국내에서 유행하는 HIV-1 유전자의 진화 특성

Evolutionary characteristics of Human immunodeficiency virus-1 in Korea

     
질병관리본부 국립보건연구원 면역병리센터 에이즈종양바이러스과     
  

Ⅰ. 들어가는 말
  후천성면역결핍증(AIDS)을 일으키는 원인체로 알려진 인면역결핍바이러스(Human Immunodeficiency Virus; HIV)-1과 HIV-2가 아프리카 영장류로부터 기원하여 인류에게로 전파되었다는 사실이 밝혀진 이래 전 세계적으로 많은 연구자들은 다양한 진화학적 연구를 진행하고 있다[1, 2]. 바이러스 유전자를 바탕으로 한 계통학적 연구들을 통해 HIV-1은 서부 및 중앙아프리카 지역에 서식하는 일부 침팬지종에서 발견되는 SIVcpz와 상당히 밀접하고, HIV-2는 서아프리카 지역에서 서식하는 Sooty mangabey 원숭이(영장목 긴꼬리 원숭이과)에서 주로 발견되는 SIVsm와 유연관계가 높은 것으로 밝혀졌다(Figure 1)[3]. 이러한 HIV와 관련한 진화학적 연구는 과거에 유행했던 바이러스 집단에 대한 고유한 정보를 제공하여 병원체의 근원을 규명하고, HIV와 숙주와의 상호작용을 확인하여 바이러스의 전파와 진화 특성을 규명하는 데 중요한 정보를 제공하며 향후, 바이러스의 진화 방향을 이해할 수 있도록 도움을 준다[4].

  HIV 진화연구는 기본적으로 유전자의 다양성(diversity)과 상이성(divergence)을 생물정보학적 기술을 바탕으로 한 분석에 의해 이루어진다. 유전자의 다양성은 주어진 일정한 시간에서 나타나는 유전적   변이를 나타내며, 상이성은 초기 전파 바이러스로부터의 유전적 거리를 의미한다.
  이러한 HIV 진화는 주로 바이러스 유전자 중 env(외피 당단백질로 CD4 수용체에 부착되어 바이러스 침입에 관여하는 유전자의 종류)와 같은 변이가 높은 일부 부위와 관련된 것으로 알려져 있으며 변이 원인으로는 여러 요인들이 제시되고 있다. 우선 복제과정에서 나타나는 바이러스의 높은 돌연변이율로서 역전사효소에 의한 오류와 RNA 중합효소에 의해서 DNA로부터 단백질로 변화되는 과정에서의 오류를 들 수 있다 [5]. 또한 HIV가 지니는 높은 재조합 특성과 숙주의 면역체계를 회피하면서 나타나는 자연선택 등이 바이러스 진화를 진행시키는 것으로 보고되고 있다.
  현재, 국내에서는 다양한 종류의 HIV-1 아형이 확인되었고, 그 중에서 최대 유행주는 아형 B로서  외국의 분리주들과는 독립적인 군집을 형성하는 독특한 진화적 특성이 보고되었다[6]. 이와 같은 국내 분리주들의 계통학적 연관성이 외국에서 유입된 바이러스의 지속적인 전파 결과로 인해 나타난 효과인지, 아니면 유입된 바이러스가 독특한 인종적 배경을 지닌 한국인 숙주 체내에서 적절한 적응을 통하여   안정화된 것인지는 아직까지 불명확하다. 따라서 추후 국내에서 유행 가능한 HIV에 대한 효과적인 대응책을 마련하기 위해서는 바이러스에 대한 진화 연구를 통하여 지역적으로 고유한 유행을 보이고 있는 HIV의 진화양상을 과학적으로 증명하는 연구가 필요하다.
  이 원고에서는 국내 대 유행주인 HIV-1 아형 B env 유전자 변이를 분리시기와 역학군에 따라 비교, 분석함으로써 국내에서 전파되고 있는 바이러스의 진화 양상과 특성을 규명하고, 이를 HIV의 확산방지를 위한 효과적인 대응방안 마련을 위한 자료로 제공하고자 한다.

Ⅱ. 몸 말

  국내에서 전파되고 있는 HIV-1의 진화학적 특성규명을 위하여 1991년부터 2005년까지 매년 신규로 발견되는 HIV 감염자 중 약 10%를 무작위로 선정하여 HIV env 유전자의 특성을 분석하였다.
  유전자 분석을 위하여 일차적으로 감염자에서 분리된 게놈(genomic) DNA를 대상으로 유전자증폭기(PCR)를 이용하여 HIV env V1-C5 부위 유전자를 증폭하였다. 증폭된 유전자 산물은 ABI3730 DNA 염기서열분석기(Applied Systems, CA. USA)로 염기서열을  결정하고, Lasergene 프로그램을 이용하여 정렬한 후 아형을 분석하였다. 아형 분석을 통하여 국내의  최대 유행주로 알려진 HIV-1 아형 B이면서 역학자료의 확보가 가능한 대상군 347주의 바이러스 염기서열을 선정하여 HIV-1 env 유전자 염기서열을 분석하였다. 확보된 HIV-1 유전자들은 PAUP V4.0(http://paup.csit.fsu.edu) 프로그램을 이용하여 계통학적 연관관계를 파악하였으며, 연구 대상군의 유전적 상이성과 다양성 등 진화적 특성을 분석하였다. 국내 HIV-1 아형 B 분리주를 대상으로 HIV-1 env V1-C5 부위의 염기서열에 대해 분리시기와 역학군별로 유전적 상이성과 다양성을 분석하였다.
  연구 대상군을 성별로 구분하여 1991년부터 5년 단위로 진화적 변이 양상을 살펴본 결과, 같은 아형 B에 감염된 경우이지만 여성에 비해 남성에서 분리된 HIV-1 유전자의 변이가 적음을 확인할 수 있었다(Table 1). 국내의 경우, 감염경로에 대한 통계자료에 의하면[7], 거의 대부분이 성적인 접촉에 의해  감염되는 것으로 조사되었고, 그 중 남성의 경우는 절반 정도가 동성 간의 성 접촉에 의해 감염되는  것으로 알려지고 있다. 따라서 위와 같이 남성에서 분리된 바이러스 유전자의 변이가 여성에서보다  낮게 나타나는 것은 감염원이 이성 간의 성 접촉에 의한 경우보다 동성 간의 성 접촉에 의한 경우에서  유전적인 변이가 적음을 짐작할 수 있다.
  위와 같은 과는 국내에서 동성 간의 성 접촉에 의해 감염된 남성 감염인을 대상으로 한 분자역학적 연구에서도 찾아볼 수 있다[6](Table 2). 연구 결과에 따르면 1995년부터 2005년까지 국내에서 분리된 195명의 남성 동성간 성 접촉자(MSM, men who have sex with men)를 대상으로 한 분석에서 HIV-1의 유전적 다양성은 0.21%/년이 변화되는 것으로 나타났다. 이는 서양의 MSM 연구그룹인 암스테르담 코호트에서 제시된 년당 0.5%에 비해[8] 유전적 다양성이 상대적으로 낮고, 국내에서 전파되고 있는 HIV-1 유전자들의 진화적 유연관계가 높다는 것을 나타낸다.

Ⅲ. 맺는 말

   HIV는 대륙별, 국가별로 다양한 아형 및 재조합 형태를 이루며 점점 더 복잡해진 유전적 다양성을  나타내고 있다. 현재까지 전 세계적으로 약 10종 이상의 주요(major) 그룹이 밝혀졌으며 최근에는 다양한 재조합 바이러스주의 출현이 지속적으로 나타나고 있어 현재까지 약 45종의 재조합형(Circulating Recombinant Form;CRF)이 보고되었다[9].
  이와 같이 다양한 HIV 변이체들이 출현하는 것은 숙주의 유전적 인자, 전파 과정에서 나타나는 면역학적 선택 압력, 유입된 최초의 바이러스 종류, 사회적, 행동학적 특성 등 다양한 요인들의 영향에 따라 여러 다른 방향으로 전파되면서 생물학적 진화가 진행된다고 알려지고 있다[10]. 그러므로 다양한 역학적 특성을 지닌 집단 및 개인에서 숙주의 유전적 특성을 고려한 진화 연구의 필요성이 제기되었으며 이와 같은 연구가 전파경로나 감염위험이 다양한 집단에서 HIV 진화를 보다 잘 이해하기 위해 필요한 것으로 인식되고 있다.
  이러한 맥락에서 본 연구는 국내 최대 유행주인 HIV-1 아형 B를 대상으로 바이러스의 분시기와 역학군에 따라 HIV-1 유전자의 염기서열 변이에 기초한 진화 특성을 분석하여 국내에 토착화된 HIV-1의 특성을 분석한 결과로서 국내에서 전파되고 있는 HIV-1 유행주가 다른 나라에서 유행하는 HIV-1에 비해 진화 정도가 낮은 것을 확인하였다. 특히 남성 동성 간 성 접촉에 의해 감염된 국내 남성 감염자군에서 유행하고 있는 HIV-1들은 계통학적으로 높은 유연관계를 보이고, 다른 역학군에 비해 진화가 서서히 진행되고 있는 것으로 나타나 역학군에 따라 HIV의 진화 양상이 달라지는 것을 확인할 수 있었다.
  이와 같이 HIV 유전자의 다양성에 기초한 진화 연구는 향후, 국내 HIV 유행주의 감시에 있어 바이러스의 전파 및 진화 양상 예측을 위한 정보를 제공하여 HIV에 관한 다양한 의문점을 해소시킬 뿐만 아니라 이를 바탕으로 국내에서 개발되거나 적용될 에이즈 백신연구의 기초로 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 그러나 바이러스 유전자의 변이 분석을 기반으로 한 진화 연구는 숙주의 면역학적 특성이나 개체의 위험 행위, 사회경제적 여건 등 여러 인자가 영향을 미칠 수 있기 때문에 HIV 진화 특성을 분석하는데 한계점이 있다.
  따라서 국내 HIV 유행주의 흐름을 파악하고, 전파최소화하기 위한 효율적 방안을 마련하기 위해서는 바이러스 유전자 정보뿐만 아니라 감염과 관련한 다양한 정보를 고려하여 국내 유입 HIV의 근원부터 전파 시기, 역학군별 전파 영향성, 진화율, 진화속도 분석 등 심도 있는 진화특성 연구가 필요하다.

Ⅳ. 참고문헌

 1. Gao F., Bailes E., Robertson D.L., Chen Y., Rodenburg C.M., Michael S.F., Cummins L.B., Arthur L.O., Peeters M., Shaw G.M., Sharp P.M., and Hahn B.H.
     Origin of HIV-1 in the chimpanzee Pan troglodytes troglodytes. Nature 1999, 397: 436-41.
 2. Rambaut A., David P., Crandall K.A., and Holmes E.C. The causes and consequences of HIV evolution. Nature reviews 2004, 5: 54-61.
 3. Korber, B., Muldoon, M., Theilier, J., Gao, F., Gupta, R., Lapedes, A., Hahn, B.H., Wolinsky A., Bhattacarya, T. Timing the ancestor of the HIV-1 pandemic
     strains.: High profile paper that provides a timescale for the origin and evolution of HIV-1. Science 2000, 288(5472): 1789-1796.
 4. Nee, S., Holmes E.C., Rambaut A., and Harvey P.H. Inferring population history from molecular phylogenies. PHilos. Trans. R. Soc. Lond. B Biol. SCi.
     1995, 349: 25-31.
 5. Preston, B.D., Polesze, B.J., and Loeb, L.A. Fidelity of HIV-1 reverse tranase. Science 1988, 242: 1169-1171.
 6. Kim G.J., Nam, J.G., Shin, B.G., Kee, M.K., Kim, E.J., Lee, J.S., and Kim, S.S. National survey of prevalent HIV strains: limited genetic variation of Korean
     HIV-1 clade B within the population of Korean men who have sex with men. J Acquir Immune Defic Syndr. 2008, 48(2): 127-32.
 7. KCDC, Public health weekly report 2009, 2: 07.
 8. Kuiken, C.L, Lukashov V.V., Baan E, Dekker J., Leunissen J.A., Goudsmit J. Evidence for limited within-person evolution of the V3 domain of the HIV-1
     envelope in the Amsterdam population. AIDS. 1996, 10(1):31?37.
 9. Los Alamos HIV Database (http://www.hiv.lanl.gov).
 10. Tebit, D.M., Nankya, I., Arts, E.J., Gao, Y., 2007. HIV diversity, recombination and disease progression: how does fitness "fit" into the puzzle? AIDS
       Rev. 2007, 9(2): 75-87.