일반미생물학 6 김 지 영

일반 미생물학- 5 세균의 유전 유전자 발현의 조절 돌연변이, 수선, 재조합

일반 미생물학- 6 바이러스의 정의와 기원 바이러스의 기원 및 생물학적 특징 바이러스의 형태 및 구조 바이러스의 구성 성분 바이러스의 분류

바이러스의 구조와 분류

바이러스의 성질 정의 인류가 출현한 이후 두창(smallpox), 홍역(measles) 및 광견병(rabies)과 같은 무서운 바이러스 감염병으로 고통을 받아왔으나 그 원인체가 알려지기 시작한 것은 19세기 말 부터임 라틴어로 ‘독(poison, noxious liquid)’이란 뜻이며 살아 있는 모든 생명체에 기생함 지구 상에 존재하는 생명체 중 일정한 형태를 가진 가장 작은 생명체 (20nm~400nm)

바이러스의 성질 정의 살아 있는 생명체에서는 증식하지만 죽은 세포나 밖으로 유리된 바이러스는 증식하지 못하는 단순한 단백질 덩어리 " 바이러스가 생명체인가? " 르보프(Lwoff)의 정의 ‘바이러스는 편성 세포 내 기생체 (obligatory intracellular parasite) 로서 핵산으로 DNA 또는 RNA 하나만을 갖고, 증식은 핵산으로 시작되고 2분열법으로 증식되지 않으며 ATP 생산에 필요한 효소계를 갖고 있지 않다’라고 정의 내림

바이러스의 기원 1. 진화론적 기원 1) 숙주 세포의 DNA와 RNA에서 발생 - 바이러스는 갖고 있는 핵산의 종류에 따라 DNA 바이러스와 RNA 바이러스로 분류되지만 증식과정에선 DNA와 RNA를 모두 사용하고 있어, 바이러스의 발생기원은 확실하지 않지만 현재 2가지 가설이 있다 1) 숙주 세포의 DNA와 RNA에서 발생 숙주 세포에는 다양한 종류의 DNA와 RNA가 있는데 이들 특정 성분이 숙주 세포의 증식 과정과 무관하게 자율적(automonous)으로 증식하게 된 후 독립적으로 진화하여 바이러스가 되었다는 설

바이러스의 기원 2) 세포 내 기생체가 퇴화 오랫동안 공생관계에 있던 세포 내 기생체가 생명 현상을 유지하는데 필요한 최소 성분만 남고 나머지는 퇴화되어 바이러스로 진화하였다는 설 세균이 퇴화되어 바이러스가 되었다는 증거는 없다

바이러스의 기원 2. 바이러스 개념의 발달 기원전 중국에서는 민속요법으로 두창을 예방하려는 시도가 있었다 1798년에 에드워드 제너가 우두(cowpox)를 이용한 종두법(vaccination)을 개발하여 지구상에서 두창을 박멸하게 되었다 1840년 자콥 헨르(jacob Henle)는 광학 현미경으로 관찰할 수 없는 매우 작은 감염체가 특정 감염증을 일으킬 것이라고 바이러스 존재를 암시

바이러스의 기원 1879년, 아돌프 마이어는 밝고 검은 반점이 생기는 담뱃잎병을 실험적으로 전파시키는데 성공하고 이를 ‘담뱃잎 모자이크병(tobacco mosaic disease)’이라고 칭하였으나 바이러스를 증명하지는 못하였다 1885년 루이 파스퇴르는 광견병 백신을 개발하였으나 역시 바이러스라는 것을 증명하지 못하였다

바이러스의 기원 1892년 드미트리 이바노프스키는 담뱃잎 모자이크 병원체가 여과성임을 증명하여 바이러스와 세균을 구분하고 실험적으로 바이러스를 획득할 수 있는 기술을 개발하였으나 그 역시 바이러스는 확인하지 못하고 독소(toxin)가 원인 병원체라고 함 1917년 드헤렐의 플라크 분석 및 1939년 카우셔 등이 담뱃잎 모자이크 바이러스를 전자 현미경으로 촬영함으로써 바이러스 입자가 최초로 증명됨

담배모자이크바이러스(TMV)에 의한 감염

바이러스의 기원 우리나라에서의 바이러스 연구는 1895년 서재필 박사가 월터 리드 등과 황열바이러스를 연구한 것이 최초임

바이러스의 생물학적 특성 담뱃잎 모자이크 바이러스가 알려진 후, 식물, 곤충, 동물 및 사람에게서 분리되는 바이러스에 대한 다양한 감염증이 발병하는 것이 확인 되었으나 30여년이 지나도록 바이러스학은 발전하지 못함 바이러스 연구에 필수적인 바이러스의 대량 증식, 농축 및 정제, 검출법 및 적절한 실험동물을 확립하지 못하였기 때문임 제한된 숙주역(host range)과 살아있는 세포내에서만 증식하는 바이러스의 특징 때문임

바이러스에 감염된 식물

바이러스의 생물학적 특성 1950년대 지금 광범위하게 사용되는 세포 배양법 개발 되고, 초원심분리기, 전자현미경 및 막여과법의 발전 이로 인하여 바이러스학의 급속도의 발전과 면역학의 발전 개기가 됨 바이러스의 형태 및 크기 측정이 가능 면역학의 발전 – 혈청학적 방법을 통해 바이러스의 항원이나 항체 검출이 용이해져 바이러스 질병의 진단과 연구가 더욱 간편해짐

바이러스의 생물학적 특성 바이러스 세균과는 다르게 바이러스의 숙주역이 매우 제한 적임 동일 숙주 내에서도 세포 친화성이나 조직 친화성이 다르기 때문에 감염 후 바이러스와 그 항원을 검출하기가 어려움 ‘코흐의 가설’이 만족되지 못함 바이러스는 물리적 인자(열, 자외선 등) 및 화학적 인자(pH, 소독제, 유기 용매제 등)에 의해 쉽게 불활성화(inactivation) 됨

바이러스의 생물학적 특성 바이러스 유전정보를 가진 핵산과 다양한 종류의 단백질로 구성된 입자이지만 숙주세포의 도움 없이 독립적으로 고분자 물질을 합성하거나 에너지를 만들 수 없음 세균처럼 인공배지에서는 증식될 수 없고, 반드시 살아있는 세포 내에서만 증식할 수 있으므로 고도로 진화된 가장 경제적인 생명체라 할 수 있다

바이러스의 형태 바이러스 입자 크기 세균 여과기를 통과하는 것이 바이러스의 특징 20~30nm(피코르나바이러스, 파보 바이러스)에서 250~400nm(폭스 바이러스)로 크기가 매우 작음 세균 여과기를 통과하는 것이 바이러스의 특징 일부 세균(마이코 플라즈마, 클리미디아 등)도 세균 여과기를 통과하므로 임상시료나 동물시료에서 바이러스를 분리하고자 할 때에는 이들 세균이 오염되지 않도록 주의하여야 함

바이러스의 형태 1939년 전자현미경으로 바이러스 입자가 처음 관찰된 후, 전자현미경의 성능 향상 및 다양한 관찰법의 개발(초원심분리, 음성염색법, 박편 절단, X선 회절법등) - 바이러스는 종류에 따라 고유한 형태와 미세구조를 갖고 있음이 알려짐

바이러스, 세균, 동물 세포의 크기 비교

바이러스의 모양과 크기

바이러스(virus)의 형태

바이러스의 형태 장염을 일으키는 로타 바이러스는 RNA 패턴으로 유전자 변이가 잘 되고 바이러스 유형도 80여종에 달한다 에이즈 바이러스(작은 구술 모양)가 인체의 면역세포를 공격하는 모습. 면역세포 가운데 대장인 T림프구가 무력화되면 우리 몸의 면역시스템이 무너진다

바이러스의 생물학적 특성 바이러스 입자의 기본 구조 핵심(core): 바이러스의 핵산 캡시드(capsid):단백질 외각(protein coat) 캡소미어(capsomere)라는 소단위로 구성됨 핵산을 싸고 있음 뉴클레오캡시드(nucleocapsid): 핵산과 캡시드가 결합된 형태 종류 보유 핵산에 따라 :RNA 바이러스/DNA 바이러스 바이러스 종류에 따라 : - 뉴클레오캡시드를 싸고 있는 외피(envelope) 유무에 의해 : 외피 보유 바이러스/외피 비보유 바이러스

바이러스의 생물학적 특성 페플로머(peplomer) - 외피상에 있는 스파이크 모양의 미세한 구조물 바이러스 핵산을 싸고 있는 캡시드와 기질 단백질(matrix protein)의 배열모양에 따라서: - 입방대칭 (cubic symmetry) - 나선대칭 (helical symmetry) - 복합구조 (complex structure)

바이러스의 구조

바이러스의 생물학적 특성 바이러스 입자 - 감염성과는 관계없이 구조적인 특성만 고려하여 그 형태를 표현할 때 사용되는 용어 비리온 (virion) - 감염성이 있는 완전한 바이러스 입자를 뜻함 결함 바이러스 (defective virus) - 바이러스 증식에 결함이 있는 바이러스를 의미함

바이러스의 구성 성분 1. 핵산 모든 바이러스는 RNA 또는 DNA 중 하나의 핵산만을 가짐 바이러스 증식에 필요한 유전 정보를 담고 있음 물리적 형태 1)단일가닥(single-stranded, ss) 또는 이중가닥(double-stranded, ds) 2)환형(circular)또는 선형(linear) 3)분절(segmented) 또는 비분절(non-segmented) 핵산의 성분, 가닥성, 크기는 바이러스를 구분하는 지표가 됨

바이러스의 DNA를 감싸고 있는 단백질 껍질(shell) 의 고해상도 이미지 캡시드라 불리는 이 껍질은 대부분의 바이러스에서 발견되는 것 대단히 견고해, 바이러스가 세포 속으로 뚫고 들어가거나 재생산할 수 있도록 돕는 역할을 한다. 이 껍질을 깰 수 있다면 바이러스 생명력의 비밀을 알아내는 것이 가능해지고 더 나아가서는 바이러스를 ‘개량’해 필요한 약물 운반체로 활용할 수도 있게 된다

바이러스의 구성 성분 DNA 바이러스 핵산 RNA 바이러스 핵산 선형 또는 환형 크기 : 3.3 ~ 375 kb 단일가닥의 선형(피코르나바이러스), 몇 개의 분절(오소믹소바이러스), 이중가닥의 RNA(레트로바이러스) 등의 몇 가지 형태 DNA 바이러스와 달리 극성을 띔 크기 : 7 ~ 30 kb

바이러스의 구성 성분 상당수의 바이러스 핵산의 염기서열이 분석되었고 염기서열은 바이러스마다 다르다 - 동일 종의 바이러스들은 핵산 염기서열의 동질성이 높음 - 바이러스 핵산 염기서열의 G+C 함량은 바이러스 특성을 나타내는 중요한 지표로 활용됨

바이러스의 구성 성분 2. 단백질 구분 1)구조 단백질(structural protein) - 캡시드 단백질과 같이 바이러스 형태 유지에 관련된 단백질 바이러스 유전체를 보호 바이러스 입자가 세포에 흡착하는데 관여 바이러스의 항원성 결정 및 바이러스의 형태를 일정하게 유지함 2)비구조 단백질(non-structure protein) - 단백질과 핵산 등을 합성하는데 관련된 단백질

바이러스의 구성 성분 2. 단백질 당단백 (glycoprotein) -바이러스 표면의 일부 구조 단백질과 외피에 있는 단백질 바이러스의 특이 항원성을 갖고 있어 바이러스 검출 및 분류에 매우 중요한 단백질 외피 당단백질의 단백질:바이러스 유전체에서 유래된 것 외피 당단백질의 당:숙주 세포막에서 유래 기능 : 바이러스의 흡착과 감염된 세포의 융합에 관여 예)인플루엔자 바이러스: 적혈구 응집소와 뉴라민 분해 효소와 같이 효소 작용을 하는 당단백 보유

바이러스의 구성 성분 3. 지질 바이러스 외피에 있는 지질은 숙주 세포에서 유래된 것으로 바이러스에 따라 함량이 다름 바이러스가 세포에서 증식한 다음 세포 밖으로 출아(dudding)할 때 숙주 세포막에 있는 지질을 획득함 예) 헤르페스 바이러스 세포의 핵막을 통해 출아하면서 핵막에서 지질을 획득 외피 바이러스에서만 존재 에테르나 다른 유기 용매 노출 시 불활성화되어 감염성이 소실됨

바이러스의 구성 성분 4. 탄수화물 바이러스 외피의 당단백질에 글루코사민, 갈락토스, 만니톨 등의 단당류를 가지고 있음 바이러스와 숙주 세포에 의해 합성됨

분류 1. 분류의 기준 숙주역, 국제 바이러스 분류 위원회(ICTV)에 의한 표준 분류 및 분야별 필요에 의한 임의 분류 등 여러 방식으로 분류됨 예) 생태학적 숙주역에 따라 동물 바이러스 식물 바이러스 무척추 동물 바이러스 원생동물 바이러스 곰팡이 바이러스 세균 바이러스 ★숙주역이 매우 제한되어 있어 한정된 숙주 외에 다른 숙주에서 감염을 일으키지 않음

분류 2. 일반적으로 분류에 적용되는 중요한 바이러스 특성 비리온의 형태 (구형, 막대형,나성형) 입자의 크기, 모양, 대칭성, 페플러머 유무, 외피유무 비리온의 물리화학적 성상 분자량, 부유 밀도(buoyant density), pH 안정성, 온도 저항성, 자외선 예민성, 소독제에 대한 안정성 바이러스 유전체 성상 핵산 성분(DNA, RNA), 유전체 크기, 핵산의 가닥성, 선형 또는 환형, 극성, 분절성, G+C의 함량, 염기서열

분류 2. 일반적으로 분류에 적용되는 중요한 바이러스 특성 바이러스 단백질 성상 단백질의 수, 크기, 기능, 아미노산 염기 서열, 단백 수식성 (당화, 인산화) 유전체 구성과 증식 유전자 배열, ORF 수와 위치, 증식 과정, 증식 장소(세포질, 핵) 항원성 항원성 단백질 수와 기능, 크기 생물학적 성상 자연계 숙주역, 전파 경로, 매개체 유무, 병인성

바이러스의 주요 과(Family) 1. 바이러스 목의 설정 - 바이러스 유전체의 성상, 핵산의 가닥성, 역전사 효소 유무 및 유전체의 극성 등 4가지 기준 - 2000년 ICTV 7차 보고서 : 모노네가바이러스목, 카우도바이러스목, 니도바이러스목 목 : -rales (ex. Caudovirales, 카우도바이러스목) 과 : -dae (ex. Retroviridae, 레트로바이러스과) 아과 (subfamily) : -nae (ex. Oncovirinae) 속과 종 : -virus (ex. Oncovirus)

바이러스의 주요 과(Family) 1. DNA 바이러스 2. RNA 바이러스 1)파르보바이러스과 2)파포바이러스과 3)아데노바이러스과 4)헤파드나바이러스과 5)헤르페스바이러스과 6)폭스바이러스과 2. RNA 바이러스 1)레오바이러스과 2)레트로바이러스과 3)아레나바이러스과 4)피코르나바이러스과 5)아스트로바이러스과 6)칼리시바이러스과 7)분야바이러스과 8)오소믹소바이러스과 9)파라믹소바이러스과 10)랍도바이러스과 11)보르나바이러스과 12)필로바이러스과 13)토가바이러스과 14)플라비바이러스과 15)코로나바이러스과 16)아르보바이러스와 르보바이러스 17)비로이드

DNA 바이러스(virus)의 형태

RNA 바이러스(virus)의 형태