바이러스(바이러스 구조, 생활사)

바이러스(virus)

                                                                    김진국

 1. 바이러스 발견

 바이러스(virus, 라틴어로 독, toxin)는 무생물에 가까운 생물이다.
바이러스는 단지 핵산(DNA, RNA)과 이를 싸고 있는 단백질 막만으로 되어 있으며, 몇 가지 효소만을 가지고 있다.
바이러스(virus, 라틴어로 독, toxin)는  드미트리 이바노프스키(Dmitri Iosifovich Ivanovsky, 1864~1920, 러시아)가 1892년 감염성 담배 모자이크병(담배 모자이크 바이러스) 연구하던 중에 발견하였다. 담배 모자이크병에 감염된 담뱃잎을 부수어 여과기(초벌구이 토기)에 넣어 통과한 여과액을 정상 담뱃잎에 접종하였더니 담배 모자이크병이 발생하였다. 그래서 담배 모자이크병을 일으키는 것은 여과기를 통과한다는 것을 밝혀냈다.
박테리아(세균)는 커서 여과기를 통과하지 못하므로 여과액에서 관찰된 것은 박테리아가 아니고 새로운 생명체라는 것을 알게 되었다.
1898년 네덜란드의 베이예링크(Martinus Beijerinck)가 이바노프스키와 비슷한 실험을 하고 그 병원체를 ‘바이러스(virus)’라 했다.
1935년 웬들 메러디스 스탠리(Wendell Meredith Stanley, 1904 ~1971, 미국)는 감염된 담배모자이크바이러스를 결정체로 분리하였으며 전자현미경으로 관찰해 새로운 새로운 균임을 확인하게 되었다.
 바이러스의 크기는 100nm 정도로 세균(박테리아) 크기의 1/100 정도이다.

2. 바이러스 구조
 
바이러스는 핵산(DNA 또는 RNA)과 캡시드(단백질)로 구성되어있다.  비리온(virion ; 개개의 바이러스 입자)은 DNA(핵산)나 RNA(핵산, DNA는 없음)가 캡시드(capsid, 단백질 성분)에 싸여 있다.
핵산과 캡시드(capsid)가 결합한 구조(뉴클레오캡시드, nucleocapsid)에 따라 입방 대칭형(cubic symmetry)과 나선형 대칭형(helical symmetry)으로 구분한다.
입방 대칭형은 핵산으로 구성된 핵(심)(core)과 이것을 둘러싼 캡시드(capsid, 껍질)로 구성한다. 캡시드는 캡소미어(capsomere)라는 단백질의 구성단위로 되어 있다.  
나선형 대칭형 바이러스는 캡소미어로 된 캡시드가 핵산과 결합하여 나선형을 이룬다.
캡시드 밖에 피막(envelope, 두층의 인지질)으로 싸이는 경우도 있고 피막이 없는 것도 있다. 나선 대칭구조의 뉴클레오캡시드가 있는 바이러스는 외피를 갖고 있다.
피막(envelope,  두층의 인지질)이 있는 경우에는 피막의 안쪽 부분이 막단백질(matrix protein)로 되어 있고 피막 바깥 부분은 압침 모양의 스파이크단백질(Spike Glycoprotein, 페플로머 Peplomer, 돌기단백질,  당단백질)로 구성되고 있다. 막단백질(matrix protein)은 바이러스의 유전자에 의해 결정되며 바이러스의 구조를 유지한다.
압침 모양의 스파이크단백질(Spike Glycoprotein, 페플로머 Peplomer)은 숙주세포의 세포막이나 세포막 유래성분과 바이러스의 유전자에 따라 결정되며 숙주 세포를 침투하기 위한 숙주세포 수용체의 리간드(ligand, 수용체와 같은 특별히 큰 분자에 특이적으로 결합하는 물질) 역할을 한다.
대부분의 동물 바이러스는 외피(envelop)로 싸여 있는 피막 바이러스(enveloped virus)이다.
외피(envelop)가 없는 바이러스를 노출 바이러스(naked virus, non-enveloped virus)라 하며 식물바이러스와 박테리오파지가 여기에 속하지만 동물 바이러스인 파포바바이러스(papovaviruses), 아데노바이러스(adenoviruses), 레오바이러스(Reovirus) 등도 지질 이중막이 없는 노출 바이러스이다.
 바이러스는 나선형, 다면체, 육면체, 벽돌형 등이 있다.
 인플루엔자(RNA 바이러스)는 캡시드(capsid, 단백질) 바깥에 다시 인지질 성분인 피막(envelop)으로 싸여 있다. 피막(envelop)에는 압침 모양의 hemagglutinin (HA)과 neuraminidase (NA)이라는 압침모양의 갈고리가 빽빽이 박혀 있는데, 헤마글루티닌(Hemagglutinin, HA)은 세포의 수용체에 결합하는 작용을 하며 뉴라미니데이스(Neuraminidase, NA)는 세포로부터 바이러스가 분리되어 나올 때 세포막을 가위질하는 중요한 역할을 하는 효소이다. 이렇게 HA와 NA라는 스파이크로 숙주 세포에 붙어 바이러스는 숙주세포 내부로 자신의 핵산(유전물질)을 집어넣어 숙주 세포 속에서 증식을 한다.

3. 바이러스 종류

 바이러스 종류는 감기를 일으키는 리노바이러스(Rhinovirus), 아데노바이러스(Adenovirus), RS바이러스(Respiratory syncytial virus)와 독감을 일으키는 인플루엔자(influenza), 조류독감을 일으키는 조류 인플루엔자, 에이즈(AIDS)를 일으키는 에이즈 바이러스(AIDS virus), 담배 식물에 담배 모자이크병을 일으키는 담배모자이크바이러스(tobacco mosaic virus), 세균에 기생하는 박테리오파지(bacteriophage) 등 수없이 많이 있다. 이 중 담배모자이크바이러스는 식물에 기생하며, 박테리오파지는 박테리아(세균)에 기생한다.
 또 바이러스가 가진 핵산의 종류에 따라 DNA바이러스와 RNA바이러스로 나눌 수 있다.
DNA바이러스에는 파르보바이러스(parvovirus, 가장 작은 동물바이러스), 파포바바이러스(Papovavirus, 포유류에 종양을 일으킴), 아데노바이러스(Adenovirus, 소아 호흡기 질환), 헤르페스 바이러스(herpes virus, 대상포진), 폭스 바이러스(Poxvirus, 천연두)과에 속하는 것들이 있다.
RNA 바이러스 중에는 RNA 복제로 증식하는 코로나바이러스(Corona Virus,포유류와 조류의 호흡기 질환), 리노바이러스(Rhinovirus, 감기, 코감기), RS바이러스(Respiratory syncytial virus, RSV, 호흡기세포융합바이러스, 급성호흡기감염병) 등이 있다.
그리고 RNA를 역전사(reverse transcription)하여 DNA를 합성한 다음 DNA로부터 다시 RNA를 전사하여 증식하는 레트로바이러스(retrovirus)가 있다.
레트로바이러스(retrovirus)에는  HIV(human immunodeficiency virus, 에이즈 바이러스)가 있다.
 에이즈 바이러스는 한 가닥의 RNA를 두 개 가지고 있다. 에이즈 바이러스는 숙주세포(helper T-cell)에 내포 작용으로 침투한다, 즉 에이즈 바이러스는 자신의 외피를 숙주세포 막에 융합시키고 핵산 등을 숙주세포 안으로 넣는다. 동물성 바이러스의 외피는 숙주에서 증식해 세포막을 터뜨리고 나올 때 숙주 세포의 세포막을 일부 가지고 나온 것이다. 동물성 바이러스의 외피와 숙주의 세포막은 같은 기원의 막이므로 잘 융합할 수 있는 것이다. 침투한 에이즈 바이러스는 한 가닥의 RNA를 두 개 가지고 있는데 RNA로부터 역전사 효소(reverse transcriptase)를 통해 DNA를 역전사 하여 DNA를 합성한다. 합성된 DNA는 숙주 DNA의 어느 곳에서나 결합할 수 있다. 숙주세포 내에서 핵산(RNA)과 단백질 등을 합성하여 바이러스로 증식하며 세포막을 뚫고 나온다. 이때 숙주 세포막을 일부 가지고 나오며 숙주는 세포막이 터져 죽는다.
HIV는 림프구 중에서 보조 T-세포(helper T-cell, 침입한 균의 정보를 B림프구에 전달함)라는 세포에 기생하여 T-세포를 파괴하므로 T-세포의 부재로 암이나 병균에 대한 면역반응을 시작할 수 없다.
 그리고 위에서 나눈 바이러스 종류를 크게 구분한 것이고 실제 존재하는 바이러스는 돌연변이가 잘 일어나므로 종류는 수없이 많다.
 바이러스보다 작은 새로운  비로이드(viroid)라는 병원체가 1971년 T.O.Diener에 의해 감자 마름병(potato spindle tuber disease)에서 발견되었다. 비로이드(viroid)는 일반 바이러스가 갖고 있는 단백질 막인 캡시드도 없이 작은 고리 모양의 단일가닥인 RNA(리보핵산) 1개로만 이루어져 있다. 비로이드(viroid)는 단백질을 전연 합성할 수 없으며 세포 파편을 통해 한 세포에서 다른 세포로 기계적으로 옮겨가는 것처럼 보이며, 준 바이러스적 특성을 나타내고 있으며 아직 행동양식이 불분명하다.  

4. 바이러스 생활사

 바이러스는 유전자를 가지고 있고 유전자는 돌연변이가 일어나므로 진화하고 환경에도 적응을 할 수 있으나, 세포(인지질로 된 막 구조가 없음)로서의 구조를 갖추지 못했으며, 항상성, 물질대사(물질의 합성과 분해, 효소 없음)도 할 수 없어 살아있는 숙주세포(숙주세포에서 생성된 물질과 ATP사용)에 기생하며, 숙주세포를 이용하여 번식을 한다.
 바이러스는 가장 간단한 생물이지만 지구상에 가장 먼저 출현한 생물은 아니다. 이유는 바이러스는 기생하는 생물이므로 숙주가 없으면 살 수 없다. 그래서 바이러스보다는 숙주에 해당하는 생물이 먼저 지구상에 출현했다고 할 수 있기 때문이다. 바이러스는 지구상에 출현한 생물이 나중에 퇴화하여 숙주에 기생하였다고 추측할 수 있다.
 바이러스의 일종인 박테리오파지(bacteriophage)의 생활사는 용원성 생활사(lysogenic cycle)와 용균성 생활사(lytic cycle)의 두 가지가 있다.  용균성 생활사에서 박테리오파지의 증식이 일어나면 숙주세포를 파괴하는 반면 용원성 생활사에서는 숙주세포가 파괴되지 않고 숙주세포가 증식할 때 숙주세포 DNA에 삽입된 박테리오파지의 유전자도 같이 복제된다.
박테리오 파지 중에는 용균성 생활사(lytic cycle)와 용원성 생활사(lysogenic cycle)를 모두 가지는 종류가 있는데 이들을 온건성 파지(temperate phage, 예 , 람다 파지)라고 한다.
박테리아가 온건성 파지(temperate phage)에 감염되어도 살아남을 수 있는 경우는 박테리아가 돌연변이를 일으키거나 박테리오파지가 용원성 생활사를 하는 경우이다.

가. 용원성 생활사(lysogenic cycle)

 박테리오파지(bacteriophage)의 용원성 생활사(lysogenic cycle)에서는 숙주세포의 파괴가 일어나지 않고 숙주세포의 DNA가 복제될 때 박테리오파지의 유전자가 같이 복제된다.
 용원성 생활사(lysogenic cycle)를 보면 박테리오파지의 꼬리 섬유가 숙주세포의 표면에 있는 특수한 수용체와 결합하여 박테리오파지가 숙주세포에 부착되면 박테리오파지의 꼬리가 파지 리소좀을 분비, 세균의 세포벽을 분해하여 박테리오파지의 캡시드(단백질 껍질) 안에 있던 DNA 또는 RNA를 숙주세포로 들여보내고 캡시드는 숙주세포의 표면에 남는다. 세포 속으로 들어간 박테리오파지의 유전물질은 숙주세포 내에서 고리 모양을 이룬다. 이 시기에 특정한 요소들에 의해 박테리오파지가 용균성 생활사를 할 것인지, 용원성 생활사를 할 것인지 결정된다. 용원성 생활사가 일어날 경우에는 박테리오파지의 유전자(DNA 또는 RNA)를 숙주세포의 DNA 사이에 삽입한다. 숙주세포의 DNA에 삽입된 박테리오파지를 프로 파지(prophage)라고 한다. 프로파지는 숙주세포가 증식할 때마다 숙주세포의 DNA와 함께 복제가 되므로 숙주세포를 파괴하지 않고 박테리오파지의 유전자를 복제할 수 있다.
간혹 프로파지(prophage)가 숙주세포의 DNA를 빠져나와 다시 고리형이 될 수 있는데, 이 경우 다시 특정한 인자에 의해 용균성 생활사를 할 것인지, 아니면 용원성 생활사를 계속할 것인지 결정된다. 이를 결정하는 인자는 보통 환경으로부터 기인한다. 방사선이나 특정한 화합물을 투여하면 박테리오파지를 용원성 생활사로부터 용균성 생활사로 전환시킬 수 있다.
 프로파지(prophage)에서 먼저 생성된 몇 가지 단백질이 프로파지 유전자가 발현되어 새로운 박테리오파지가 생성되는 것을 막아 준다. 그 결과 프로파지는 숙주세포 내에서 새로운 박테리오파지를 생성하지 않고 숙주세포가 복제될 때마다 같이 복제될 수 있다.
프로파지의 일부 유전자는 특별한 경우에 숙주세포 내에서 형질이 발현되어 숙주세포의 표현형에 영향을 줄 수 있다. 그래서 특정한 종류의 프로파지를 가지고 있는 박테리아는 독성 물질을 만들어 낼 수 있고, 이로 인해서 이런 박테리아의 숙주는 병이 발생하게 된다.
 그리고 숙주 유전자의 변화를 일으켜 암(cancer)을 유발할 수도 있다.

나. 용균성 생활사(lytic cycle)

 용균성 생활사(lytic cycle)는 박테리오파지에 의해 숙주세포의 파괴로 이어진다. 용균성 생활사만을 반복하는 박테리오파지(bacteriophage)를 독성 파지(virulent phage, 예, T4 파지)라고 한다.
 용균성 생활사에서 박테리오파지는 다음과 같은 과정을 거쳐 증식한다.
박테리오파지의 꼬리 섬유가 숙주세포의 표면에 있는 특수한 수용체와 결합하여 박테리오파지가 숙주세포에 부착되면 박테리오파지의 꼬리가 파지 리소좀을 분비, 세균의 세포벽을 분해하여 박테리오파지의 캡시드(단백질 껍질) 안에 있던 DNA 또는 RNA가 숙주세포로 들여보내고 캡시드는 숙주세포의 표면에 남는다. 세포 속으로 들어간 박테리오파지의 유전물질은 숙주세포 내에서 고리 모양을 이룬다. 이 시기에 특정한 요소들에 의해 박테리오파지가 용균성 생활사를 할 것인지, 용원성 생활사를 할 것인지가 결정된다.
 만일 용균성 생활사가 일어날 경우 숙주세포의 DNA는 분해되고 박테리오파지의 유전물질(DNA 또는 RNA)은 복제되며 박테리오파지 자신의 DNA 또는 RNA로부터 숙주세포의 효소를 사용하여 단백질을 합성 캡시드를 만들어 새로운 박테리오파지를 생성하고 숙주세포의 세포막을 파괴하는 효소를 생산 숙주세포를 파괴하므로 새롭게 생성된 박테리오파지를 내보낸다. 이와 같이 박테리오파지가 숙주세포 내에서 번식하여 세포 밖으로 빠져나갈 때 숙주세포를 죽인다.
새로운 박테리오파지가 외부로 방출되는데, T4 파지의 경우 하나의 숙주세포에서 생성되는 새로운 바이러스의 수는 100~200개에 달한다.

5. 박테리오파지에 대한 박테리아의 대응

  박테리오파지(bacteriophage)가 박테리아에 침입하면 박테리아는 어떻게 반응할까?  박테리아는 박테리오파지가 침입할 때 감염이 일어나지 않도록 박테리오파지에 대한 대응체계를 갖추고 있다. 박테리아는 제한효소(Restriction endonucleases, 제한 핵산 내부 가수분해효소)를 가지고 있는데, 제한효소는 특수한 DNA 염기서열을 인식하여 DNA를 분해해서 잘라버리는 효소인데, 외부에서 박테리오파지의 DNA가 들어오면 제한효소의 작용으로 유입된 박테리오파지의 DNA가 분해된다. 박테리아 자신의 DNA는 메틸화 되어 있어 제한효소에 의해 분해되지 않는다. 또한 박테리오파지도 계속해서 진화하므로 진화 과정에서 박테리아가 인식하지 못하는 박테리오파지가 생겨날 수 있다.

6. 항바이러스제(antivirals)

 현재는 항바이러스제도 생산이 가능해졌다. 예를 들어 단순포진 1형과 2형 헤르페스 바이러스에 작용하는 항바이러스제로는 Acyclovir, valacyclovir, famciclovir가 있으며, 이것들은 구아닌 유도체이다. 이러한 구아닌 유도체는 단순포진 바이러스의 DNA 중합 효소의 작용을 방해하여 바이러스 DNA의 증식을 막는다.
그리고 뉴라미니다아제(neuraminidase)는 시알산(sialic acid)을 구성하는 뉴라민산(neuraminic acid)을 가수 분해하여 시알산을 분리하는 효소로 바이러스가 적혈구나 일반 세포로부터 탈출할 때 작용하는 수용기 파괴 효소이다.
그래서 뉴라미니다아제 억제제(Neuraminidase inhibitor, NAIs)를 인플루엔자 A와 인플루엔자 B의 증식을 억제하는 항바이러스제(antivirals)로 사용한다.

7. 바이러스의 변종 생성

 바이러스의 번식은 복제에 의해 증식하므로 자손의 형질이 모두 같다. 바이러스의 출현 이후 지금 까지 이들이 견디지 못할 정도로 환경이 수없이 변해왔으므로 이들은 모두 죽어 멸종되어야 할 것이다. 그러나 지금도 바이러스는 존재하고 있다. 이와 같이 환경이 수없이 변하여도 바이러스가 존재하는 것은 변이를 일으켜 다양한 종류를 생성하여 살아감에 따라 환경이 변화하여도 살아남는 종이 있으므로 환경변화에 적응할 수 있는 것이다.
예를 들어 독감 바이러스(인플루엔자)는 A, B, C 종이 있으며 같은 A종이라도 돌연변이가 일어나 다양한 종류가 있다.
 바이러스가 숙주에 기생하여 핵산을 복제할 때 돌연변이를 일으킨다.
 조류독감 바이러스와 사람의 독감 바이러스는 비슷한 구조이지만 바이러스 껍질에 붙어 있는 갈고리의 종류가 조금 다르게 변이가 일어난 것이다. 그래서 사람이 조류 독감에 걸리지 않는다. 최근에 조류독감 바이러스가 돌연변이를 일으켜 사람에게 기생할 수 있는 바이러스들이 출현했다고 한다.
  조류독감 바이러스가 인간 세포에 달라붙는 갈고리를 가진 신종 바이러스로 돌연변이되는 과정에는 돼지가 중간에 숙주로 작용하였을 것이라고 추측한다. 닭은 조류독감만, 사람은 독감에만 걸리지만, 돼지는 특이하게도 조류독감과 사람 독감에 모두 걸릴 수 있다. 어떤 돼지가  조류독감과 사람의 독감을 동시에 앓게 되면, 돼지의 몸속에서 이 두 바이러스가 서로 섞여 변종 독감 바이러스를 만들어낼 가능성이 있다. 인간에게 전염되는 조류독감 바이러스는 이렇게 돌연변이를 일으킨 변종 조류독감 바이러스가 다시 닭이나 오리에게로 전염되고, 이들을 만진 사람에게로 전염된 것으로 보고 있다.

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