레트로바이러스(retrovirus)인 HIV(에이즈 바이러스)
1. 레트로바이러스(retrovirus)
바이러스는 게놈으로 DNA를 가지는 DNA바이러스와 DNA는 가지지 않고 RNA만을 가지는 RNA바이러스로 나눌 수 있다.
대부분의 RNA바이러스는 RNA를 복제하여 증식한다.
레트로바이러스(retrovirus)도 게놈(genome, 유전체)에 DNA는 없고 RNA만 가지는 RNA바이러스이다.
그러나 레트로바이러스(retrovirus)는 RNA를 복제하여 증식하지 않는다.
레트로(retro)는 “거꾸로”라는 뜻으로 역전사효소로 RNA로부터 DNA를 역전사하여 합성된 DNA를 숙주의 DNA에 삽입한 다음 RNA를 전사하여 증식한다.
이와 같이 Retrovirus는 숙주에 침입하면 자신의 RNA유전자를 역전사효소(reverse transcriptase)로 DNA로 역전사하여 숙주의 DNA에 삽입하는 특징을 가지고 있는 것이다.
역전사효소(reverse transcriptase)는 1970년에 하워드 마틴 테민(Howard Martin Temin, 1934~1994, 미국)과 데이비드 볼티모어(David Baltimore, 1938~, 미국)가 RNA 종양 바이러스에서 발견하였다.
사람의 유전체에 삽입된 Retrovirus 유전자들 중 일부는 돌연변이나 결실 등의 원인으로 바이러스를 증식하지 못하고 사람의 DNA에 그대로 남아 있는 것이 있다. 이렇게 흔적으로 남아있는 retrovirus 유전자를 endogenous retrovirus(HERV, 내생 레트로바이러스)라 한다. 수백 수천만 년 동안 사람의 유전체 속에 계속 삽입되어 쌓여있는 내생 바이러스의 유전자는 사람 유전체(게놈, genome)의 8% 정도를 차지한다.
내성 바이러스들은 바이러스를 복제할 수는 없으나 그중 어떤 내성 바이러스 유전자들은 숙주의 발생 과정이나 질병 중에 전사되어 단백질을 합성하기도 한다.
이와는 달리 사람 몸에 침입하면 질병을 유발하는 retrovirus를 exogenous retrovirus(외인성 레트로바이러스)하며 이런 exogenous retrovirus(외인성 레트로바이러스)에는 human T-cell lymphotropic virus (HTLV, 사람 T세포림프친화바이러스)와 human immunodeficiency virus (HIV, 에이즈바이러스)가 있다. HTLV-1은 드물게 나타나는 성인형 T-세포 백혈병(Adult T-cell Leukemia, ATL)의 원인이다.
이러한 외인성 retrovirus 유전자들은 내생 retrovirus 유전자와는 달리 인간 유전체(게놈)에 삽입되어 남아 있는 것은 없다.
내생 바이러스와 외인성 바이러스가 숙주에서 만나게 되면 상호작용을 하여 외인성 바이러스의 감염 및 병원성에 영향을 준다.
2. 에이즈 바이러스(HIV)
HIV(human immunodeficiency virus, 에이즈 바이러스)는 에이즈(AIDS, Acquired Immune Deficiency Syndrome, 후천성 면역결핍증)를 일으키는 바이러스다. HIV는 DNA를 가지지 않고 RNA만 가지는 RNA바이러스이며 역전사 효소가 있어 RNA를 역전사하여 DNA를 힙성할 수 있는 레트로바이러스이다. HIV(에이즈 바이러스)의 구조는 두 개의 RNA 유전체, RNA를 DNA로 합성하게 하는 역전사효소(reverse transcriptase), RNA와 역전사효소(reverse transcriptase)를 감싸는 캡시드(capsid, RNA와 캡시드를 합친 구조를 뉴클레오캡시드라 함) 단백질, 캡시드를 둘러싸고 있는 피막(envelope, 인지질 이중층으로 됨)으로 구성되어 있으며, 피막에는 압침 모양의 당단백질(Spike단백질)이 박혀있다.
캡시드와 피막 사이를 기질 단백질(matrix protein)이라 하는데 기질 단백질(matrix protein)은 바이러스 피막의 견고성(rigidity)을 유지하는 작용을 한다.
그리고 피막에 붙어있는 당단백질인 Spike는 레트로바이러스가 특정 숙주세포의 수용체에 결합하게 하여 숙주세포를 침투시킬 때 사용하는 보조기구이다.
HIV(에이즈 바이러스)는 helper T cell(보조 T 림프구)을 숙주로 하여 기생한다.
helper T cell(보조 T 림프구)은 시토카인을 방출하여 면역세포의 활동을 도우며, 항원에 대항하는 B 세포의 항체 생산, 세포 독성 T 세포(cytotoxic T cell)의 활성화 및 성장, 대식세포 등의 식세포의 살균작용을 증대시키는 작용을 한다.
HIV(에이즈 바이러스)에 의해 helper T cell(보조 T 림프구)이 파괴됨에 따라 체내에 침입하는 모든 병원균에 대항할 후천성 면역이 작동할 수 없는 것이다.
에이즈 바이러스(HIV)는 체외의 공기 중으로 배출되면 4~5초 내에 파괴된다.
그리고 소수의 에이즈균이 우리 몸에 침입하드라도 우리 몸의 선천적 면역작용으로 방어된다.
그래서 에이즈는 성행위나 수혈 등으로 감염되며 일상생활의 접촉(악수, 포옹, 키스) 등으로는 감염되지 않는다.
3. HIV 생활사
가. HIV(에이즈 바이러스)의 helper T cell(보조 T 림프구) 침투
HIV(에이즈 바이러스)가 helper T cell(보조 T 림프구)를 침투할 수 있는 것은 HIV(에이즈 바이러스)가 사람(동물)을 숙주로 하기에 알맞은 피막(envelope, 인지질 이중층)을 가졌기 때문이다. 이 바이러스 피막(envelope)은 helper T cell(보조 T 림프구) 속에서 증식될 때 자기 유전자로 새로 합성한 막과 세포 밖으로 나올 때 helper T cell(보조 T 림프구)의 세포막 일부를 취한 것이다.
즉 바이러스의 피막(envelope)에는 helper T cell(보조 T 림프구)의 세포막 일부가 포함되어 있는 것이다.
HIV(에이즈 바이러스)가 다른 helper T cell(보조 T 림프구)에 침입할 때 HIV(에이즈 바이러스)의 피막(envelope)이 helper T cell(보조 T 림프구) 막을 인식하여 융합하고 들어가서는 막을 열어 helper T cell(보조 T 림프구)의 세포질 속으로 에이즈균의 RNA(ssRNA, 단일가닥 RNA)와 역전사효소(RT, Reverse transcriptase)를 넣는다.
좀 더 상세한 내용은 다음과 같다.
HIV의 인지질 바깥쪽에 있는 당단백질로 된 압침 모양의 gp120은 리간드(ligand)이다. 리간드(ligand)는 helper T cell(보조 T 림프구) 수용체에 결합하는 부분이다. 즉, gp120은 helper T cell(보조 T 림프구) 수용체에 결합하여 바이러스가 helper T cell(보조 T 림프구) 내로 들어갈 수 있도록 앞잡이 역할을 하는 것이고 gp41은 세포에 고정시켜 주는 것이다.
HIV의 표면에 있는 gp120이 helper T cell(보조 T 림프구)의 CD4+수용체와 결합하면 HIV은 helper T cell의 세포막에 융합된다. 융합된 세포막의 안쪽이 열려 두 개의 ssRNA(single strand, 단일가닥 RNA)와, RT(Reverse transcriptase, 역전사효소)가 이 helper T cell(보조 T 림프구)에 주입된다. 즉 HIV는 helper T cell(보조 T 림프구)의 CD4+수용체를 인식하여 감염된다. 사람 중에 유전적으로 이 CD4+수용체가 없는 사람이 있는데 이 사람은 HIV가 체내에 들어와도 helper T cell(보조 T 림프구)의 세포막을 통과할 수 없으므로 에이즈에 걸리지 않는다.
나. 역전사
HIV(에이즈 바이러스)는 숙주세포(host cell)에 침투한 뒤에 침투한 숙주세포 (host cell)의 세포질에서 자신의 RNA를 역전사효소(reverse transcriptase)를 이용하여 DNA로 역전사 한다.
다. 역전사 된 DNA의 핵막 통과 및 숙주 DNA에 삽입
일반적인 레트로바이러스 RNA는 스스로 핵막을 통과할 수 없으므로 세포분열기 중 핵막이 소실되었을 때 세포질에 노출된 염색체에 복제효소들을 이용하여 감염시킨다. 하지만, HIV는 핵공 (핵막에 존재하는 구멍)을 통해 핵 내로 들어간다.
숙주세포 핵막의 핵공을 통해 핵 속으로 들어온 DNA가 숙주의 DNA에 인테그레이스(Integrase) 효소의 작용으로 삽입된다(아무 데나 끼어들게 된다). 이렇게 역전사 된 DNA가 숙주의 DNA에 삽입된 것을 프로바이러스(provirus)라 한다.
라. 바이러스 증식
숙주세포핵 속의 DNA에 삽입된 HIV의 DNA로부터 mRNA를 전사하여 핵공을 통해 세포질로 나온다. 숙주의 세포질에서 mRNA를 번역하여 증식에 필요한 역전사효소, 캡시드, 피막 및 기타 단백질을 합성한다. 이렇게 합성된 캡시드 단백질이 바이러스 RNA와 역전사효소를 둘러싸고 다시 피막 단백질에 둘러싸이면 자손 HIV가 된다.
마. 탈출
이렇게 증식된 HIV(에이즈 바이러스)는 helper T cell(보조 T 림프구)의 세포막을 뚫고 밖으로 나가는데 이때 세포막 일부를 자신의 피막(envelope) 성분에 포함시켜 밖으로 나가면 helper T cell(보조 T 림프구)는 세포막이 터져서 죽게 되는 것이다.
HIV(에이즈 바이러스)는 helper T cell(보조 T 림프구)에서 증식하여 세포 밖으로 나와 다시 주변의 다른 helper T cell(보조 T 림프구)로 침입한다.
그래서 에이즈에 걸린 사람은 세월이 감에 따라 생성되는 helper T cell의 수보다 죽는 helper T cell가 많아져 점점 helper T cell(보조 T 림프구) 수가 줄어든다.
4. HIV(에이즈 바이러스)에 의한 면역 결핍
감염된 HIV는 CD4+ helper T cell(보조 T 림프구), 수지상세포 (Dendritic cell), 대식세포 (Macrophage)들의 수를 급격히 감소시킨다.
CD4+는 병원균의 CD4라는 항원을 인식하는 helper T cell(보조 T 림프구)의 세포막에 있는 수용체이다. 여기에서 +는 helper T cell(보조 T 림프구)의 세포막에 CD4 receptor가 존재한다는 것을 의미한다.
helper T cell(보조 T 림프구)는 CD4 receptor에 HIV가 결합하면 HIV의 정보를 B림프구 등의 면역계에 전파하여 대항한다. 에이즈 바이러스가 helper T cell(보조 T 림프구)를 파괴한다는 것은 외국 군대가 침입하여 먼저 정찰병과 경계병을 무력화시키는 것과 같다.
CD4+ helper T cell(보조 T 림프구)가 파괴되어 수가 줄어들면 HIV를 대항할 면역이 없어져 HIV는 더욱 증식하는 것이다.
helper T cell(보조 T 림프구)는 항원(병원균)이 침입하면 항원의 정보를 T cell(T 림프구)과 B cell(B 림프구)에 전달하여 이들을 활성화시키는 작용을 한다.
HIV(에이즈 바이러스)에 의해 helper T cell(보조 T 림프구)이 파괴되면 killer T cell는 항원의 정보가 없어 항원을 찾아내지 못하여 식균작용을 못하게 되고 B cell(B 림프구)는 항원에 대한 정보를 얻지 못하므로 항체를 생산하지 못하게 되는 것이다. 즉 세월이 감에 따라 T cell과 B cell(B 림프구)의 면역 작용인 특이적 면역반응(후천적 면역)이 모두 무력화되는 것이다. 에이즈에 걸린 사람은 에이즈균에 의해 죽는 것이 아니라 에이즈균에 의해 면역체계가 없어지면 어떤 균이 들어오더라도 그균에 대항할 면역이 생성되지 않아 죽는 것이다.
단지 비특이적 면역작용(선천적 면역)을 하는 대식세포, 호중구 세포, 수지상세포 이런 세포들은 면역작용을 할 수는 있지만 숫자가 줄어들어 방어력이 약해진다.
5. 에이즈 면역이 어려운 이유
에이즈 바이러스는 항체에 의한 공격을 별로 받지 않는다.
그 이유는 항체가 결합하는 에이즈 바이러스의 결합 부위가 입체적으로 은폐되어 있기 때문이다.