바이러스의 구조와 증식회로는 무엇일까?

저번 글에서는 유전자 발현 중 번역 과정과 번역 후 변형, 돌연변이에 대해 알아보았습니다. 이번 글에서는 바이러스에 대해 알아보겠습니다. 바이러스에 대해서는 아마 많이들 알고 계시리라 생각합니다. 지금까지도 전 세계에 영향을 주는 코로나도 결국은 바이러스의 한 종류입니다. 바이러스는 생명체일까요? 바이러스의 구성은 어떨까요?

1. 바이러스의 구성

-바이러스의 발견

담배모자이크병은 식물 생장을 방해하고 잎을 변색시킵니다. 1883년 마이어라는 과학자는 병든 식물 잎에서 추출한 수액을 건강한 식물에 문지르면 질병이 옮는다는 것을 발견합니다. 수액에서 미생물을 찾으려 했지만 실패했고, 현미경으로 찾을 수 없을 정도의 매우 작은 세균이 일으키는 것이라고 주장합니다. 이후에 러시아의 이바노브스키는 감염된 담배잎의 수액을 세균을 거를 수 있는 여과지에 통과시켜 보았더니 여전히 수액에 원인 인자가 남아 있었습니다. 이에 베이에링크는 감염체가 세균을 걸러내는 여과기를 통과했으므로 세균은 아닌 것으로 생각했습니다. 증식하는 입자가 세균보다 작고 단순할 것이라고 여겼습니다. 이후에 스탠리가 담배모자이크 바이러스(tobacco mosaic virus, TMV)의 결정을 얻으며 이 사실은 확인되었습니다.

-바이러스의 구조

바이러스는 가장 작은 것이 20nm의 지름을 가지며, 가장 큰 것도 수백nm의 지름을 가지기 때문에 광학현미경으로 겨우 보입니다. 또한 세포는 규칙적인 결정의 형태를 띨 수 없는데 바이러스는 가능하다는 점에서 과학자들은 혼란스러워 했습니다. 이에 바이러스의 구조를 연구한 결과 핵산이 단백질 껍질로 둘러싸인 감염성 입자의 형태라는 것을 알아냅니다. 여기서 단백질 껍질은 캡시드(capsid)라고 합니다. 캡시드는 캡소미어(capsomere)라는 단백질 소단위가 모여 구성됩니다. 바이러스의 유전체는 이중가닥 또는 단일가닥 DNA나 RNA로 구성됩니다. 유전체를 이루는 핵산이 무엇인지에 따라 DNA 바이러스, RNA 바이러스 이름을 붙입니다. 가장 큰 바이러스의 경우 수백~수천 개의 유전자가 유전체에 들어있습니다. 일부 바이러스에는 숙주세포의 감염을 돕는 보조적인 구조인 바이러스 피막(viral envelope)이 있습니다. 이것은 막으로 이루어져 캡시드를 둘러싸고 있습니다. 숙주세포의 막에서 유래하여 숙주세포의 인지질, 막단백질을 포함하는 구조입니다.

2. 바이러스: 숙주세포에서만 증식

 바이러스는 단백질을 합성할 수 있는 능력이나 대사 효소도 없으며, 숙주세포 안에서만 증식할 수 있습니다. 각각의 바이러스는 제한된 종류의 숙주만 감염시킬 수 있으며, 이것을 바이러스의 숙주범위(host range)라고 합니다. 바이러스에 있는 표면 단백질과 숙주세포 외부의 특이 수용체는 열쇠와 자물쇠처럼 작용합니다. 그럼 바이러스는 숙주세포에 어떻게 증식할까요? 감염의 시작에서 바이러스가 숙주세포에 결합하여 유전체를 안으로 주입합니다. T-짝수 파지는 세균세포 내로 DNA를 주입합니다. 피막을 가진 바이러스의 일부는 세포내섭취 또는 세포막과의 융합을 통해 세포 안으로 들어갑니다. 바이러스 유전체는 세포 내에서 단백질을 만들어 숙주세포를 관장합니다. 이 때 세포 합성 프로그램을 바꿔 바이러스의 핵산, 단백질을 합성하도록 조절합니다. DNA 바이러스는 대부분 숙주세포의 DNA 중합효소를 이용하여 바이러스 DNA를 주형으로 새 유전체를 만듭니다. RNA 바이러스는 직접 RNA를 주형으로 하는 중합효소를 만들어 유전체를 합성한다는 차이점이 있습니다. 바이러스의 핵산 분자와 캡소미어가 만들어진 후에는 새 바이러스 입자가 조립됩니다. 그리고 자손 바이러스들이 감염된 숙주세포에서 방출되며, 이 과정에서 숙주세포는 손상되거나 죽습니다. 그러나 좀 더 복잡한 기전을 가진 바이러스들도 존재합니다. 

-박테리오파지의 증식회로

이중나선 DNA 파지의 일부는 용균성 회로와 용원성 회로를 지닙니다. 용균성 회로(lytic cycle)는 파지가 증식하면서 최종적으로는 숙주세포를 죽이는 증식 경로입니다. 용균은 감염의 마지막 단계이며, 세포 내에서 새 파지 입자들이 방출됩니다. 이 회로로만 증식하는 파지는 독성 파지(virulent phage)라고 부릅니다. 용원성 회로(lysogenic cycle)는 숙주세포를 파괴하지는 않은 상태로 유전체를 복제합니다. 온건성 파지(temperate phage)는 용균성 회로와 용원성 회로를 둘 다 가질 수 있습니다. 이 파지는 대장균을 감염시킬 때 선형 DNA를 주입하고 이것은 내부에서 원형으로 변합니다. 용균성 회로에서는 숙주세포가 마치 공장처럼 파지를 만들고 용균됩니다. 용원성 증식 회로에서는 파지의 DNA 분자가 대장균 염색체에 삽입되고 단백질이 만들어져 세균과 파지의 원형 DNA를 잘라 연결합니다. 이렇게 세균 염색체에 삽입된 파지의 DNA는 프로파지(prophage)라고 합니다.

 그렇다면 파지에 대한 세균의 방어책들에는 무엇이 있을까요? 첫번째로, 자연선택을 통해 파지가 인식하지 못하는 수용체를 가질 수 있습니다. 두 번째로는 파지가 침입하면 제한효소(restriction enzyme)가 파지의 DNA를 절단해 버립니다. 세 번째 방법은 세균, 고세균에 있는 크리스퍼-캐스 시스템(CRISPER-Cas system)입니다. 크리스퍼는 clustered regularly interspaced short palindromic repeats의 줄임말인 CRISPR입니다. 이것은 스페이서 DNA 사이에 반복적으로 존재하고, 각각에 앞뒤 동일한 회문구조가 나타납니다. 스페이서 서열은 세포에 감염했던 특정 파지의 DNA와 일치하며, 특정 핵산 분해효소는 CRISPR 서열과 결합합니다. Cas(CRISPR-associated) 단백질은 핵산 분해효소로, 파지 DNA를 인지, 절단하기 때문에 세균이 방어할 수 있습니다. 즉 Cas 단백질은 침입한 파지 DNA를 인지하고 파괴하기 위해 파지 RNA 일부를 가지고 있는 것입니다.

-동물 바이러스의 증식회로

동물 바이러스는 유전체가 DNA인지 RNA인지, 이중가닥인지 단일가닥인지, 피막이 있는지 없는지에 따라 종류가 나뉩니다. RNA 유전체를 지니는 거의 모든 동물 바이러스는 피막을 가지며, DNA 바이러스의 일부도 피막이 있습니다. 피막을 가진 동물 바이러스의 경우 피막의 표면에 당단백질이 돌출되어 있어 숙주세포의 특수 수용체 분자에 결합합니다. 캡시드와 바이러스의 유전체는 세포 내로 들어가고, 세포 효소가 캡시드를 분해하면 바이러스 유전체가 안으로 방출됩니다. 바이러스 유전체는 바이러스 효소가 상보적인 RNA 가닥을 합성 시 주형으로 작용합니다. 새 바이러스 유전체 RNA는 새로 합성된 상보적 RNA 가닥을 주형으로 만들어집니다. 바이러스 유전체의 상보적 RNA 가닥은 mRNA로 작용해 캡시드와 당단백질도 합성합니다. 그 다음 소포가 피막의 당단백질을 원형질막으로 운반하고, 캡시드가 바이러스 유전체를 둘러쌉니다. 그리고 새 바이러스가 세포에서 분리되어 나옵니다. 피막 바이러스는 반드시 용균성 회로를 거칠 필요는 없습니다. 세포막에서 유래되지 않은 피막을 가진 바이러스도 있는데, 헤르페스바이러스(herpesvirus)가 대표적인 예시입니다. 동물 바이러스 중 이중가닥 DNA를 가진 것은 아데노바이러스, 파필로마바이러스, 폴리오마바이러스, 헤르페스바이러스, 폭스바이러스 등이 있습니다. 단일가닥의 DNA로는 파보바이러스, 이중가닥의 RNA로는 레오바이러스가 있습니다. 단일가닥 RNA를 가진 동물 바이러스에는 피코나바이러스, 코로나바이러스, 플라비바이러스, 토가바이러스가 있습니다. mRNA 합성의 주형으로 작용하는 것은 필로바이러스, 오소믹소바이러스, 파라믹소바이러스, 랍도바이러스가 있고, DNA 합성의 주형으로 작용하는 것은 레트로바이러스가 있습니다. 이렇듯 바이러스의 종류까지 알아보았습니다. 다음 글에서는 바이러스가 일으키는 질병에 대해 공부하겠습니다.