Chapter 12 바이러스

12.1 바이러스의 발견과 연구 • 바이러스는 세포는 아니지만 간단한 유전정보 물질(DNA 또는 RNA)이 단백질 외투(protein coat)로 둘러싸인 구조 • 바이러스는 살아있다고 생각하지 않음 - 물질대사를 하지 않음 - 자극에 반응하지 않음 - 자신 스스로 증식을 하지 않음 → 숙주세포에서만 증식 가능 ∴ 살아있지 않음 바이러스는 여과기를 통과할 수 있는 병원체이다 • 1892년 러시아 식물학자 이바노브시키 : 담배식물의 잎의 발육을 방해하고 반점을 일으키는 질병 연구 중 발견 → 질병의 원인이 되는 세균을 분리하기 위해 추출물을 여과기에 통과시켰지만 여과기에 걸러지지 않았고 여과기를 통과한 물질을 건강한 식물에 발랐을 때, 그 식물은 동일한 감염 양상을 보임 → 세균이 여과기를 통과해 빠져나가서 병을 일으킨 것으로 생각 • 독일 식물학자 바이제린크 : 1895년 이바노브시키의 실험을 다시 수행하던 중, 한 식물로부터 다른 식물로 이동한 뒤에도 그 능력이 유지될 수 있는 것을 보고 감염성물질의 자기복제능력을 알게 됨 1898년 담배병의 원인이 살아있는 병원체라 결론짓고, 여과기를 통과하는 여과성 병원 체 또는 바이러스라 명명

• 같은 해 연구자들은 동물에서 구제역 (hoof and mouth disease) 질병을 일으키는 여과성 바이러스를 처음으로 분리 • 1939년 연구자들은 담배 모자이크바이러스 (tobacco mossaic virus, TMV)의 첫 형태를 전자현미경으로 관찰 그림 12.1 담배 모자이크 바이러스. (A) 담배 모자이크 바이러스(tobacco mosaic virus, TMV)는 잎에 독특한 반점을 만든다. (B) 담배 모자이크 바이러스의 전자현미경 사진(×400,000). (C) TMV의 구조. 반복된 단백질들이 구성체를 이룬 것을 관찰할 수 있다.

(2) 바이러스는 세포배양을 통하여 증식시킬 수 있다 • 바이러스를 희석하여 세포배양 시에 감염시키면 넓게 펼쳐진 세포층 사이에 국지적으로 감염되어 나타나는 플라크(plaque)로부터 단일균주 바이러스를 분리할 수 있음 - 플라크에 있는 바이러스는 하나의 바이러스 입자로부터 증식된 것으로 유전적으로 동일 - 세포배양을 통해 바이러스의 대량 생산이 가능하고, 백신제조에 사용 - 바이러스의 인위적 합성도 가능 • 바이러스는 기본적인 생물학적 과정의 연구에 아주 중요함 - 바이러스는 살아있지 않더라도 증식을 위해 숙주세포의 단백질 합성 메커니즘을 빌려 쓰기 때문에 바이러스의 연구는 숙주세포의 단백질 합성기구들과 유전적 조절을 밝히는 데 도움이 됨 - 암의 발생과 세포의 생장을 조절하는 메커니즘에 대해 많은 부분을 알려 줌 - 유전자 치료(gene therapy) 벡터로 사용되는 바이러스는 유전자와 그 경로에서 유발되는 감염성이 제거되어 숙주세포 내에 특별히 적응되어 있으며, 숙주세포 내에 있는 손상 부위를 교정하도록 유전적인 명령을 갖고 감염 손상된 유전자를 제거할 수 있음 예) T 림프구에 결함이 있는 환자의 세포 추출 → 바이러스를 매개체로 정상 유전자를 이입 → 유전적으로 교정된 세포 주입 • 바이러스의 유전체는 다른 생물들에 비해 매우 작은 수의 단백질을 암호화하고 있고, 그들의 숙주 세포로부터 생화학적 분자들을 빼앗기 때문에, 감염된 세포는 손상되지만 바이러스 자신은 빠르게 복제됨 • 빠른 복제와 유전적 복구 기작의 결핍으로 변이가 나타날 가능성이 높아서, 미리 확립되어 있는 숙주의 방어망을 뚫고 살아남기도 함

12.2 바이러스의 구조 • 바이러스는 핵과 소기관, 심지어 세포질이 없이 매우 단순하며 세포에 비해 훨씬 작음 • 평균적으로 바이러스의 직경은 80nm : 세균은 5,000nm, 동물세포는 50,000nm 임 • 바이러스는 그들의 구성 물질 생산을 명령하는 유전물질을 갖고 있음 • 캡시드 (capsid)라고 하는 단백질 외피는 유전물질 주위에 일정하게 배열된 소단위 단백질 복합체인 캡소머(capsomer)로 구성됨 • 캡소머는 5각형과 6각형의 결합이 축구공 형태를 이루는 것과 유사하게 캡시드를 형성 • 비리온 : 세포 바깥쪽에 존재하는 완전한 감염성의 바이러스 입자 • 대부분의 비리온은 삼각형으로 이루어진 다면체인 20면체의 형태를 가짐 • 막대형, 달걀형 또는 섬유상 형태의 비리온도 있음 • 캡시드 단백질이 유전물질과 연결된 방법이나 바이러스의 전체 형태를 결정하는 결합방법 등이 바이러스를 구별하는 특징이 됨

• 바이러스 동정의 주요기준 : 유전물질이 DNA인지 RNA인지의 여부 - 각 유전물질은 단일가닥이거나 이중가닥의 형태로 존재 가능 - 유전물질의 형태에 따라 바이러스가 복제되는데 필수적인 단계가 달라짐 - 바이러스 유전체는 적으면 3개 이하 많게는 200개 이상의 유전자를 가짐 - 거의 모든 바이러스 단백질들은 숙주세포를 인식하고 세포 침입을 도와줌 - 일부 바이러스들은 숙주의 면역방어체계를 회피하는데 필요한 단백질을 암호화하는 유전자를 갖고 있음 - 모든 바이러스는 최소한 그들이 숙주세포로부터 복제하는데 필요한 효소들을 갖고 있음

• 어떤 바이러스는 단백질 외투(protein coat) 이외에 숙주세포의 세포막으로부터 유도된 외피(envelope) 존재 • 박테리오파지(bacteriophage)라 하는 세균 바이러스 중에는 꼬리, 다리, 돌기를 가지고 있어서 달 착륙 우주선처럼 생긴 것들도 있음 : 이들 표면에 있는 일부 단백질 분자들은 바이러스가 표적세포에 붙어서 그들의 유전물질을 숙주세포 내로 삽입할 수 있게 함

12.3 바이러스의 세포감염과 증식 • 비리온은 증식을 위해 특정 표적세포에 결합한 후, 침입하여 유전물질을 세포 내로 전달 • 어떤 바이러스는 숙주의 염색체 안으로 삽입되거나 독립적인 DNA 단편의 형태로 남아 다음 세대로 전달되기도 함 (1) 바이러스는 표적세포와 결합하여 그들의 유전물질을 주입한다 • 바이러스는 세포가 다른 기능에 사용하는 표면분자에 붙어 숙주세포에 부착함 - 람다파지(λ phage)는 맥아당 같은 형태의 분자를 가지고 있기때문에 세균의 표면에 있는 맥아당 수용체에 결합 - AIDS를 일으키는 인간면역결핍증 바이러스 (HIV)는 면역계에서 필수적인 역할을 하는 보조 (helper) T 세포의 세포표면에 발현되는 두 종류의 분자와 결합 - 바이러스 분자와 숙주세포의 표면분자 사이의 필연적 결합이 바이러스의 감염특이성을 결정함 그림 12.4 HIV의 보조 T 세포와의 결합. (A) 보조 T 세포는 HIV의 gp120과 결합한다[gp는 당단백질(glycoprotein)을 나타낸다]. (B) gp120의 단백질 부분과 결합하고 있는 당 사슬이 세포표면에 있는 CD4 수용체에 부착된다. CCR5 수용체 또한 HIV가 보조 T 세포에 부착하기 위해 필요하다. 세포표면에 부착된 바이러스는 바이러스 외피와 세포질과의 융합을 통하여 세포 내로 침입한다. CCR5 수용체가 없으면 HIV는 잘 감염되지 않는다.

• 두 번째 단계는 숙주와의 결합 후에 일어나는 단계로, 바이러스 유전물질의 세포 내에 주입하는 것 - 박테리오 파지는 작은 피하 주사기와 비슷한 작용을 하여 세포벽과 세포막을 통해 유전 물질을 주입 - 세포벽이 없는 동물세포는 바이러스 입자를 endocytosis 작용을 통해 세포질 안으로 바이러스가 침투 - 동물세포 안에 들어온 바이러스 입자의 단백질 외투는 해체되고 유전물질을 방출 - 식물 바이러스는 손상된 부분을 통해서 들어감 • 바이러스는 감염 후, 세포의 단백질 합성기구들을 이용하여 자신의 유전물질을 복제함 그림 12.5 바이러스의 세포 내 침입. (A) 박테리오파지는 숙주세포에 직접 DNA를 주입한다. (B) 어떤 동물바이러스는 세포에 통째로 들어가며, 그 다음에 세포질에서 단백질이 분해되고 유전물질이 방출된다.

(2) 바이러스의 복제 경로는 두 가지이다 • 모든 구성분이 두 배로 만들어져 분리하는 세포와는 달리 바이러스는 비리온 단백질과 핵산들을 동시에 대량으로 복제한 다음 조립하여 증식하기 때문에 1개의 비리온이 감염하여 동시에 수많은 자손을 생산 : 이러한 전 과정을 바이러스의 복제(replication)라 함 • 바이러스의 복제 전략 - 용균성 감염 (lytic infection) : 세포를 용해하거나 파괴하면서 복제를 시작 - 용원성 감염 (lysogenic infection) : 복제하기 좋은 조건이 될 때까지 숙주세포에 유전물질을 숨겨 놓았다가 복제가 가능할 때에 복제하는 기작 그림 12.7 일반적인 바이러스 복제환.

(3) 용균성 경로로 복제되는 바이러스들은 세포를 파괴한다 • 용균성 감염은 바이러스의 유전물질이 숙주세포의 세포질에 들어오면서 시작됨 Ex) 이중나선 DNA를 유전물질로 가지고 있는 박테리오파지의 경우 - 감염한 박테리오파지 DNA에 숙주세포의 전사조절단백질이 결합하여 바이러스 유전자의 전사가 활성화되고 바로 단백질합성이 시작됨 - 바이러스 유전자의 프로모터가 활성화되어 숙주세포는 바이러스 유전자만 전사하게 됨 - 반대로 바이러스의 단백질은 숙주세포 유전자의 전사를 막고 숙주세포의 DNA를 파괴하기도 함 - 비리온들이 조립되기에 충분한 구성분들이 축적될 때까지 바이러스 DNA는 계속 복제되고 캡소머 단백질도 합성됨 - 다음 단계에서 바이러스 DNA는 단백질과 결합하여 완전한 자손 비리온(progeny virion)인 새로운 바이러스 입자를 형성하고, 이때 수백 개의 바이러스가 동시에 조립되어 숙주세포는 부풀어 오름 - 마지막으로 바이러스의 단백질은 세포막을 파괴하고, 자손 비리온을 방출하여 세포는 죽게 됨 그림 12.8 용균성과 용원성. (A) 바이러스는 세포에 침입한 후 세포의 효소를 이용해 유전 정보로부터 비리온의 구성 성분을 합성한다. 세포의 용균은 조립이 끝난 바이러스 입자가 세포 내부에서 축적되었을 때 일어나며, 이를 단방출량(burst)이라 한다. (B) 어떤 바이러스는 숙주의 염색체에 들어가 바이러스 DNA를 삽입한다. 여러 세대 동안 어떤 바이러스는 염색체에 삽입되어 남아 있는데 이것을 용원성 감염이라 하며, 주로 세균에서 일어난다. 환경의 변화로 인하여 용원성 바이러스가 세포의 용균을 유도하기도 한다.

(4) 용원성 경로의 바이러스들은 숙주세포의 DNA에 삽입된다 • 용원성 감염 : 바이러스 DNA를 숙주 DNA에 삽입하여 얼마동안 ‘숨은 (hidden)’ 상태로 남아있는 것 용원성 바이러스는 효소로 숙주세포의 DNA를 자르고, 숙주 DNA 분자와 바이러스 DNA가 결합하기 위해 또 다른 효소를 사용 세포가 분열할 때 바이러스 유전자 역시 복제됨 숙주세포에 손상을 주지 않고, 동시에 바이러스의 생존을 유지함 ∵ 세포는 바이러스를 외래 DNA로 인식하지 못하기 때문에 제거할 수 없음 - 이 상태에서는 몇 개의 바이러스 단백질만 전사되고 번역되며, 대부분의 이런 바이러스 단백질은 바이러스가 세포를 터뜨리고 방출될 때를 결정하는 스위치로 작용 세포의 영양상태가 부족하거나, DNA 손상 등의 신호가 있으면 숙주 유전체에서 바이러스 DNA를 자르고 용균성 감염 경로를 진행함 자손 바이러스는 다시 다른 세포에 감염하여 조건에 따라 용균 또는 용원성 상태로 들어감 • 잠복감염(latency) : 바이러스들이 복제가 가능한 시기까지 세포에 잠복해 있는 상태 예) 헤르페스 바이러스 : 입가에 나는 수포의 원인 - 감염된 후에 헤르페스바이러스 DNA는 감염된 세포 안에 남아 있다가 세포가 스트레스를 받거나 손상을 입으면 바이러스 DNA가 전사되어 새로운 비리온이 조립되어 다른 세포에 감염하기 위해 세포에서 방출됨 예) Epstein-Barr 바이러스(EBV) : 단핵세포증가증 (mononucleosis)의 원인 - 인구의 80%이상이 보유하고 있으나 발견되지 않고 효율적으로 남아 있음 • 잠복감염 바이러스는 감염 상태를 유지하기 위해 세포분열 신호를 지속적으로 보냄 → 암의 원인이 되기도 함

• HIV의 복제기작 : 용원성 바이러스지만 독특한 형태를 보임 - 숙주 DNA 안에 삽입된 후 감염 초기에는 많은 HIV 비리온이 생산되고 방출됨 - 시간이 지나면 감염된 세포는 소량의 바이러스 입자들을 계속해서 만들어냄 : 지속감염 상태가 됨 - 감염된 개체에서는 증상은 거의 나타나지 않으나, HIV는 감염된 개체의 혈류에 존재 - 이런 상태로 수년 간 지속되다가 아직 밝혀지지 않은 어떤 기작에 의해 바이러스가 자극을 받게 되면 다시 생산단계에 들어가게 됨 - 생산된 다량의 바이러스는 몸 안의 거의 모든 표적세포를 죽임 - 특히 중요한 면역계 세포가 파괴되어 감염으로부터 자신을 방어할 수 없게 됨 → 후천성 면역결핍증 에이즈(AIDS : Acquired immune deficiency syndrome) 그림 12.9 HIV의 복제. HIV는 세포에 감염하여 우선 숙주세포의 염색체에 삽입된 후 비리온을 생산한다.

12.4 바이러스 감염에 의한 세포사멸과 증상 • 바이러스 감염에 의한 증상은 파괴된 숙주세포의 유형이나 숙주의 반응으로 나타남 ex) 리노바이러스 (rhinovirus) : 호흡기 점액분비세포에서 발견, 일반적인 감기 증상 유두종 바이러스 (파필로마바이러스, papillomavirus) : 생식기관에 감염되어 자궁경부암 또는 생식기 사마귀 구제역 (hoof-and-mouth disease ) 바이러스 • 바이러스성 감염 증상은 감염성 물질에 대항하기 위해 체온이 오르고 염증과 고통이 나타나며 점액 분비가 증가되는 등의 면역반응이 나타남 (1) 바이러스는 한정된 종의 특정 세포들에만 감염한다 • 세포의 표면에 있는 특이적 표적 부착분자나 수용체를 가진 세포에만 감염 • 광견병 바이러스 : 인간, 스컹크, 박쥐 등에 모두 감염될 수 있는 공통된 표적분자를 가짐 • 숙주범위 : 바이러스가 침범할 수 있는 개체의 종류 • 증상 없이 바이러스를 보유할 수 있는 숙주를 저장소 (reservoir)라 함 예) 모기, 매미충과 같은 곤충도 저장소 역할을 하여 질병을 퍼뜨림 • 천연두 바이러스는 인간이 유일한 숙주이며 다른 세포에는 감염할 수 없음 : 백신이 개발된 후 소멸되었으나 16개국 이상에서 이를 생물무기로 개발 중

(2) 바이러스는 가끔 새로운 종에 감염하기도 한다 • 바이러스는 침입할 수 있는 숙주범위를 변화하는 능력이 있음 예) HIV는 유사한 침팬지에서 변화되어 인간에게도 감염될 수 있게 된 결과 • 바이러스는 다른 종으로 ‘뛰어넘기’를 할 수 있어서 다른 종으로 숙주범위를 넓힘 • 인수공통전염병 : 다른 동물 종으로부터 인간에게도 뛰어넘기식 감염 예) 독감 바이러스 - 새와 포유류 등 다양한 종의 호흡기 계통 세포에 감염할 수 있음 - 감염과정은 인간으로부터 돼지, 오리를 거쳐 다시 인간에게로 돌아오는 경로 - 이 바이러스는 복제과정에서 생기는 유전자 이상에 대한 복구능력이 없기 때문에 감염경로를 거치면서 유전자 돌연변이가 누적되고, 변이가 일어난 바이러스는 새로운 바이러스처럼 인식되어 인간의 면역계가 방어하기 어려움 그림 12.10 박쥐와 새는 새로운 종의 숙주에게 바이러스를 옮길 수 있다. 오스트레일리아에서 박쥐와 접촉한 사람에게서 새로운 호흡기 질병이 발생했다.

(3) 바이러스 감염에 대한 방어 • 세균은 방어를 위하여 자신의 제한효소로 특별한 염기서열을 절단함으로써 외부로부터 도입된 바이러스 DNA를 파괴함 : 자신의 DNA는 메틸(CH3)화되어 있어 제한효소로부터 보호됨 • 동물세포는 면역체계를 가지고 있음 - 항체는 바이러스 입자를 둘러싸서 바이러스가 표적세포에 붙는 것을 막아줌 - 이미 감염된 세포는 방어를 활성화시키는 화학물질을 주변에 분비하여 주변세포들이 바이러스 침입에 대비하는 방법도 제공 - 면역계 세포들은 새로 만들어진 바이러스들이 배출되기 전에 감염세포를 파괴 - 바이러스의 전사에 필수적인 효소나 단백질을 방해하는 항 바이러스성 약품이 사용됨

• 특정한 식물의 종에 질병을 유발시키는 고도로 감겨있는 원형 RNA 12.5 다른 비세포 감염성 병원체들 (1) 비로이드는 감염성 RNA 분자이다 • 특정한 식물의 종에 질병을 유발시키는 고도로 감겨있는 원형 RNA • 바이러스와 차이점은 단백질 외피 없이 노출된 RNA 분자라는 점 • 비로이드 RNA는 이중나선의 2차 구조로 단단하게 결합되어 있어서 숙주세포의 RNA 분해효소도 비로이드 RNA는 분해하지 못함 (2) 프리온은 변형된 단백질이다 • 프리온 (prion)은 세포보다도 간단한 감염성 병원체의 또 다른 유형 • 단백질성 감염입자 (proteinaceous infection particle) • 기능이 알려지지 않은 세포질에서 발견되는 정상적인 단백질로 특정한 형태의 단백질로 되었을 때 병을 일으킬 수 있음 • 프리온은 80종 이상의 포유류에서 발견되고 있지만 소수만이 알려짐 • 동물에게 극도의 가려움증을 유발시킴 : 스크래피(scrapie) • 프리온단백질(prion protein, PrP)중 스크래피 PrP 는 감염성을 가지며 정상구조를 가진 단백질의 형태를 감염성 구조로 전환 그림 12.12 프리온은 형태를 바꾼다. 프리온에 의한 질병은 하나의 스크래피 PrP가 정상적인 PrP와 접촉하여 비정상적인 PrP 구조로 전환됨으로써 나타남 이러한 변화가 확산되면서 감염된 종에서 질병이 발생함.

Each segment codes for a functionally important protein Influenza Virus? Each segment codes for a functionally important protein Polymerase B2 protein (PB2) Polymerase B1 protein (PB1) Polymerase A protein (PA) Haemagglutinin (HA or H) Nucleocapsid protein (NP) Neuraminidase (NA or N) Matrix protein (M): M1 constructs the matrix; and in influenza A viruses only, M2 acts as an ion channel pump to lower or maintain the pH of the endosome Non-structural protein (NS); the function of NS2 is hypothetical

Haemagglutinin : main influenza virus antigen Antigenic drift : Prominent mutations in the antigenic sites reduce or inhibit the binding of neutralising antibodies, thereby allowing a new subtype to spread within a non-immune population. Antigenic shift : (also termed genome reassortment or just reassortment) Resulting in the formation of a mosaic virus (when a cell is infected by 2 different influenza viruses and their genome segments are exchanged during replication.)

1918 “Spanish Influenza” - Pandemic Infected 1/3 of the world’s population (estimated 500 million people) Cased approximately 50 million deaths 제1차 세계 대전의 사망자수보다 3배