초저온 전자단층촬영을 통해 밝혀진 백시니아 바이러스 포털 복합체의 삼차원 미세 구조
배경
천두(두창, 천연두) 또는 엠폭스(Mpox)를 유발하는 폭스바이러스(Poxvirus)는 숙주 세포질에서 복제하는 거대한 이중 가닥 DNA(double-stranded DNA, dsDNA) 바이러스입니다. 감염 후에도 유전체는 두꺼운 단백질 코어 벽 내부에 보호된 상태를 유지하며, 초기 전사로 생성된 바이러스 전령 RNA(mRNA)를 외부로 방출합니다. 그러나 지금까지 코어 벽을 관통하는 통로의 구조나 분자 조성은 베일에 싸여 있었습니다. 기존 구조 생물학 기법은 분리된 바이러스의 단편적인 형태만 포착하는 수준에 머물러 세포 감염 시 작용하는 복합체의 실제 활성을 규명하지 못했습니다. 따라서 폭스바이러스 복제 메커니즘을 근본적으로 이해하려면 코어 벽 나노 게이트의 실제 삼차원 구조를 확인하는 것이 필요합니다.
핵심 발견
영국 프랜시스 크릭 연구소(Francis Crick Institute) 연구팀은 초저온 전자단층촬영(Cryo-electron Tomography, cryo-ET)과 서브토모그램 평균화(Sub-tomogram Averaging, STA) 기법을 사용하여 백시니아 바이러스(Vaccinia Virus, VACV) 코어 벽의 포털 복합체(Portal Complex) 구조를 포착했습니다. 분석 결과 이 복합체는 전체 해상도 7.1옹스트롬(Å), 내부 기공 해상도 4.9Å 수준에서 규명되었습니다. 이 복합체는 보존된 세 가지 바이러스 단백질인 E8, E6, L3이 결합한 육량체(hexamer) 형태입니다. 기공의 중심을 이루는 E6 단백질은 코어 벽의 울타리 층과 상호 작용하며 뼈대를 형성합니다. 이 원통의 바깥쪽인 세포질 방향에는 E8 단백질이 고리를 만들고, 안쪽에는 L3 단백질이 이량체의 육량체(hexamer of dimers) 형태로 결합했습니다. 특히 L3 단백질은 통로에서 가장 좁은 영역을 형성하여 숙주 세포의 면역 인자인 TRIM5알파(TRIM5α)가 결합하는 표적이 됩니다. 기공의 기하학적 형태와 정전기적 성질은 단일 가닥 RNA만 선택적으로 통과시키도록 설계되었습니다. 이 필터 시스템으로 내부의 이중 가닥 DNA(dsDNA)는 보호되면서 메신저 RNA(mRNA)만 세포질로 빠져나갑니다. 연구팀은 코어당 약 20개의 포털이 존재하며, 유전체 방출을 담당하는 D5 헬리카제(helicase)가 E8 고리에 결합하여 통로 개방을 촉발함을 확인했습니다.
의미와 전망
이번에 규명된 삼차원 구조는 폭스바이러스가 숙주 세포의 면역 센서인 cGAS 등을 회피하여 살아남는 물리적 비밀을 푸는 열쇠입니다. 바이러스는 단단한 코어 벽과 포털의 미세한 크기 필터링으로 자신의 유전체를 철저히 감춘 채 전사체만 세포질로 내보냅니다. 이러한 기전은 천연두 또는 엠폭스 치료제 개발에 새로운 단서를 제공합니다. E8 고리와 D5 헬리카제의 결합을 방해하거나 L3 단백질을 표적하는 화합물을 설계하면 바이러스 유전체 방출을 원천 차단하는 후보 물질 발굴이 가능합니다. 다만 이번 모델인 백시니아 바이러스 구조가 변종 폭스바이러스 또는 엠폭스 바이러스의 미세한 차이까지 모두 대변하기는 어렵습니다. 실제 감염 환경에서 기공이 열리고 닫히는 역동적인 변화를 실시간으로 관찰하지 못했다는 한계도 앞으로 극복해야 할 과제입니다.
Nature, Published online: 29 July 2026; doi:10.1038/s41586-026-10856-2Cryo-electron tomography uncovers the structure of a conserved hexameric ‘portal complex’ that spans the core wall in vaccinia virus, and shows how it is associated with viral functions such as assembly, mRNA release and genome uncoating.
이번 연구는 백신 전달체 개발과 항바이러스제 설계라는 두 가지 실질적인 산업 분야에 새로운 설계도를 제공합니다. 먼저, 백시니아 바이러스는 인류 최초의 백신이며 오늘날 결핵, 에볼라, 항암 백신 등의 바이러스 전달체로 널리 사용되는 변형 백시니아 앙카라(Modified Vaccinia Ankara, MVA)의 근간입니다. 포털 복합체의 조절 기전을 활용하면 전달체 내부에서 전사 물질이 방출되는 속도를 정밀하게 제어하여 백신의 체내 면역 반응 유도 효율을 극대화할 수 있습니다. 이와 함께 최근 아프리카를 중심으로 확산하는 변종 엠폭스 바이러스 치료제 개발에서도 핵심적인 기반을 형성할 것으로 예상됩니다. 포털 복합체는 모든 폭스바이러스 속에서 고도로 보존된 아미노산 서열을 가지므로, 이를 표적으로 삼는 저분자 화합물은 기존 치료제인 테코비리마트(Tecovirimat)의 내성 한계를 극복하는 광범위 항바이러스제 개발로 이어질 가능성이 높습니다.