SUNGKYUNKWAN UNIVERSITY SCHOOL OF MEDICINE
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Research Highlights
Analysis of novel drug resistant human cytomegalovirus DNA polymerase mutations reveals the role of a DNA binding loop in phosphonoformic acid resistance
Kye Ryeong Park, Young-Eui Kim, Amen Shamim, Shuang Gong, Soo-Han Choi, Kyeong Kyu Kim, Yae-Jean Kim, and Jin-Hyun Ahn
FRONTIERS IN MICROBIOLOGY
인간거대세포바이러스(human cytomegalovirus; HCMV) 감염은 동종조혈세포이식(alloHCT) 환자에서 질병의 주요 원인이다. 바이러스 DNA 중합효소에 작용하는 ganciclovir (GCV), foscarnet (FOS), cidofovir (CDV), prodrug인 valganciclovir (VGCV)가 HCMV 질병 치료에 사용되고 있으나HCMV가 약물에 장기간 노출되면 약물에 내성이 있는 돌연변이 바이러스가 나타나는 것이 큰 문제가 된다. 바이러스 DNA 중합효소에 작용하는 약물의 경우, HCMV DNA 중합효소인 UL54 유전자와 바이러스 kinase인 UL97 유전자에서 돌연변이가 발견된다. 몇몇 약물 내성 UL54 돌연변이는 FOS, CDV, GCV, GCV/FOS, GCV/CDV/FOS와 같은 다중 약물에 내성을 부여하고, 약물 내성 UL97 돌연변이는 GCV에만 내성을 부여하는 것으로 알려져 있다.
본 연구진은 최근 alloHCT 환자를 치료하는 동안에 새로운 H600L 및 E756G 돌연변이를 포함한 UL54 돌연변이를 확인한 바 있는데, H600L 돌연변이는 HCMV DNA 중합효소(polymerase)의 중앙 중합 domain에서 잘 보존된 γC 영역과 영역 II 사이에서 발생하는 반면, E756G는 영역 II와 III 사이에서 발생하였다. 본 연구에서는 이들 새로운 돌연변이 유전자를 갖는 재조합 바이러스를 제작하고 이들이 약물 표현형을 테스트하여 이들 돌연변이의 GCV, FOS, CDV 저항성에서의 역할을 연구하였다 또한 UL54 중합효소의 모델 구조를 만들어 이러한 돌연변이의 결과로 생기는 약물 내성 메커니즘을 이해하고자 하였다.
연구결과, H600L 돌연변이 바이러스는 야생형에 비해 GCV에 대한 내성이 11배, FOS와 CDV에 대한 내성이 5배 증가했으며, E756G 돌연변이 바이러스는 FOS에 대한 내성이 9배, CDV에 대한 내성은 약 2배 증가하였다. 특히 FOS 내성을 갖는 것을 알려진 T700A 돌연변이와 H600L 돌연변이가 함께 존재하는 경우 FOS 내성을 최대 37배까지 증가시킴을 알아내었다. 약물 내성 메커니즘에 대한 이해를 위해 효모 DNA 중합효소를 template로 사용하여 UL54 중합효소의 모델 구조를 생성하였다. 이 모델에서 T700이 FOS 결합 포켓과 상호작용하고 있으며 H600과 T700이 긴 palm loop domain의 양쪽 끝에 위치하고 있음을 알아내었다. 이러한 결과는 UL54 중합효소의 H600L 및 E756G 돌연변이가 새로운 약물 내성 돌연변이이며, DNA 결합 loop의 H600L 및 T700A 돌연변이의 동시 획득은 FOS 치료에 대한 내성을 크게 증가시킴을 보여준다. 본 연구는 바이러스 DNA 중합효소가 FOS 저항성을 획득하는 메커니즘에서 palm loop domain의 기능에 대한 새로운 정보를 제공하였다.
본 연구진은 최근 alloHCT 환자를 치료하는 동안에 새로운 H600L 및 E756G 돌연변이를 포함한 UL54 돌연변이를 확인한 바 있는데, H600L 돌연변이는 HCMV DNA 중합효소(polymerase)의 중앙 중합 domain에서 잘 보존된 γC 영역과 영역 II 사이에서 발생하는 반면, E756G는 영역 II와 III 사이에서 발생하였다. 본 연구에서는 이들 새로운 돌연변이 유전자를 갖는 재조합 바이러스를 제작하고 이들이 약물 표현형을 테스트하여 이들 돌연변이의 GCV, FOS, CDV 저항성에서의 역할을 연구하였다 또한 UL54 중합효소의 모델 구조를 만들어 이러한 돌연변이의 결과로 생기는 약물 내성 메커니즘을 이해하고자 하였다.
연구결과, H600L 돌연변이 바이러스는 야생형에 비해 GCV에 대한 내성이 11배, FOS와 CDV에 대한 내성이 5배 증가했으며, E756G 돌연변이 바이러스는 FOS에 대한 내성이 9배, CDV에 대한 내성은 약 2배 증가하였다. 특히 FOS 내성을 갖는 것을 알려진 T700A 돌연변이와 H600L 돌연변이가 함께 존재하는 경우 FOS 내성을 최대 37배까지 증가시킴을 알아내었다. 약물 내성 메커니즘에 대한 이해를 위해 효모 DNA 중합효소를 template로 사용하여 UL54 중합효소의 모델 구조를 생성하였다. 이 모델에서 T700이 FOS 결합 포켓과 상호작용하고 있으며 H600과 T700이 긴 palm loop domain의 양쪽 끝에 위치하고 있음을 알아내었다. 이러한 결과는 UL54 중합효소의 H600L 및 E756G 돌연변이가 새로운 약물 내성 돌연변이이며, DNA 결합 loop의 H600L 및 T700A 돌연변이의 동시 획득은 FOS 치료에 대한 내성을 크게 증가시킴을 보여준다. 본 연구는 바이러스 DNA 중합효소가 FOS 저항성을 획득하는 메커니즘에서 palm loop domain의 기능에 대한 새로운 정보를 제공하였다.