 위하여 국내 임상분리주의 전장 유전자 염기서열(MERS-CoV/KOR/ KNIH/001_2_2015, KT326819)을 메르스 최초 분리주(hCoV-EMC, JX869069) 및 2016-2017년도 사사우디아라비아 분리주(KX154686, MG011351, MG011352, MG011360)의 유전자 정보와 비교하였다. 바이러스 유전자 분석은 CLC Main Workbench 7.6.4를 이용하여 다중염기서열(Multiple sequence alignment, MSA) 분석법으로 메르스 바이러스의 전장 유전자 염기서열 및 아미노산의 상동성 및 변이를 분석하였다.
그 결과, 국내 분리주는 최초 분리주 및 사우디아라비아 분리주의 전장 염기서열은 97.4%에서 100%, 아미노산은 96.1%에서 100%의 상동성을 나타내었다. 그 중에서도 바이러스 입자의 외측에 있는 단백질을 발현하는 E 유전자는 모든 바이러스에서 100% 동일한 것으로 확인되었다(Table 2).
또한, 메르스 바이러스 총 11개의 ORF 유전자 중 사람 DPP4 세포 수용체와 결합하여 바이러스가 숙주세포 내로 침투하는데 관여하는 Spike 단백질을 코딩하는 S 유전자를 비교한 결과, 전체적으로 S1 위치에서 3개, S2 위치에서 4개 등 총 7개의 염기서열 변이가 확인되었다. 특히, 세포 수용체와 결합하는 위치로 알려진 Receptor binding domain(RBD)의 529번 아미노산은 최초 분리주 및 사우디아라비아 분리주는 T(I)이나, 국내 분리주에서는 C(T)로 나타났다(Table 3).


맺는 말


최근 들어 조류인플루엔자, 신종플루, SARS 및 MERS 등 신·변종 바이러스에 의한 감염병이 지속적으로 발생하고 있다. 전 세계적으로 기후 변화 및 해외여행 증가 등으로 신·변종 감염병 발생은 매우 빠르게 전파되는 양상을 보이고 있다. 그 일례로, 2009년 당시 해외에서 유입되어 국내에서 유행한 신종플루 확진 환자가 약 75만 명이였으며, 214개국으로 확산되는 속도가 기존 보고된 예상 속도 보다 4배 이상 빠른 것으로 확인되었다[10].
메르스 또한 신종감염병으로 현재까지 27개국에서 확진 환자가 발생하였으며 높은 사망률로 인해서 전 세계적으로 적극 대응해야 하는 감염 질환으로 인식되고 있다. 우리나라는 2015년 5월 말 중동 지역으로 출장 후 입국한 사람에게서 최초로 확진되었으며 진단 및 치료를 받은 여러 병원을 중심으로 빠르게 유행하였다. 고병원성 신종감염병으로 인한 공중보건위기 대응의 일환으로 메르스 치료제 및 백신 개발 연구 중요성이 부각됨에 따라 우리나라를 포함한 여러 국가에서 관련 연구를 수행하고 있다.
국내 메르스 바이러스의 특성을 파악하기 위하여 2015년 국내 분리주와 국외 바이러스간의 유전자와 아미노산 서열을 비교한 결과, 국내 유행주 ORF3 유전자는 최초 분리주와 약 4% 차이를 보이지만 다른 유전자들에서는 99% 이상 유사한 것으로 나타났다. 바이러스 입자 형성 유도 및 외막 구성 요소인 외피(Envelope) 단백질을 발현하는 E 유전자는 변이가 없어 바이러스 감염 전파에 있어서 중요한 역할을 하는 것으로 추정된다. S 유전자에서는 RBD 부위의 529번 아미노산 변이를 포함하여 일부 변이가 확인되었으나, 유전자 수준에서의 변이 분석만으로는 바이러스의 병원성이나 인체감염과의 연관성을 단정하기는 어렵다. 따라서 바이러스 감염 전파 및 병원성에 있어서 중요하다고 알려진 유전자 부위의 특성 분석을 위해서 감수성 세포를 활용한 바이러스 자가 복제, 감염능력 분석 등의 실험과 동물 모델을 이용한 병원성 분석 실험 등에서의 다각적인 생물학적 특성 분석이 필요하다고 본다.
현재 질병관리본부에서는 2015년 국내 메르스 바이러스 유행 종료 후, 국내 메르스 인체감염 대응의 일환으로 24시간 방역시스템을 가동하고 있으며, 또한 메르스 바이러스 및 임상 특성 분석 등을 통한 백신, 치료제, 동물모델 등 평가법 개발 등에 관련 연구를 수행함으로써 메르스를 포함한 신종감염병 출현에 대비한 역량을 강화하고 있다.

이 원고는 질병관리본부 내부연구과제(2016-NG47002-00)와 신종감염병대응대책(4834-303) 지원으로 수행된 내용입니다.


참고문헌


1. http://www.who.int/emergencies/mers-cov/en
2. http://www.mers.go.kr
3. Chan JFW, Lau SKP, To KKW, Cheng VCC, Woo PCY, Yuen KY. Middle East Respiratory Syndrome Coronavirus: Another Zoonotic Betacoronavirus Causing SARS-Like Disease. Clinical Microbiology Reviews. 2015;28:465-522.
4. Graham RL, Donaldson EF, and Baric RS. A decade after SARS:strategies for controlling emerging coronaviruses. Nature Review Microbiology. 2013;11:836-848.
5. http://www.cdc.gov/sars/about/fs-SARS.html
6. Wang N, Shi X, Jiang LJ, Zhang S, Wang D, Tong P, Guo D, et al. Structure of MERS-CoV spike receptor-binding domain complexed with human receptor DPP4. Cell Research. 2013;23:986.
7. Park HY, Lee EJ, Ryu YW, et al. Epidemiological investigation of MERS-CoV spread in a single hospital in South Korea, May to June 2015, EuroSurveill. 2015;20:21169.
8. Assiri A, McGeer A, Perl TM, Price CS, Al Rabeeah AA, Cummings DA, et al. Hospital outbreak of Middle East respiratory syndrome coronavirus. N Engl J Med. 2013;369:407–416.
9. Cotten M, Watson SJ, Kellam P, Al-Rabeeah AA, Makhdoom HQ, Assiri A, et al. Transmission and evolution of the Middle East respiratory syndrome coronavirus in Saudi Arabia: a deive genomic study. Lancet. 2013;382:1993–2002.
10. http://www.who.int/csr/don/2010_05_14/en