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출처: 건강한 일상생활. 원문보기 글쓴이: 안개꽃~˚♡。
바이러스 : 인플루엔자 바이러스에 대하여
I.바이러스와 생명
1.생명이란?
생물학이란 기본적으로 생명 현상에 대한 연구를 하는 학문이라고 볼 수 있습니다. 그러나 재미있는 것이, 생물학에서는 아직까지도 생명이라는 것을 아직 정확하게 정의하지 못 하고 있습니다. 그저 생명의 특성에 대해 나열하고 있을 뿐입니다.
생물학에서 제시하고 있는 생명현상의 특성은 다음과 같습니다.
1) 고도의 질서를 유지하는 조직의 체계(예를 들어 세포)로 이루어져 있다.
2) 진화적 적응 능력이 있어야 한다. 3) 환경에 대한 반응을 할 수 있어야 한다.
4) 스스로의 상태를 조절할 수 있어야 한다.
5) 에너지를 통해 스스로 활동한다. 6) 발생 과정 등을 통해 성장할 수 있다.
7) 자손을 증식시킬 수 있다.
(Biology Seventh Edition. Neil A.Campbell, Jane B.Reece. (Pearson. Chapter 1)
즉, 생명 활동을 하는 생명체들은 주로 이런 특성을 가지고 있다고 보는 것이지요. 문제는 이 요소 중 빠지는 경우에도 생명 활동이라고 부를 수 있는 경우가 있다는 것이지요. 이걸 거꾸로 말하자면, 이 중 하나에 속하지만 죽음이라고 불리는 경우도 있다는 것입니다.
2.생명체의 분류
생명체들은 보통 다음과 같이 구분하곤 합니다.(이와 다른 구분 체계도 존재합니다.)
1) 원핵 생물(Bacteria) :
아래 그림처럼 핵이 없이 활동하는 세포로 이루어진 생명체입니다.
http://library.thinkquest.org/03oct/00520/gallery/photos/prokaryote.jpg
2) 진핵 생물(Eukarya) :
아래와 같이 핵을 갖고 있는 세포로 이루어진 생명체로서 식물, 동물, 균류, 원생 생물 등이 이에 속합니다.
http://www.mcb.uct.ac.za/tutorial/mcb3011s/virusentanimal_files/cell400.jpg
3) 아케아(Archea) :
주로 극한의 환경(초고온, 초저온, 초염도 등)에서 살고 있는 생물들에게서 보이는 조직입니다.
http://www.daviddarling.info/images/archaea.jpg
그런데 여기서 한 가지 논란의 여지가 보입니다. 바로 바이러스가 그것입니다.
3.바이러스와 생명
http://www.rkm.com.au/VIRUS/Influenza/FLU-images/VIRUS-FLU-life-cycle-500.jpg
위 그림은 바이러스의 활동을 나타내고 있는 그림입니다. 상당히 많은 내용을 담고 있습니다만, 우선은 패스~.생물학계 내에서 바이러스라는 존재는 상당히 논란의 경계에 있는 존재입니다.위에서 말한 생명 현상의 특성을 기준으로 바이러스의 특성을 나타내보면 다음과 같습니다.
바이러스가 가지고 있는 특성 |
바이러스에 없는 특성 |
1.자기 증식이 가능하다. (그러나 수동적이다.) 2. 환경에 대한 반응이 가능하다. (그러나 수동적이다.) 3. 돌연변이를 통해
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1. 세포라는 기본 단위가 없다. 2. 조절 능력이 없다. 3. 발달 과정 등을 통해 성장할 수 없다. 4. 스스로 활동할 수 없다. |
아래에서도 다시 말하겠습니다만, 바이러스는 스스로 뭔가를 할 수 없습니다. 극단적으로 말하면, 숙주가 되는 어떤 세포에 들어가지 않는 한, 무생물과 구별할 수 없습니다. 그럼에도, 만일 숙주가 되는 세포 내로 들어가게 되면, 그 숙주의 기능을 활용하여 자신을 유전자 등을 복제하면서 엄청난 증식을 해냅니다.
결국 세포 밖에서는 무생물로 취급할 수 있지만 세포 내부에서는 생물적 특성을 보인다는 것입니다. 그래서 보통 바이러스는 생물과 무생물의 경계로 보기도 하고, 그냥 생물체로 보기도 합니다. 이는 관점의 차이일 뿐 어느 것이 정확히 맞다고 아직까지 누구도 장담할 수는 없습니다.
II.바이러스
1.바이러스 의발견
바이러스는 poison을 의미하는 라틴어에서 유래되었습니다. 뭐랄까, 그 발견 자체가 어떤 독소의 기능을 통해 이루어졌기 때문이랄까요?사실 바이러스를 발견한 지 별로 되지 않았습니다. 이 이야기는 세균으로부터 시작해보아야 할 듯 합니다.
파스퇴르에 의해 세균이 병을 유발한다는 생각이 보편화되기 시작하면서 사람들은 병에 걸린 대상을 연구할 때, 그 병의 병원균이 무엇인지 찾아다니기 시작했습니다. 그리고 코흐 등에 의해 병원균의 대부분이 세균이라는 사실도 거의 확정되었지요.(물론 모든 병이 다 병원균에 의한 것은 아닙니다.)
그러던 중 담뱃잎에 대한 연구를 하던 사람들이 이상한 현상을 발견하게 됩니다. 담배는 모자이크병이라는 질환에 걸릴 때가 있습니다. 그래서 의례 그 질환의 원인이 세균이라고 생각했었지요. 그리고 그것을 증명하기 위해 세균을 제거하는 실험을 합니다. 그 실험에 의해 세균이 제거된다는 것은 이미 알려져 있었고, 그 실험이 제대로 이루어진다면 담배는 병에 걸리지 않을 것이야 당연한 일이겠지요.
http://cms.daegu.ac.kr/sgpark/microbiology/mosaic.jpg
그런데 이상하게도, 그 실험을 했는데도 담뱃잎에 모자이크병이 계속 걸리더란 말입니다. 그래서 연구를 계속하다보니, 그 병의 원인이 세균보다 더 작은 ‘어떤 물질’이라는 것을 알게 되었습니다. 그리고 그것을 결정화해서 얻은 뒤 ‘virus'라는 이름을 붙인 것입니다.
http://image.scienceall.com/cms/04/05/05/02/04_05_05_02_261065_261062_1.0_image_1.jpg
결국 사람들은 그런 일련의 과정을 거쳐 세균보다 더 작으면서 생명 활동을 보이기도 하는 존재인 virus를 알아내게 된 것입니다.
2.바이러스의 일반적인 구성
바이러스를 이루는 물질들은 대체로 다음과 같다고 볼 수 있다.(이렇게 애매모호한 이유는, 바이러스마다 구성 물질이 다양하기 때문입니다.)
http://www.nrc-cnrc.gc.ca/images/education/dish_virus.jpg
위 그림은 바이러스에 대한 아주 간략한 그림입니다. 간략하다는 의미는, 보통의 바이러스 중에서 그나마 공통적인 부분만을 따왔다는 의미가 됩니다. 즉, 대개는 이것보다는 복잡한 구조라는 것입니다.
대체로 바이러스의 가장 가운데, 즉 가장 안 쪽에는 유전자가 들어있습니다. 그리고 바이러스의 주된 기능은, 이 유전자를 숙주 세포 안에 집어놓고, 그 안에서 유전자가 제대로 활동하게 하는 것이 대부분이라고 해도 과언이 아니지요.
이 유전자는 크게 두 가지 종류로 나뉘어집니다. DNA와 RNA입니다. 여러분들이 대개 많이 알고 있는 유전자는 당연히 DNA입니다. 그리고 (중고등학교 때 생물은 좀 더 많이 공부하신 분들이라면) RNA는 DNA와 비슷하긴 하지만 차이점이 꽤 있는 유전물질이라는 것은 아실 수 있으리라 봅니다.
http://www.wvup.edu/ecrisp/fournucleotides.jpg
http://lecturer.ukdw.ac.id/dhira/BacterialStructure/BactStructImages/Nucleotides.gif
그림의 위쪽은 DNA, 아래쪽은 RNA입니다. 크게 다를 점이 느껴지지는 않으실 겁니다. 그러나, 아주 작지만 분명히 차이가 있고, 그 차이로 인해 기능에서 큰 차이가 보이게 됩니다
솔직히 유전물질로 RNA를 택하고 있는 생물체는 거의 없다고 해도 과언이 아닙니다. 안정성이라든가 기능으로 보았을 때 그렇게 설명이 되기도 하구요. RNA를 유전자를 갖는다고 해서 그것 자체가 세포의 설계도로 쓰이는 것은 아닙니다. 이 RNA는 숙주 세포 내에서 다시 RNA와 유사한 정보를 담는 DNA를 만드는 틀로 쓰입니다.
결국 RNA를 유전물질로 갖는 바이러스도 최종적으로는 DNA를 설계도로 쓰는 경우가 대부분이라는 것입니다.(좀 어려운 개념입니다. 이해 안 되셔도 상관없는 부분이니 그렇게 심각하게 고민하지는 마세요.) 아무튼 일반적인 생명체와는 달리 바이러스에서 RNA를 유전자로 하는 경우를 볼 수 있죠.
그 유전물질은 대체로 capsid라고 불리는 protein등으로 둘러싸여 있기도 하고, 그냥 capsule이라는 단백질 막 안에 들어있기도 합니다. 그게 그거 같다고 생각하시겠습니다만, 뭐 차이가 있는 부분이긴 합니다. 지금 저 위의 그림은 capsule안에 들어 있는 상황이라고 볼 수 있겠네요.
이 그림의 왼쪽은 capsid가 유전물질과 함께 존재하는 바이러스를 보여주고 있고, 오른쪽은 단백질 껍질 안에 유전물질이 들어있는 바이러스를 나타내고 있습니다. 뭐 이 정도로 차이를 생각해주시면 될 듯 하네요.
그러한 capsid나 capsule이 인지질막(즉 세포막)에 둘러쌓여 있는 경우도 있고 아닌 경우도 많습니다. 그리고 이것은 상당히 중요한 개념 중 하나이지요. 왜냐하면, 이 인지질막은 바이러스 스스로가 만들어내는 것이 아니기 때문입니다. 이 인지질막은 기본적으로 바이러스가 숙주 세포로부터 얻는 것들입니다.
인지질막이 있는지의 여부는 이 바이러스가 어떻게 숙주세포로 들어가는지와 연관이 되어 있습니다. 바이러스가 그냥 세포막을 뚫고 들어가는 방식이라면 그 바이러스는 세포 밖에 존재할 때 인지질막을 갖지 않을 것입니다. 인지질막을 갖는 바이러스는 숙주 세포로 들어갈 때, 식균 작용처럼 세포막에 둘러 쌓여 들어간다고 볼 수 있습니다.
위 그림은 식균 작용을 나타낸 것입니다. 위에서 antigen이라고 불리는 것과 같이 virus가 세포 안으로 들어가는 것입니다. 다만 죽지 않고 버티는 것입니다. 들어가는 것은 주로 유전자+단백질의 구성 물질이라고 볼 수 있습니다. 이렇게 식균 작용으로 들어온 바이러스는 숙주세포로부터 나갈 때도 같은 방식으로 나간다고 볼 수 있습니다.
그 때, 세포막을 가지고 나가는 경우도 있는 것입니다. 그러나, 이 설명이 꼭 맞지는 않습니다. 들어오는 방식과 나가는 방식이 다른 경우도 있을 수 있으니까요.
3.바이러스의 감염 경로
바이러스는 기본적으로 숙주 세포에 들어갔을 때만 생체적 기능을 가질 수 있습니다. 즉, 세포에 들어가지 못하는 바이러스는 어떤 일도 할 수 없다는 것입니다. 그렇기 때문에 바이러스로서는 세포 안으로 들어가는 방법을 갖추고 있어야만 하는 것이지요.
바이러스가 숙주 세포로 들어가서 일어나는 일들의 과정은, 간략하게 보자면 다음과 같습니다.
접촉 -> 침투 -> 단백질 형성 및 유전 물질 형성 -> 유전자의 삽입 -> 활성화 -> 바이러스 구조물 형성 -> 성숙 및 결합 -> 숙주 세포 벗어나기
다만, 이 과정에서 바이러스의 종류에 따라 일부 과정은 없을 수도 있습니다. 자세한 사항은 아래에서 하나하나 따져보도록 하겠습니다.
1) 접촉
예전에 다른 글에서도 쓴 적이 있습니다만, 기본적으로 세포, 특히 다세포 생물들 중 고등 생물의 세포는 세포막 바깥쪽에 단백질 외에도 당(sugar)와 같은 물질들이 섞여 있습니다.그런 단백질이나 당의 구조는 세포나 생물 종에 따라 개별적으로 특이한 구조를 가지고 있기 때문에, 그것이 각각의 종이나 각각의 세포를 구분하는 기준이 되기도 합니다.
위 그림은 그런 내용을 대략적으로 나타내고 있습니다. 위와 같은 구조물들이 불규칙하지만 일정 패턴을 유지하면서 존재하기 때문에 세포간의 인식에 필요한 정보로 쓰이게 되는 셈입니다.
바이러스는 표면에 인지질이나 단백질 막이 존재합니다. 그리고 이런 외피막들은, 자신이 들어가고자 하는 숙주 세포의 표면을 특이성있게 인식합니다. 즉, 들어가려는 세포막의 모습을 화학적으로 인식해서 그 안으로만 들어가게 된다는 것입니다.
http://www-ibmc.u-strasbg.fr/ict/images/immunomodulation_Image1.jpg
위 그림은 어떤 면역세포(왼쪽 위)가 다른 세포의 표면을 인식하는 과정을 전자 현미경으로 찍은 것입니다. 보시다시피 면역 세포의 표면에 있는 특정 단백질 구조가 대상 세포의 표면을 접촉하면서 인식하고 있는 것을 보실 수 있습니다.바이러스도 위의 면역세포와 동일한 방법으로 숙주 세포 표면을 화학적으로 인식하여 접촉하게 되는 것입니다.
이 때, 숙주 세포의 표면에 있는 recepter를 인식하기도 합니다. recepter란, 어떤 세포가 외부의 신호를 받아들이기 위해 자기 세포막의 표면에 드러내놓은 단백질 등을 일컫습니다. 그리고 이런 recepter는 외부로부터 어떤 신호를 받으면 그 신호의 대상을 삼키게 하는 역할도 합니다.
http://dels.nas.edu/ilar_n/ilarjournal/45_3/graphics/45_3_337f2.jpg
위 그림은 바로 그런 장면을 나타낸 것입니다. 위 그림은 어떤 바이러스가 숙주 세포의 recepter와 만나 안으로 들어가는 장면인데요, 예전에 말한 적 있는 recepter mediated endocitosis와 동일한 과정입니다만, 이 경우 바이러스는 숙주 세포 안으로 들어와서도 살아남을 수 있다는 차이가 있긴 합니다.
2) 침투
사실 침투에 대해서는 위에서 어느 정도 말한 것과 같습니다. 위에서 말한 endocytosis가 실은 침투에 해당하는 것이지요. 대체로 바이러스는 접촉과 동시에 침투가 일어납니다.그러나, 침투의 방법에 위의 방법만 있는 것은 아닙니다.
http://bioinfo.bact.wisc.edu/themicrobialworld/penetration.jpg
위의 그림은 T4 phage라는 바이러스가(기계처럼 보여도 바이러스 맞습니다) 숙주 세포인 e.coli(대장균)에 들어가는 장면을 나타냅니다. 이 때 바이러스의 표피는 세포막 바깥에 그대로 존재하고 유전자만 집어넣고 있는 것입니다.이렇게 유전자만 집어 넣거나 유전자+단백질의 일부만 넣든가, 아니면 바이러스를 통째로 집어넣는 경우 등 다양한 모습이 있긴 합니다.
3) 단백질 형성 및 유전 물질 형성 -> 유전자의 삽입 -> 활성화 -> 바이러스 구조물 형성
이렇게 바이러스가 숙주 세포 안으로 들어간다고 해서 일이 끝나는 건 아닙니다. 이제부터 바이러스가 활동할 수 있는 기반을 만들거나 바이러스가 활동을 하게 됩니다. 이 과정들은 따로따로 말 하는 것보다는 엮어서 같이 말하는 것이 좋을 듯 합니다. 어떤 경우에는 섞여 있기도 하고 따로따로 일어나기도 합니다.
계속 누차 지속적으로 쭉 말하고 있는 바입니다만, 바이러스는 종류가 너무너무 많습니다. 자꾸 이 이야기를 해야만 하는 이유는, 그렇게 많기 때문에 하는 짓거리들도 너무나 다양하다는 것이지요.
그래서 지금 말하고자 하는 과정이 있는 바이러스도 있고, 없는 바이러스도 있으며, 또 이 과정이 있다해도 서로 다른 모습으로 이 과정을 보이는 경우가 허다하다고 볼 수 있습니다.
그래서, 이 과정에 대해서는 그나마 보편적이라고 할 수 있는 부분들을 묶어서 하나하나 따져볼까 합니다.
① 유전자만 들어온 경우 중 RNA가 들어와 DNA를 생성하는 경우보통 레트로 바이러스라고 하는 놈들이 있습니다. 이 놈들은 RNA를 바이러스 구성 물질로 하는 놈들입니다. 저 위 꼭대기에서도 잠깐 언급했었습니다.이 놈들은 RNA를 최종 유전 물질로 삼는 것은 아닙니다. 이 놈들도 결국은 DNA를 통해서 자신의 활동을 설계합니다. 그런데, 숙주 세포로 들어가는 물질은 RNA지요. 그래서 필요한 것이 바로 reverse transcription, 우리 말로는 역전사 라는 과정이 필요합니다.
약간만 딴 길로 새야 할 듯 합니다. 글이 가뜩이나 길텐데 이렇게 자꾸 딴 길이 나오면 -_- 귀찮기는 합니다. 그래도 이 부분은 너무 중요해서 꼭 이야기 해야만 할 듯 합니다. 혹시 아래 부분이 어렵다고 생각되시면 -_- 패스 하셔도 무방합니다.
보통 생명체들은 DNA를 유전물질로 삼고, 그 안에 모든 생명 활동에 대한 정보를 담고 있습니다. 그리고 그 DNA를 특정한 단백질이 RNA를 생성하는 기본틀로 삼죠. 그렇게 해서 생성되는 RNA는 DNA에 담긴 유전 정보의 copy본이라고 볼 수 있습니다. 그리고 그 RNA가 세포 내에서 다양한 생명 활동을 하는데 실질적으로 쓰입니다. 대체로 RNA는 세포 활동에 필요한 단백질을 만드는 데 필요한 정보로 쓰입니다.
위의 관계를 정리하면 이렇게 말 할 수 있습니다. 세포 활동에 필요한 정보가 DNA에서 RNA로 넘어가고, 그것이 단백질로 표현되는 것입니다. 이런 DNA -> RNA -> 단백질로 이루어지는 정보의 흐름을 central dogma라고 합니다. DNA->RNA의 과정을 tranccription, 즉 전사라고 합니다. 그리고 예전에는 이 흐름은 일방통행이라고 보았지요.
위 그림은 위의 central dogma를 실질적으로 나타내고 있는 그림입니다. 위의 글이 좀 어려우시면 이 그림을 보신 후 다시 위로 가셔서 보시면 좀 나아지실 겁니다. 도중에 성숙, 미성숙 mRNA가 있긴 합니다만(사실 원래 이름은 이게 아닌데, 제가 이해하기 쉬우시라고 붙인 이름입니다.) 뭐 그냥 그런게 있나보다 생각하고 넘어가셔도 무방합니다.
그런데 갑자기 지금 말하고자 하는 RNA를 유전 물질로 하는 바이러스가 등장합니다. 그 바이러스는 RNA를 기본틀로 해서 DNA를 생성하게 되고, 그 DNA가 유전 물질로 쓰입니다. 즉 얼핏보면 central dogma를 역행하는 듯 합니다. 그러나 실질적으로 보면 꼭 그렇지는 않죠. 왜냐하면, RNA에서 DNA로 정보가 넘어간 뒤, 그 DNA를 통해 다시 실질적으로 쓰이는 RNA가 생기기 때문입니다. 즉, RNA -> DNA -> RNA가 됩니다.
왜 이렇게 번거로운 짓을 하느냐, 이건 솔직히 여기서는 말씀 못 드립니다. 설명 드리게 되면 설명하는 저나 보시는 분들이나 서로 한숨만 나오니까요. 다만, 마지막에 생성되는 RNA는 처음에 쓰이는 RNA와 종류와 기능이 좀 달라지기 때문이다, 뭐 그 정도로만 언급하겠습니다.
그런데, 왜 이걸 말하느냐 하는 의문이 드시는 분들이 계실 겁니다. 이 내용 자체만으로는 큰 의미가 없다고 생각하실 수 있을테니까요. 그러나, 이 내용은 너무나 중요할 수 밖에 없습니다. 왜냐하면, 이 레트로 바이러스 중 가장 대표적인 예가 HIV 바이러스, 즉 AIDS의 병원균이기 때문입니다.
http://www.food-info.net/images/virus3.jpg
위 그림은 HIV virus의 활동 주기에 대한 것입니다. 그림에 있는 내용만 좀 보시고 위의 내용을 다시 보시면 조금 더 이해가 쉬우실 것입니다.
이렇게 바이러스 유전자가 들어와서 단백질까지 형성하게 되면, 이제는 서로 서로 같은 바이러스 구성물들끼리 묶이게 됩니다. 화학적으로 서로가 바이러스의 구성 물질이라는 것을 인식하게 되고, 자동적으로 화학 반응 등을 통해 하나의 바이러스로 합쳐지게 되는 셈이지요. 이 이야기는 이 정도로 패스.-
② 유전자만 들어오는 경우 중 RNA가 들어와 활동하는 경우
뭐 이 경우는 위와는 달리 그리 어렵지 않습니다. RNA가 들어오고, 그 RNA를 숙주 세포의 단백질이 인식합니다. 그리고 그 RNA의 정보를 이용해 새로운 단백질이 생성되고, 그 새로운 단백질이 숙주 세포를 장악해 버립니다.(계속 말하지만 약간은 다를 수 있습니다.)
간단히 말하자면, 굴러온 돌이 박힌 돌을 빼버리는 경우랄까요? 바이러스의 RNA에 의해 생긴 단백질들로 인해 숙주 세포의 정상적인 기능이 상실되고 결국 바이러스 생산 공장이 되어 버립니다.
③ RNA + 단백질 의 복합체가 들어오는 경우
요 경우는 위의 ②와는 약간 다릅니다. 함께 들어오는 단백질의 기능에 따라 약간씩 차이를 보이기도 하구요. 그래도 뭐 기본 개념은 비슷합니다.들어온 단백질이 숙주 세포를 장악한 뒤, 숙주 세포의 기능을 통해 바이러스가 자신을 증식하는 경우가 우선 존재합니다.
그리고, 들어온 단백질은 RNA를 복제, 증식시키는 역할을 하고, 그렇게 늘어난 RNA가 위의 ②와 같은 경우처럼 자신의 정보를 통해 단백질을 새로 만들고 그렇게 생성된 단백질이 숙주 세포를 장악하는 경우도 있습니다.
위에서 말한 두 가지 경우를 모두 섭렵한 경우도 있긴 합니다. 아무튼, 대체적으로는 이런 맥락으로 이 과정이 이루어집니다
④ DNA + 단백질의 복합체가 들어오는 경우
이 부분은 바이러스를 이해하는 데 상당히 중요한 부분이 될 것이라고 봅니다. 바이러스의 활동 양상을 어느 정도 대략적으로 보여줄 수 있는 내용을 담게 될 것이기 때문입니다.
대체로 바이러스의 활동 시기 등을 기준으로 두 가지로 나눌 때가 있습니다. 하나는 숙주 세포 내로 들어오자마자 활동을 개시하여 증식하는 놈들이고, 하나는 숙주 세포의 상태에 따라 잠복했다가 좋은 환경(숙주 세포의 약화 등)이 되면 활동을 개시하는 놈들입니다.
보통은 숙주 세포로 들어가자마자 활동하는 편이지만, 종류에 따라서는 두 가지 활동을 동시에 보이는 경우도 있습니다. 사실 정확히 말하자면 후자의 경우, 들어가자마자 활동을 해보려고 하는데 숙주 세포가 왕성하게 활동하는 중이면 꼬리를 내리고 숨는다고 비유할 수 있다고나 할까요? 이런 대표적인 예가 Herpesvirus입니다.
http://www.nature.com/nrmicro/journal/v6/n3/images/nrmicro1794-f2.jpg
위 그림은 헤르페스 바이러스의 활동 양상을 나타낸 것입니다. 그림에 쓰여있듯, 바이러스 DNA는 세포 안에 들어가면 숙주 세포의 핵으로 들어가 숙주 세포의 DNA와 융합합니다. 그 상태에서 활동하다가 숙주 세포의 상태가 안 좋아지면, 얼씨구나 하고 자신의 DNA를 왕창 복제하고는 증식을 개시하게 되는 것이지요.
사실 DNA를 구성 물질로 하는 바이러스는 대개 스스로의 유전자를 이용해서 활동합니다. 즉, 위와 같은 예는 비주류에 속한다고 볼 수 있지요.
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/3/3b/Poliovirus_life_cycle.png/739px-Poliovirus_life_cycle.png
위 그림은 DNA바이러스가 세포 안으로 들어가서 활동하는 모습을 나타낸 것입니다. DNA 자체가 숙주 세포의 핵 안으로 들어가서 알아서 모든 것을 조절하고 있습니다. 보통은 이런 식으로 증식하고 있다는 것입니다
4) 성숙 및 결합 -> 숙주 세포 벗어나기
뭐 이 부분은 위에서도 어느 정도 언급된 것이긴 합니다.위의 과정들을 통해서 숙주 세포 내에는 바이러스의 유전물질과 기타 단백질들이 왕창 쌓이게 됩니다. 그렇게 쌓인 물질들은, 서로의 화학적 인지에 의해 하나씩 단위별로 묶이게 됩니다. 쉽게 말하면 짝을 알아서 찾아서 묶인다는 것입니다.
http://www.dbc.uci.edu/~faculty/wagner/encap.jpg
III. 인플루엔자 바이러스
이제 바이러스에 대한 일반론은 어느 정도 정리한 듯 합니다. 물론 모자란 부분 많고 오류도 좀 섞여 있지만, 최소한 이제부터 나올 인플루엔자 바이러스에 대한 이야기를 할 때 여러분들이 이해하기 어려운 부분을 커버할 정도는 될 수 있다 생각이 듭니다.
이제부터 나올 인플루엔자 바이러스에 대한 글을 보시다가 어렵거나 개념적으로 와 닿지 않는 경우가 있다면, 위의 바이러스 내용을 다시 한 번 보시면 좀 낫지 않을까 싶습니다.
1.분류influenza 바이러스는 기본적으로 orthomyxoviridae 라는 속에 속한 바이러스입니다.(계문강목과속종 기억하시죠?) 독감의 주요 병원이며 현재 조류 독감이나 인플루엔자 A형 등으로 유명해진 놈이지요. 이 놈들의 조상 중 하나는 스페인 독감이라는 병을 유럽에 유행시켜서 3천명 정도의 사상자를 유발시키기도 했습니다.
여러분들이 일반적으로 헛갈리는 것 중 하나가 독감과 감기를 비슷한 것으로 인식하는 것입니다. 그러나 독감과 감기는 엄연히 다른 것들입니다. 독감은 인플루엔자 바이러스에 의해 유발되는 질병이고, 감기는 라이노 바이러스라는 또 다른 RNA 바이러스에 의해 유발되는 질병입니다.
그리고 독감이나 감기는 항생제로 치료할 수 없는 것들입니다. 항생제라는 것은 기본적으로 박테리아(세균)들을 퇴치하는 데 쓰이는 물질들입니다. 아래에서 또 언급할 것 같습니다만, 항생제로는 바이러스를 없앨 수 없습니다. 항생제는 박테리아의 활동을 억제하는, 즉 박테리아의 구조와 관련되어 있기 때문입니다.
그러니까, 감기 걸렸다고 병원 가셔서 항생제 놓아달라고 하거나 하시면 안 되고, 감기 걸렸는데 항생제 주사나 약을 준다고 하는 의사는 믿으면 안 된다는 것입니다.
2.물질의 구성
구성은 단백질, 인지질막, RNA로 이루어져 있습니다.
1) 인지질막
이 인지질막은 기본적으로 숙주 세포의 인지질막입니다. 인플루엔자 바이러스의 경우 바이러스가 숙주 세포 내에서 빠져 나올 때, 숙주 세포의 세포막을 외투처럼 둘러싸고 나오기 때문에 이런 구성 요소를 갖게 되는 것입니다. 이렇게 세포막을 둘러싸면서 세포 밖으로 나오는 과정을 budding이라고 합니다. 아래 그림과 같죠
http://www.mcld.co.uk/hiv/images/budding.gif
이렇게 해서 생긴 인지질막에는 바이러스 고유의 단백질만 존재하게 됩니다. 그 이유는 아래쪽에서 이야기하게 될 듯 합니다. 그리고, 그렇게 인지질막에 존재하는 단백질들이 우리가 앞으로 주목해야할 놈들입니다. 꼭 기억해두시기 바랍니다.
2) 단백질
인플루엔자 바이러스의 단백질은 몇 종류로 구분할 수 있습니다.
① 인지질막에 걸쳐져 있는 단백질
위에서 꼭 기억해두셔야 할 단백질이 있다고 말했습니다. 바로 지금 말하는 단백질들이 그것들입니다.
이 단백질들의 이름은 NA(Neuraminidase), HA(hemagglutin), M2 등입니다. 아마 신문이나 티비, 인터넷 등을 열심히 보신 분들이라면 뭔가 익숙한 것들이 있을 것입니다.인플루엔자 바이러스를 소개할 때 H1N1 이런 이름을 보신 적 있을 것입니다.
이 때 H가 바로 HA를, N이 NA를 의미합니다. 이것들의 기능과 이름에 대해서는 좀 더 천천히 알아보도록 하겠습니다.
② 인지질막 안쪽에 붙어 있는 단백질
M1이나 NS2 등이 있습니다. 이렇게 간단한 이유는, 뭐 잘 몰라도 상관없다는 의미겠지요.
③ RNA와 함께 안쪽에 있는 단백질
NP(capsid 단백질), PB1, PB2, PA등이 있습니다.
http://www.ifpma.org/Influenza/content/images/diagram_virus_thumb.jpg
3) RNA
인플루엔자님이 가지고 계신 유전자는 RNA입니다. 뭐 누차 이야기 한 사항이지요. 그런데 재미있는 것은, 이 RNA는 자체로는 어떤 기능을 하지 못합니다. 이 RNA를 기본틀로 해서 또 다른 RNA(상보적인 RNA라고 해야 하는데 좀 있다가 이야기 하죠)를 만들어 내는데, 그렇게 생성된 RNA가 실질적으로 기능을 하게 됩니다.
예를 들면, RNA가 3‘-AAUUCGCGCGUUAACG-5' 이렇게 구성되어 있다고 보겠습니다.(이때,A,U,C,G등은 RNA의 구성 요소 중 base(염기)라는 놈들인데, 이 놈들이 실질적으로 정보를 담고 있는 셈입니다. 그리고, 뭐 아시겠습니다만, A는 U와, C는 G와 서로 연결될 수 있습니다.)
이 경우, 이 RNA를 기본틀로 해서 만들어지는 RNA는 5'-UUAAGCGCGCAAUUGC-3'이 됩니다. 위의 RNA에서 U는 A로, C는 G로(뭐 거꾸로도 됩니다) 바꾸면 되는데, 이렇게 생성된 RNA는 원래의 기본틀이었던 RNA와 상보적이라고 합니다.
3. 감염 및 증식 과정
이 과정은 위에서 말한 바이러스의 감염 경로를 따라가면 됩니다. 다만 인플루엔자에만 존재하는 독특한(그래서 우리가 주의깊게 알아야만 하는) 부분만 추가로 설명하고자 합니다
1) 접촉 및 침투
인플루엔자 바이러스가 숙주 세포, 즉 우리 몸의 세포로 들어오기 위해서는 HA와 NA가 필요합니다. 그걸 알아보자면 좀 자세한 설명이 필요할 듯 합니다.
http://www-ssrl.slac.stanford.edu/research/highlights_archive/1918flu_fig.gif
http://farm1.static.flickr.com/32/64531974_519bb35ef9.jpg?v=0
이 그림들은 HA를 나타내고 있습니다. 뭐 그냥 그림만 느끼시면 됩니다. 대체로 모양은 삐죽한 막대기 모양이라고 볼 수 있습니다.
http://employees.csbsju.edu/HJAKUBOWSKI/classes/Chem%20and%20Society/Influenza/influenzavirus1.gif
실제로는 위와 같은 방식으로 HA는 바이러스 인지질막에 박혀 있습니다.인플루엔자 바이러스는 위에서 설명한 recepter mediated endocytosis에 의해서 숙주 세포의 인지질막에 둘러쌓인 채 숙주 세포 안으로 들어가게 됩니다. 이 때 바이러스의 HA 가장 바깥쪽이 숙주 세포의 세포막 표면 부분에 있는 sialic acid란 부분과 상호 작용해서 바이러스가 달라붙을 수 있게 합니다.
그렇게 바이러스의 HA가 숙주 세포 표면에 달라붙게 되면 바이러스를 숙주 세포의 인지질막이 둘러싸게 됩니다. 이런 구조를 그냥 endosome이라고 합니다
http://courses.washington.edu/conj/cell/Endosome.GIF
그리고 보통 endosome은 숙주 세포의 lysosome으로 들어가게 됩니다. 이 lysosome은 세포 내에서 pH가 가장 낮은 곳입니다. 약 pH=5인 산성인 환경을 지니고 있습니다. 그래서 원래는 식균 작용을 통해 들어온 외부 물질을 죽이거나 파괴하는 기능을 가지고 있지요.문제는 이 pH가 낮은 환경이 HA의 구조(모습)을 바꿔버린다는 것입니다
http://www3.niaid.nih.gov/NR/rdonlyres/80EB9278-9C56-4D83-B9A2-770CD550279F/0/h5haf10.jpg http://atc.atccu.chula.ac.th/picture/ha.jpg
위 그림의 왼쪽은 구조가 바뀌기 전의 HA고 오른쪽은 구조가 바뀐 뒤의 HA입니다. 대충 보면 오른쪽이 더 뾰족하다는 것을 느끼실 수 있을 것입니다. 이렇게 더 뾰족하게 길어진 HA는 endosome의 세포막을 뚫어버려서 바이러스의 인지질막과 연결시켜 버립니다.
endosome이 생성되면 lysosome으로 가기도 하지만, 바이러스 인지질막에 있는 M2단백질도 기능을 하게 됩니다. 이 단백질은 바이러스 인지질막 외부의 수소 이온을 끌어들이는 채널 역할을 합니다. 그렇게 함으로써 HA의 구조를 바꾸는 데 큰 기여를 하는 셈입니다.아무튼 그렇게 연결된 endosome의 세포막과 인지질막은 점차 융합되고 결국은 endosome이 뚫려서 그 안의 바이러스가 숙주 세포의 세포질 안으로 들어갈 수 있게 됩니다.
http://healthsystem.virginia.edu/internet/researchfaculty/images/pics/fusion_sequence2.jpg
위 그림은 설명한 내용을 대충 나타낸 것입니다. 아래쪽 선이 바이러스 인지질막, 위쪽 선이endosome의 세포막, 그리고 파란 색이 HA라고 보시면 됩니다. 뭐 좀 복잡합니다만, 결국 6번처럼 뻥 뚫리게 된다는 것이 핵심입니다.
자, 여기서 제일 중요한 이야기는 이것입니다. 만일, 우리가 이 HA의 기능을 약화시키거나 없앨 수 있다면 어떨까요? 바이러스는 우리 세포 안으로 들어오지 못 하게 됩니다. 또 HA는 인플루엔자 바이러스에만 있고 우리 세포 구조에는 없는 것입니다.
그렇다면 이 구조를 찾아서 없애거나 억제할 수 있는 약물을 찾아낼 경우, 그것이 바로 인플루엔자 치료제가 되는 것이겠지요. 그러나, 아쉽게도 어떤 이유가 있어서 이것은 실현되기 어렵습니다. 그 이유는 아래에서 다시 언급될 것입니다.
그리고 그와는 별개로 M2 단백질을 저해함으로써 역시 바이러스가 숙주 세포로 들어가는 것을 막을 수 있습니다. 그런 기능을 갖는 약으로서 amantidine이 있습니다. 이 약은 위의 ‘이유’와는 거리가 좀 있는 편입니다. 이게 의미하는 바는 아마 아래에서 ‘이유’를 알게 되면 자동으로 이해하실 수 있을 것입니다.
HA나 NA는 바이러스의 가장 바깥쪽에서 숙주 세포의 표면과 상호작용할 수 있기 때문에 우리 몸의 면역계가 항원으로 인식하는 놈들입니다. 그렇기 때문에, 이 놈들의 패턴만 알 수 있으면 그것을 바탕으로 백신을 만들 수 있겠지요. 백신에 대한 자세한 사항은 제가 이전에 썼던 면역에 대한 글을 보시면 나와 있습니다. 그리고, 위에서 말한 ‘이유’ 때문에 우리는 매년 계속 다른 백신을 처방받아야만 독감에 안 걸리게 됩니다.
2) RNA의 활동
이렇게 바이러스의 내부 물질이 세포질 안으로 들어오는데, 그 중 RNA와 일부 단백질들은 핵 안으로 들어가게 됩니다. 그리고 그 핵 안에서 계속 RNA를 만들어내게 되고, 숙주 세포 안에서 바이러스의 구성 물질들을 계속 축적하게 됩니다.
이때, HA와 NA는 ER(소포체)와 골지체 등을 통해 숙주 세포의 세포막에 쌓이게 합니다. 즉, 인플루엔자 바이러스에 감염된 세포의 세포막에는 HA와 NA가 계속 쌓이게 된다는 것입니다.그러면서 숙주 세포의 세포 활동은 억제하기 때문에, 세포질 내에는 기존의 단백질은 거의 사라지고 바이러스의 구성 물질들만 쌓이는 상황이 벌어지게 됩니다.
그 과정에서 만들어지는 mRNA들은 다시 바이러스의 RNA를 만들어내는 틀이 됩니다. 그러니까 이걸 도식화하면 라는 과정이 이루어지게 되는 셈입니다. 그래서 역시 세포질 내에 virus의 RNA가 쌓이게 됩니다.
그런데, 이 과정에서 RNA에 돌연변이가 생길 수 있습니다. 이 중 대부분의 돌연변이는 바이러스 증식에 큰 손상을 주기 때문에 별 문제가 없을 수 있습니다만, 그렇지 않은 돌연변이 중 특히 HA와 NA에 돌연변이가 생기는 경우는 우리에게 문제를 안겨줍니다.
HA와 NA를 만드는 유전자에 돌연변이가 생기면, 결국 그것은 바이러스의 외부 구조에 약간의 변화가 생긴다는 것을 의미합니다. 다만, HA와 NA의 중요한 기능에는 문제가 없을 뿐이지요.그런 돌연변이가 생긴다는 것이 무슨 의미인가 하면, 우리의 면역 체계나 약 등이 어떤 HA와 NA를 목표로 삼아 만들어진 경우, 돌연변이의 HA나 NA에는 효과가 없다는 것을 의미합니다.
또한, 원래는 사람의 세포와만 반응하던 바이러스가 어느새인가 돌연변이에 의해 새나 돼지의 세포와도 상호작용할 수 있는 바이러스가 될 가능성이 있다는 것입니다. 물론 이렇게 종간의 특이성을 넘나드는 돌연변이는 그렇게 쉽게 일어나지는 않습니다. 그러나 마찬가지로 확률이 0%가 아니기 때문에 가능성 자체는 늘 존재한다는 것이지요.
그래서 HA를 목표로 삼아 만든 약물의 경우는 효용성이 떨어질 확률이 크고, 우리가 매년 다른 종류의 백신을 처방받아야 하는 것입니다. 돌연변이가 계속 생기니까, 우리의 대처도 늘 바뀔 수 밖에 없는 것이지요.
이렇게 되는 가장 큰 이유는, 다시 말하지만, HA의 중요한 기능은 남아있지만 그 표면적인 구조만 바꾸어 버리는 돌연변이가 계속 발생한다는 것입니다. 그래서 HA나 NA보다는 다른 단백질들 중 바이러스에만 있는 단백질(NS2같은 것들)을 타겟으로 잡기도 합니다.
3) 바이러스 물질 결합 및 budding
숙주 세포 내에 RNA와 단백질들이 쌓이게 되면, 어느 순간을 넘어서면서 점차 결합이 이루어지게 됩니다.우선 NS2와 같이 바이러스 안쪽에 존재하는 단백질들이 먼저 virus 단백질들과 결합합니다. 그리고 그 상태에서 세포막으로 이동하면서, 그 세포막에 쌓여있는 HA 및 NA등과 상호 작용하여 성숙한 형태의 바이러스를 이루게 됩니다.
http://bioinfo.bact.wisc.edu/themicrobialworld/influenza_rep.gif
여기서 또 하나 주의깊게 봐야 할 부분이 있습니다. 세포막에 쌓여 있는 HA들은, 숙주 세포의 세포막에 원래 존재하던 sialic acid와 결합되어 있는 상태입니다. 이게 무슨 의미인가 하면, 이 결합이 유지되고 있는 한 바이러스는 아무리 결합이 완료되었다 해도 숙주 세포로부터 벗어날 수 없게 된다는 것입니다.
그래서 바이러스로서는 budding을 위해 이 결합을 끊어줘야 할 필요성이 있습니다. 그 기능을 가지고 있는 것이 바로 NA입니다. NA는 HA와 sialic acid간의 결합을 끊어줌으로써 바이러스가 숙주 세포로부터 bud out 할 수 있게 해주는 것입니다.
그렇다면 이 NA의 기능을 없애버린다면, 바이러스는 아무리 숙주 세포 내에서 증식한다해도 바깥으로 나올 방법이 없게 됩니다. 즉, 바이러스의 증식을 억제하여 독감을 치료하는 시간을 벌고 손쉽게 나을 수 있다는 결론입니다
http://www.pandemictoolkit.com/images/neuraminidase-inhibition.jpg
위 그림의 위쪽은 정상적인 NA가 존재할 때의 그림이고, 아래쪽은 NA를 억제(inhibition)할 때의 그림입니다. 보시다시피 아래쪽에서는 바이러스 입자들이 숙주 세포로부터 벗어나지 못하고 있습니다. 이 약이 바로 요새 언론에서 회자되는 Tamiflu(타미플루)입니다.
IV. 정리
인플루엔자 바이러스는 위에서 말한 바대로 돌연변이가 잘 일어나는 편입니다. 그래서 계속해서 변종이 나오기 때문에 주기적으로 인류를 위협하는 질병 중 하나인 셈이고, 또 정확한 치료약이나 백신을 개발하기가 어려운 점이 있습니다.
물론 감기도 이와 유사하긴 합니다만, 그래도 그 증세가 약한 편이기 때문에 그나마 다행이긴 합니다. 그래도 역시 체력이 약하거나 면역력이 약하면 문제가 될 수 있는 질병임에는 틀림 없습니다.인플루엔자 바이러스는 주로 호흡기 관련 질환을 야기시킵니다. 특히 점액에서 많이 발생하는 편이지요. 그러므로 기침 등으로 체액이 외부로 방출되면서 전염되기도 합니다.
그러나, 그것 역시 바이러스의 성질에 따라 약간 다르긴 합니다. 아무튼 그런 점을 생각할 때 바이러스가 유행할 때는 마스크를 쓰고 다니면 좋겠지요. 그리고 제일 중요한 것은 손을 씻는 것입니다. 제가 면역에 대한 글에서도 강조했습니다만, 우리가 걸리는 병 중 흔한 것들은 대부분 손을 통해 감염이 이루어진다고 봐도 과언은 아닙니다. 그러니까, 독감에 걸리기 싫으시면 우선 손을 씻는 버릇부터 갖추시는 것이 좋다고 말씀드리겠습니다