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미생물이야기 바이러스의 일반적인 감염 증식 과정 (Infectious cycle)
2013-08-08 17:33:09
이엠생명과학연구원

바이러스의 일반적인 감염 증식 과정 (Infectious cycle)


1) 일반적인 바이러스의 증식과정

    바이러스의 증식과정은 먼저 바이러스가 숙주세포와 만나서 숙주세포에 들어가는 것으로 시작된다.  이 과정을 부착과 침투의 과정 (adsorption and penetration)이라고 부른다. 일단 숙주세포에 바이러스가 들어오면 바이러스는 genome을 제외한 모든 구조물들을 제거하고 (껍질벋기, uncoating), 노출된 genome을 이용하여 새로운 genome을 복제하는 과정과 이 genome을 둘러쌀 단백질들을 생산하는 과정이 시작되어 (증식과정, multiplication) 바이러스의 새로운 genome과 새로운 단백질들을 대량 생산하게 된다.  그후, 새로이 만들어진 genome과 단백질을 이용하여 새로운 바이러스 입자를 만들어내고 꾸미는 과정 (조립 및 성숙, assembly and maturation)과 바이러스 입자가 숙주세포에서 세포 밖으로 나가는 과정 (방출, release)을 거쳐 새로운 바이러스로 탄생하게 된다 (그림).

 

그림 1) 독감바이러스 (influenza virus)의 감염회로
virus가 숙주세포에 부착한 후, 자신의 지놈을 세포안에 삽입하게되며, 그후, viral gene들이 전사와 번역되어 바이러스이 단백질이 만들어지고, 지놈은 복제되어 새로운 지놈을 많이 만든다. 그 후, 이들 단백질과 지놈이 결합하여 새로운 바이러스 입자를 만들고 숙주세포로부터 방출된다.

 

 

2) 부착, 침투, 껍질벋기의 과정 (Adsorption, Peneteration and Uncoating)


 a) 부착의 과정

      바이러스가 숙주세포와 결합하는 부착의 과정은 바이러스 표면의 구조물과 세포 표면의 구조물 사이의 특이적인 상호작용 (specific interaction)에 의하여 나타난다. 이와같이 바이러스와 숙주세포가 상호작용하는 분자를 각각 바이러스수용체 (viral receptor)와 세포 수용체라고 부르며, 이들 간의 결합은 마치 열쇠와 자물쇠의 관계와 같이 같이 서로 상보적이고 특이적인 결합으로 나타난다.  그러므로 이러한 관계가 성립돠지 못하는 숙주는 바이러스에 감염될 수 없다.

     바이러스의 수용체 (viral receptor)는 envelope이 있는 바이러스의 경우는 envelope에 있는 당단백질이 수용체 역할을 하며, envelope이 없는 바이러스의 경우는 capsid의  protein이 그 역할을 한다. 숙주세포의 바이러스 수용체 즉 세포수용체 (cellular receptor)는 일반적으로 세포막의 당단백질 (membrane glycoproteins) 중 하나이며, 세포막에 있는 다양한 당단백질 중에서 특정한 것이 특정한 바이러스의 수용체로 작용한다.  세포 표면에 존재하는 세포막 당단백질의 종류는 세포마다 다르고 특정한 당단백질을 가지고 있는 세포는 조직마다 다를 수 있기 때문에, 수용체의 존재여부는 바이러스 질병의 조직특이성을 결정하는 중요한 요소가 된다.  만약 어떤 바이러스의 세포의 수용체가 많은 종류의 세포들이 공통적으로 가지고 있는 것이라면 이 바이러스의 숙주 세포의 범위는 매우 클 것이고, 반대로 세포의 수용체가 특정한 몇몇의 세포에만 존재하는 것이라면, 이 바이러스의 숙주 세포 범위는 매우 좁을 것이다.  바이러스의 숙주 동물 범위 (host range)도 이러한 바이러스 수용체와 숙주세포 수용체간의 상호작용에 의하여 결정될 수 있다.  특정한 바이러스의 세포 수용체의 구조가 동물의 종이 다르더라도 충분히 유사하다면 얼마든지 종 사이를 건너서 바이러스가 감염될 수 있는 것이다.

     바이러스 수용체에 대한 항체는 바이러스의 숙주세포 감염을 막아줄 수 있다.  이러한 종류의 항체를 바이러스의 감염을 막아줄 수 있다 하여, 중화항체 (neutralization antibody)라고 부른다.  바이러스 표면의 모든 단백질이 바이러스 감염의 수용체로 작용하는 것이 아니므로, 바이러스 표면의 단백질에 대한 항체가 언제나 중화항체가 되는 것이 아니라, 바이러스의 숙주세포 수용체에 대한 항체가 중화항체가 되는 것이다.
 

b) 침투 (penetration)와 uncoating (껍질벗기)

      바이러스의 숙주 세포 내 침투 (penetration)는 바이러스가 숙주세포에 결합된 후에 나타나는 과정이다.   이때, 바이러스는 종류에 따라 숙주 세포 내로 바이러스 입자를 그대로 넣어주기도 하며 바이러스 입자의 일부만을 넣어주는 경우도 있다.  심지어는 바이러스의 genome 만을 넣어주는 경우도 있다.  

      바이러스의 침투 과정은 세포 생물학적인 측면에서 보아 일반적으로 세 가지의 과정으로 나눈다.  

 

1. 수용체 매개 세포내이동 (receptor mediated endocytosis)은 바이러스 수용체와 숙주세포 수용체가 서로 결합한 후, 결합한 부위가 함몰하여 주머니가 형성되고, 그 주머니가 세포내 이동 (endocytosis)이라는 과정을 통하여 숙주세포 내부로 침투하는 과정을 말한다 (그림).  이 방법은 엔빌롭이 있는 바이러스에서도 관찰되며, 엔빌롭이 없는 바이러스에서도 관찰되는 침투과정이다.

 

 

2. 막융합 (membrane fusion)의 과정은 바이러스의 수용체와 숙주세포의 수용체가 결합 한 후, 숙주의 세포막과 바이러스의 envelope이 융합됨으로서 바이러스가 침투하는 과정을 말한다 (그림 4). 이 과정은 언제나 엔빌롭이 있는 바이러스에서만 나타나는 과정으로, 세포막 융합을 유도할 수 있는 엔빌롭 단백질을 가지고 있는 바이러스에서 나나나는 침투과정이다.

3. 식균과정 (phagocytosis 또는 pinocytosis)은 아메바가 외부 입자를 잡아먹는 것처럼 식균 작용이 있는 세포가 외부의 입자를 세포 안으로 끌어들임으로서 바이러스의 침투가 이루어지는 과정이다.  이 과정도 엔빌롭 유무에 상관없이 나타나며, 특정한 수용체 상호작용이 없어도 침투가 가능하나, 식균작용이 있는 숙주세포에서만 볼 수 있는 과정이다.

 

     침투 결과 바이러스 입자가 숙주의 세포질에 들어간 경우는 capsid 등과 같은 genome 이외의 구조물을 제거하여, 자유로운 상태의 genome (free nucleic acid)을 세포질이나 핵 안으로 유리하여야 한다.  이 과정을 껍질벋기과정(uncoating 과정)이라고 하며, 이때에는 세포 안에 바이러스 입자가 없고 바이러스 genome만이 존재하게 되는 것이다.   침투나 uncoating의 과정을 통하여 바이러스의 핵산이 세포질이나 핵안에 노출되면, 바이러스의 genome은 숙주의 분해과정에 민감하게 되며, 결과적으로 바이러스가 사라지게 될 수도 있다 (제한, restriction).  이러한 기능을 가진 효소를 제한효소(restriction enzyme)라고 하며, bacteriophage는 대장군 세포에서 제한효소의 작용으로 제거될 수 있기 때문에, bacteriophage는 자신의 DNA를 수정(modify)하여 그 작용을 피하고 있다. 동물세포는 세균과는 다른 방법으로 감염된 바이러스를 제거하는데, 그러한 과정을 RNA방해 (RNA interference, RNAi)라고 부른다. 이 과정에서, 바이러스에의해 생성된 두가닥 RNA는 숙주세포에 의하여 인지되어 바이러스 RNA의 특이적인 분해를 촉진하거나, 바이러스 RNA의 번역을 방해하는데 활용된다.

 

3) virus의 증식

     바이러스의 침투 과정이 끝나고 껍질벋기를 거치면 바이러스의 genome으로부터 바이러스의 증식이 나타난다.  바이러스의 증식 과정은 새로운 genome을 복제하는 과정과 새로운 단백질을 만드는 두 가지 과정으로 아루어 진다.   일반적으로 바이러스의 증식과정은 단계적으로 나탄난다.  먼저 침입한 바이러스 genome을 이용하여 본격적인 증식에 필요한 효소들을 먼저 만들게 되며, 그 후 이들 효소를 이용하여 바이러스의 genome을 대량 생산하는 복제의 과정이 나타난다.  그 후, 복제된 genome을 다시 전사 번역하여 바이러스의 껍질을 이루는 구조단백질들을 생산하게 되며, 그 결과 조립에 필요한 바이러스의 genome과 구조단백질을 많이 확보한 다음 조립과 성숙을 거쳐 새로운 바이러스 입자를 만들어낸다. 이와같이 단계적으로 나타나는 바이러스의 증식 단계를 각각 초기발현단계-복제단계-후기발현단계라고 부른다. 이러한 증식 과정은 genome이 RNA인 바이러스DNA인 바이러스에서 서로 상이하게 나타나기 때문에 따로 따로 기술하기로 한다.




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