제12장 바이러스 유행성 이하선염 바이러스는 몇몇 샘(gland)을 포함한 특정 조직에 감염된다.

(1) 바이러스는 여과기를 통과할 수 있는 병원체이다 12.1 바이러스의 발견과 연구 (1) 바이러스는 여과기를 통과할 수 있는 병원체이다 바이러스는 거의 모든 세균을 걸러낼 수 있도록 고안된 여과기도 통과할 수 있을 만큼 작은 전염성 병원체이다. 바이러스는 세포는 아니지만 간단한 유전정보 물질-DNA 또는 RNA-이 단백질 외투로 둘러싸인 구조로 되어 있다. 바이러스 감염의 증상은 바이러스가 침입한 세포의 종류에 따라서 다양하게 나타난다. 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.

(1) 바이러스는 여과기를 통과할 수 있는 병원체이다 12.1 바이러스의 발견과 연구 (1) 바이러스는 여과기를 통과할 수 있는 병원체이다 담뱃잎의 발육이 저해되고 반점이 생기는 질병 1939년 바이제린크가 담배 모자이크 바이러스의 형태를 최초로 전자현미경을 통하여 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 12.1 바이러스의 발견과 연구 (2) 바이러스는 세포배양을 통하여 증식시킬 수 있다 바이러스를 희석하여 세포배양에 감염시키면, 넓게 펼쳐진 세포층 사이에 국지적으로 감염되어 나타나는 플라크 (plaque)로부터 단일균주 바이러스를 분리할 수 있다. 바이러스는 숙주세포 내에 특별히 적응되어 있기 때문에 유전자 치료에서 종종 벡터로 사용되기도 한다. 생명체로 보기에는 너무 작고 단순한 바이러스가 수십 조의 세포로 이루어진 인간을 며칠 만에 죽이기도 한다. 그림 12.2 바이러스 플라크. 세포배양 접시에서 보이는 작은 점들은 1개의 세포에 감염된 바이러스가 증식하고 인접 세포에 다시 감염하여 파괴함으로써 나타난 부분이며 이것을 플라크라 한다. 이 접시의 지름은 약 15 cm이다.

+ 개념정리 바이러스는 살아있지 않으며 단백질로 둘러싸인 핵산으로 구성되어 세포보다 매우 단순하다. 지질성 외피를 갖기도 한다. 바이러스는 숙주의 단백질 합성 메커니즘을 이용하여 자신을 증식한다. 바이러스에 감염된 세포의 손상 및 사멸로 질병이 나타난다. 세포배양 기술의 발달로 바이러스의 배양 및 연구가 시작되었다.

12.2 바이러스의 구조 단순한 구조 때문에 바이러스는 종종 입자로 불린다. 바이러스는 세포에 비해 훨씬 작다. 캡시드라고 하는 단백질 외피는 유전물질 주위에 일정하게 배열된 소단위 단백질 복합체인 캡소머로 구성 모든 바이러스는 그들의 구성물질을 생산하는 암호인 유전물질(DNA 혹은 RNA)을 갖고 있다. 세포 외부에서 발견되는 완전한 형태의 바이러스 입자를 비리온이라 부른다. 그림 12.3 바이러스와 세포의 비교. 각각의 바이러스는 매우 독특한 구조를 하고 있으며, 세균의 세포나 진핵세포에 비해 매우 작다. 바이러스의 모양은 단백질 구성에 의해 결정된다.

12.2 바이러스의 구조 담배 모자이크 바이러스 헤르페스바이러스 박테리오파지 등 그림 12.3 바이러스와 세포의 비교. 각각의 바이러스는 매우 독특한 구조를 하고 있으며, 세균의 세포나 진핵세포에 비해 매우 작다. 바이러스의 모양은 단백질 구성에 의해 결정된다.

+ 개념정리 바이러스는 비리온에 들어있는 유전물질의 종류 및 형태에 따라 분류된다. 바이러스의 단백질 외투인 캡시드는 동일한 단백질의 복합체인 캡소머들이 모여서 만들어진다. 입자의 가장 바깥쪽에 외피라는 지질층을 가지는 바이러스도 있다.

12.3 바이러스의 세포감염과 증식 바이러스는 세포의 표면분자에 붙어 숙주세포에 부착한다. (1) 바이러스는 표적세포에 결합하여 자신의 유전물질을 주입한다 바이러스는 세포의 표면분자에 붙어 숙주세포에 부착한다. 람다파지라는 박테리오파지는 맥아당 같은 형태의 분자를 가지고 있는데, 세균은 맥아당을 에너지원으로 사용하기 때문에 람다파지는 세균 표면에 있는 맥아당수용체에 결합할 수 있다. AIDS를 일으키는 인간 면역결핍 바이러스는 면역계에서 필수적인 역할을 하는 보조 T 세포의 세포표면에 발현되는 두 종류의 분자와 결합한다. 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. (그림에 있는 HIV의 크기는 확대된 것이다. 그림 12.9는 HIV의 정확한 크기 비를 보여주고 있다.)

12.3 바이러스의 세포감염과 증식 (1) 바이러스는 표적세포에 결합하여 자신의 유전물질을 주입한다 바이러스 감염의 두 번째 단계는 숙주와의 결합 후에 일어나는 단계로, 바이러스 유전물질의 세포 내 주입이다. 그림 12.5 바이러스의 세포 내 침입. (A) 박테리오파지는 숙주세포에 직접 DNA를 주입한다. (B) 어떤 동물바이러스는 세포에 통째로 들어가며, 그다음에 세포질에서 단백질이 분해되고 유전물질이 방출된다.

12.3 바이러스의 세포감염과 증식 식물도 바이러스 감염의 피해를 입을 수 있다. (1) 바이러스는 표적세포에 결합하여 자신의 유전물질을 주입한다 식물도 바이러스 감염의 피해를 입을 수 있다. 식물 바이러스는 잎이나 꽃에 연두색이나 녹색의 반점이 생기는 ‘모자이크병’을 일으킬 수 있으며, 감염으로 식물의 세포가 죽기도 한다. 그림 12.6 식물 바이러스는 손상된 부분을 통해 숙주세포로 침입한다. 곤충에 물린 자국이나 바람에 의해 손상된 식물 잎의 연한 상피로 바이러스가 감염하여 식물체 내로 이동한다.

12.3 바이러스의 세포감염과 증식 (2) 바이러스의 복제 경로는 두 가지이다 1개의 비리온이 감염하여 동시에 수많은 자손을 생산할 수 있고 이러한 전 과정을 바이러스의 복제라 한다. 용균성 감염: 어떤 바이러스는 감염 후 특정 시점에서 세포를 용해하거나 파괴하면서 복제를 시작 용원성 감염: 그들이 복제하기 좋은 조건이 될 때까지 숙주세포에 유전물질을 숨겨놓았다가 복제가 가능한 시기에 복제하는 메커니즘이다. 그림 12.7 일반적인 바이러스 복제환.

12.3 바이러스의 세포감염과 증식 용균성 감염은 바이러스의 유전물질이 숙주세포의 세포질에 들어오면서 시작 (3) 용균성 경로로 복제되는 바이러스들은 세포를 파괴한다 용균성 감염은 바이러스의 유전물질이 숙주세포의 세포질에 들어오면서 시작 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.

12.3 바이러스의 세포감염과 증식 용원성: 바이러스의 DNA가 숙주 DNA에 삽입하여 얼마동안 ‘숨은’ 상태로 남아있는 것 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.

12.3 바이러스의 세포감염과 증식 입 주위에 생기는 수포의 원인인 헤르페스바이러스 (4) 용원성 경로의 바이러스들은 숙주세포의 DNA에 삽입된다 입 주위에 생기는 수포의 원인인 헤르페스바이러스 HIV는 용원성 바이러스이지만 독특한 형태를 보인다. 그림 12.9 HIV의 복제. HIV는 세포에 감염하여 우선 숙주세포의 염색체에 삽입된 후 비리온을 생산한다.

12.3 바이러스의 세포감염과 증식 (4) 용원성 경로의 바이러스들은 숙주세포의 DNA에 삽입된다 독감은 수세기 동안 인간을 괴롭혔을 뿐 아니라 사망에까지 이르게 하기도 했다. 이 질병의 기원은 오리나 기러기와 같은 수금류이며, 이 동물들은 야생에 존재하는 바이러스의 저장소 역할을 한다. 그림 12.A 독감으로부터 보호하기. 1918년 독감이 급속하게 퍼지자 도시들은 철저한 수단을 강구하였다. 런던의 경찰들은 감염을 피하기 위하여 외과용 마스크를 착용하였다.

+ 개념정리 바이러스 감염은 바이러스가 세포표면의 특정 분자와 결합하면서 시작되며, 이때 바이러스는 자신의 유전물질을 주입하거나 세포 내로 함입된다. 바이러스들은 복제 시 두 가지 경로를 거치는데, 세포를 파괴하고 자손 바이러스를 방출하는 용균성 경로와 숙주 DNA에 삽입하여 얼마 동안 잔존하는 용원성 경로가 있다. 바이러스의 복제 단계들은 유전물질인 RNA, DNA 또는 단일가닥이나 이중가닥에 따라 달라진다.

12.4 바이러스 감염에 의한 세포사멸과 증상 (1) 바이러스는 한정된 종의 특정 세포들에만 감염한다 인간의 코, 기관지, 폐에서 점액을 생산하는 세포에 가장 효과적으로 자라는 리노바이러스는 일반적인 감기의 증상을 일으킨다. 생식기관 세포에 감염한 유두종 바이러스는 감염된 세포에서 증식하여 생식기 사마귀를 만든다. 구제역을 일으키는 바이러스는 소의 다리와 입의 세포에 감염된다. 그림 12.10 박쥐와 새는 새로운 종의 숙주에게 바이러스를 옮길 수 있다. 오스트레일리아에서 박쥐와 접촉한 사람에게서 새로운 호흡기 질병이 발생했다.

12.4 바이러스 감염에 의한 세포사멸과 증상 (1) 바이러스는 한정된 종의 특정 세포들에만 감염한다 바이러스는 침입할 수 있는 세포의 유형이 매우 한정적인데, 그 이유는 세포의 표면에 특정 바이러스를 부착시킬 수 있는 표적분자나 수용체를 가진 세포에만 그 바이러스가 감염할 수 있기 때문이다. 광견병 바이러스는 인간, 스컹크, 박쥐 등에 모두 감염할 수 있는 데 이들은 세포에 공통된 표적분자르 가지기 때문이다. 바이러스가 감염할 수 있는 개체의 종류를 숙주범위라 한다. 증상 없이 바이러스를 보유할 수 있는 숙주를 저장소라 부른다. (모기나 매미충과 같은 곤충) 그림 12.10 박쥐와 새는 새로운 종의 숙주에게 바이러스를 옮길 수 있다. 오스트레일리아에서 박쥐와 접촉한 사람에게서 새로운 호흡기 질병이 발생했다.

12.4 바이러스 감염에 의한 세포사멸과 증상 바이러스의 또 다른 특징는 침입할 수 있는 숙주범위를 변화하는 능력이다. (2) 바이러스는 가끔 새로운 종에 감염하기도 한다 바이러스의 또 다른 특징는 침입할 수 있는 숙주범위를 변화하는 능력이다. HIV는 이와 유사한 침팬지 바이러스에서 변화되어 인간에게도 감염될 수 있게 된 결과라고 본다. 독감바이러스는 다른 동물 종으로부터 인간에게로 뛰어넘기식 감염을 하는 인수공통전염병의 예이다. 독감바이러스는 새와 포유류 등 다양한 종의 호흡기 계통 세포에 감염할 수 있다. 잘 알려진 감염과정은 인간으로부터 돼지, 오리를 거쳐 다시 인간에게로 돌아오는 경로이다. 유전자에 돌연변이가 누적 숙주범위가 광범위한 바이러스 중 어떤 종류는 특정 종에 심한 질병을 일으키기도 한다. 그림 12.10 박쥐와 새는 새로운 종의 숙주에게 바이러스를 옮길 수 있다. 오스트레일리아에서 박쥐와 접촉한 사람에게서 새로운 호흡기 질병이 발생했다.

12.4 바이러스 감염에 의한 세포사멸과 증상 (3) 바이러스 감염에 대한 방어 세균은 방어를 위하여 자신의 제한효소로 특별한 염기서열을 절단함으로써 외부로부터 도입된 바이러스 DNA를 파괴한다. 동물세포의 경우 제한효소는 없지만 면역계가 있어 다양한 방법으로 바이러스를 방어한다. 현재 바이러스의 전사에 필수적인 효소나 단백질을 방해하는 항바이러스성 약품들도 많이 사용되고 있는데 예를 들어, 항 AIDS 약품인 AZT나 ddC는 HIV의 전사과정에 사용되는 효소를 차단시키고, 단백질분해효소 저해제는 단백질의 공정과정에서 HIV의 능력을 차단하는 약품이며, 세포질로 바이러스가 도입되는 과정을 방해하는 약품들도 개발되었다. 그림 12.10 박쥐와 새는 새로운 종의 숙주에게 바이러스를 옮길 수 있다. 오스트레일리아에서 박쥐와 접촉한 사람에게서 새로운 호흡기 질병이 발생했다.

+ 개념정리 바이러스성 질병의 증상은 특정 세포 내에서 바이러스의 직접적인 영향으로부터 발생하거나 면역계의 반응으로부터 발생한다. 바이러스는 한정된 종의 특정 세포에만 감염이 된다. 어떤 바이러스는 돌연변이를 통하여 한 종에서 다른 종으로 뛰어넘기도 한다. 어떤 바이러스는 매개체 종에 아무런 영향을 미치지 않으면서 오랫동안 존재한다. 바이러스는 숙주세포 안에 숨어있기 때문에 바이러스 감염의 극복은 숙주에 있어 난제 중의 하나이다. 숙주에 의존하는 바이러스의 독특한 생활양식 때문에 현재까지 개발된 항바이러스 약품은 많지 않다.

12.5 다른 비세포 감염성 병원체들 (1) 비로이드는 감염성 RNA 분자이다 비로이드는 특정한 식물종에 질병을 일으키는 원형 RNA로, 바이러스와 달리 단백질 외피 없이 노출된 형태의 RNA 분자로 존재한다. 비로이드 RNA는 이중나선의 2차 구조로 단단하게 결합되어 있어서 숙주세포의 RNA 분해효소도 비로이드 RNA는 분해하지 못한다. 그림 12.11 식물은 비로이드라고 하는 감염성 입자에 의하여 피해를 입는다. 비로이드에 의해 발생한 ‘tomato bunchy top’을 가진 토마토(왼쪽)와 정상적인 토마토(오른쪽)를 보여주고 있다.

12.5 다른 비세포 감염성 병원체들 (2) 프리온은 변형된 단백질이다 프리온은 세포질에서 발견되는 정상적인 단백질로서, 특정한 형태의 단백질이 되었을 때에 병을 일으킬 수 있다. 스크래피라 불리는 프리온 단백질은 양에게 극도의 가려움을 일으켜 온몸에 생채기가 생길 정도로 긁게 만든다. ‘정상형’이 아닌, 감영성을 가지는 ‘스크래피’형태를 한 프리온은 다른 동물들에서 전염성 해면상 뇌증 (TSE) 이라는 병을 일으킴 그림 12.12 프리온은 형태를 바꾼다. 프리온에 의한 질병은 하나의 스크래피 PrP가 정상적인 PrP와 접촉하여 비정상적인 PrP 구조로 전환됨으로써 나타난다. 이러한 변화가 확산되면서 감염된 종에서 질병이 발생한다.

12.5 다른 비세포 감염성 병원체들 (2) 프리온은 변형된 단백질이다 CJD (Creutzfeldt-Jakob disease)는 매우 희귀한 병이며, 선천적 또는 오염된 생체기관의 이식, 호르몬, 뇌수술 시 사용하는 도구의 오염에 의해서 전염이 된다. 감염성 프리온은 요리과정이나 인간의 소호기관에서 분비되는 소화효소로 없앨 수 없다. 그림 12.B 유행성 감염질환의 연표. 변종 크로이츠펠트-야콥병(vCJD)에 감염된 사람의 사례는 BSE 유행이 감소하기 시작하면서 서서히 나타났다. 감염된 가축을 도살하고 사람에서 처음으로 병이 나타나기까지는 몇 년의 기간이 걸렸는데, 이것으로 이 질병이 잠복기를 가지고 서서히 발병한다는 것을 알 수 있었다. BSE는 새로운 형태의 CJD의 원인이라는 사실이 명백해졌다. 전염병 학자들은 미래에는 과연 vCJD의 발생률을 조절할 수 있을지 아직 확신하지 못하고 있다.

12.5 다른 비세포 감염성 병원체들 (2) 프리온은 변형된 단백질이다 병에 걸린 동물을 다른 동물이 먹을 경우 감염된 조직의 이식 또는 호르몬의 접촉 같은 종을 먹는 행위 병에 걸린 다른 동물을 인간이 먹을 경우 광우병으로 알려진 소-해면상 뇌증 (BSE)을 가진 소의 신경조직을 먹을 경우, 새로운 변종 CJD가 소에게소 사람에게 전염될 수 있다는 증거가 나타남. 새로운 변종 CJD를 vCJD라 부르게 되었음 그림 12.13 프리온 질병인 BSE의 영향. 이 그림에서는 광우병에 걸려 소-해면상 뇌증(BSE)으로 죽은 소의 뇌에 있는 단백질 섬유의 덩어리와 구멍을 보여준다.

+ 개념정리 비로이드는 식물에 피해를 주는 감염성 RNA 분자이다. 프리온 질병은 비정상적인 프리온 단백질에 의한 정상적인 프리온 단백질의 변형으로 발생한다.

12장 핵심내용 바이러스는 단백질 외투 안에 핵산을 가지며, 외피에 싸인 것들도 있다. 바이러스는 살아 있는 세포 안에서만 증식한다. 바이러스의 단백질 외투를 캡시드라 한다. 세포 외부에서 발견되는 바이러스 입자는 비리온이라 한다. 캡시드는 여러 가지 모양을 띤다. 숙주세포막에서 유래한 바이러스의 외피는 바이러스가 암호화한 단백질과 숙주의 지질로 되어 있다. 바이러스는 숙주세포의 표면에 있는 분자에 결합한 후, 입자 전체가 숙주세포 안으로 함입되어 들어가거나 핵산만 세포 내로 주입된다. 곤충은 바이러스가 식물세포로 감염하는 것을 돕는다. 그 후 바이러스는 식물세포를 연결시키는 원형질연락사를 통해 확산된다. 용균성 감염을 하는 바이러스는 감염 후 바로 복제하여 자손 비리온을 조립하고 방출한다. 용원성 감염을 하는 박테리오파지의 경우 핵산이 숙주세포의 DNA에 삽입되어 잠복 상태로 존재한다. 몇몇 동물 바이러스도 이러한 잠복 상태로 숙주세포 안에 숨어 있을 수 있다.

바이러스의 복제 방법은 유전물질이 RNA 인지 DNA 인지 그리고 그것이 단일가닥인지 이중가닥인지에 따라서 결정된다. 바이러스는 세포에 직접 손상을 입힘으로써, 또는 면역반응을 자극하여 간접적으로 질병을 일으킨다. 바이러스가 감염하는 종의 종류가 숙주범위이다. 바이러스 병원체는 저장소로 작용하는 종에 감염하기도 하는데 이러한 저장소 안에서는 어떤 증상도 일으키지 않는다. 바이러스 감염에 대한 방어의 수단으로 세균은 제한효소를 사용하고, 동물은 면역계를 가진다. 비로이드는 감염성이 있는 RNA로 식물에 감염한다. 프리온은 같은 종류의 단백질 형태를 변형시켜 질병을 일으키며 전염성을 가진다.