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미생물이야기 바이러스의 유전적 상호작용 (genetic interactions)
2013-08-08 17:36:21
이엠생명과학연구원

바이러스의 유전적 상호작용 (genetic interactions)

 

1) complementation (보충)

보충이라는 현상은 돌연변이된 바이러스의 망가진 단백질의 기능을 같은 숙주세포에 감염된 정상적인 바이러스바이러스의 단백질이 보충해주어 돌연변이체 바이러스가 망가진 기능을 보충받아 증식하는 현상을 말한다.  또한, 서로 다른 유전자에 각각 돌연변이를 가진 두 개의 돌연변이체 바이러스를  같은 숙주 세포에 공동으로 감염시킬때에도 (co-infection), 이 숙주세포 안에서는 돌연변이되어 망가진 각각의 단백질 기능을 서로 보충해 줄 수 있게되며 (trans-complementation), 결과적으로 두 바이러스는 돌연변이되지 않은 wild type처럼 증식할 수 있게된다.  그러나, 이때 얻어진 새끼 바이러스를 따로 따로 숙주세포에 감염시키면 여전히 돌연변이된 유전자가 고쳐지지 않았기 때문에, 이들 바이러스 새끼들은 여전히 돌연변이체로 나타난다.  

이 방법은 보충그룹 (complementation group)을 나누어 바이러스의 유전자의 구성 (genetic organization)을 연구하는 데 이용된다.  예를 들어 바이러스의 두 가지 돌연변이체가 서로 같은 유전자에 돌연변이가 일어난 것인 지 아니면 서로 다른 유전자에 돌연변이가 일어난 것인 지를 조사할 때 이 방법을 이용한다.  만일 두 돌연변이체에서 같은 유전자에 돌연변이가 일어났다면, 두 변이체 바이러스를 같은 숙주세포에 공동 감염시키더라도 망가진 기능이 같기 때문에 서로 보충이 되지 않으며, 결과적으로 wild type의 표현형을 나타내지는 못할 것이다.  그러나 서로 다른 유전자에 돌연변이가 생긴 것이라면, 같은 조건에서 서로의 잘못된 기능을 보충할 수 있게되면, 결과적으로 wild type 표현형을 나타낼 수 있을 것이다.   즉, 보충그룹이 같은 돌연변이체들은 같은 유전자에 돌연변이가 유도되어 서로 보충을 못하는 것을 말하며, 보충그룹이 다른 돌연변이체들은 서로 다른 유전자에 돌연변이가 발생한 것을 말한다.  바이러스의 특정한 표현형을 결정 짖는 돌연변이체의 보충그룹이 몇 가지 존재하느냐를 분석해보면, 그러한 성질을 결정짖는 유전자의 수를 추정할 수 있는 것이다.

이러한 보충현상은 자연상태에서도 관찰할 수 있다.  바이러스들 중에는 genome의 일부가 없어져서 일부의 유전자들이 없는 바이러스가 있다.  이러한 바이러스들을 결함이있는 바이러스 (defective virus)라고 부르는 데, 이들 바이러스는 스스로 증식할 수 없으므로 단독으로는 증식할 수가 없다. 그러나 이러한 defective virus가 완전한 원래의 바이러스 (wild type virus)와 같은 숙주세포에 공동 감염되면, 잃어버린 기능을 wild type virus로부터 보충받아 증식할 수 있기 때문이다.  이 경우, wild type 바이러스는 defective virus의 증식에 도움을 주는 바이러스 (helper virus)로 작용하여 defective virus의 증식을 도와준 꼴이 되는 것이다.  더나아가 defective virus는 wild type virus가 만들어 놓은 단백질들을 빼앗아 사용하기 때문에 결과적으로 wild type virus의 증식에 방해가 될 수 있다.  이러한 현상은 자연상태에서 특정한 바이러스가 너무 많이 증식하여 모든 숙주세포를 파괴하지 못하게 만드는 효과를 가져오는 것으로 이러한 능력이 있는 바이러스를 defective interfering particle (DI particle)이라고 부른다.

          

2) recombination (재조합)

돌연변이된 바이러스의 genome이 다른 바이러스의 genome과 유전자를 서로 교환하여 재조합됨으로서 원래의 바이러스로 돌아갈 수도 있으며, 새로운 바이러스로 전환될 수도 있다.  비록 그 확률이 매우 높은 것은 아니지만, 이러한 재조합 현상도 서로 다른 바이러스가 같은 숙주세포에 공동으로 감염되었을 때 나타난다.  재조합이 보충과 다른 점은 얻어진 새끼 바이러스를 단독으로 새로운 숙주세포에 감염시켜보면 변이체의 성질을 사라지고 wild type의 성질로 되돌아갔다는 점이다. 재조합에 의한 바이러스 genome의 변화는 DNA를 genome으로 가지고 있는 바이러스에서 뿐 아니라 RNA를 genome으로 가지고 있는 virus 모두에서 관찰된다.  또한 재조합 현상은 바이러스의 genome과 숙주의 genome 사이에서도 나타나기 때문에, 바이러스의 감염은 숙주의 염색체에 변화를 유도할 수도 있다.  

 

 

3) reassortment (재배열, 재분류)

RNA 바이러스 중에는 genome이 하나의 RNA로 계속적으로 연결되어 있지 않고, 각각의 유전자 별로 서로 분리되어 있는 경우가 있다.  이러한 바이러스의 genome을 조각난지놈 (segmented genome)이라고 부르는 데, 이러한 양상은 동물세포의 핵 안에 여러 개의 염색체가 존재하는 것과 유사한 것이기도 하다.  단지, 동물의 염색체는 각각의 염색체에 수많은 유전자가 있지만 바이러스의 경우는 각각의 조각 (genome segment)에 하나의 유전자가 있다는 것이 다르다.  

이러한 genome을 가진 대표적인 바이러스로는 독감바이러스 (influenza virus)가 속해있는 orthomyxovirus를 들을 수 있다.  독감바이러스는 8개의 genome segment를 가지고 있는 데, 이들 각각의 segment들은 복제와 단백질 생산이 끝나면 조립되어 각각의 nucleocapsid를 형성하게되며, 방출 시 하나의 엔빌롭 안에 서로 다른 8개의 genome segment가 들어가게 된다.  이때, 만일 다른 형의 독감바이러스가 같은 숙주세포에 공동감염되어 있다면 원래의 segment 대신에 다른 바이러스에서 얻어진 segment를 가지고 나올 수도 있다.  이러한 현상을 genome segment를 분류해낼 때 (sorting) 바꾼 것이라 하여 재배열 또는 재분류라고 부른다.

 

 
재배열 결과 얻어진 바이러스는 원래의 바이러스에 비하여 하나 이상의 genome segment가 완전히 다른 형으로 바뀐 새로운 형의 바이러스가 되는 것이며, 결과적으로 기존의 바이러스와는 그 항원성이 크게 바뀌게 되는 것이다.  이렇게되면, 원래의 형에 대하여 유도되어 있던 면역체계에 의하여 새로운 바이러스형이 제거되지 않게 되며, 결과적으로 새로운 변이형에 의한 새로운 독감 전염병이 유도되는 것이다.  
 

 

 

4) Heterozygosis

Heterozygosis는 같은 유전자에 대하여 두 가지 형의 genome이 동시에 존재하는 것을 말한다.   이러한 현상은 원래 동물세포와 같이 같은 염색체를 두 개 가지고 있는 배수체 세포에서 볼 수 있는 현상이다.  바이러스 중에는 Retrovirus가 하나의 캡시드 안에 두 개의 같은 genome을 가지고 있는 배수체의 바이러스이다.  이 경우 다른 형의 바이러스가 같은 숙주세포에 공동감염되어 있다면, 서로 다른 두 개의 genome이 바이러스 안에 존재하게 되며, 결과적으로 heterozygosis가 되는 것이다. heterozygosis는 서로 다른 타입의 바이러스가 같은 수주에 고동감염되어 잇을 때에도 볼 수 있다. 앞에서 말한 보충현상은 일종의 heterozygosis에 해당하는 셈이다.

 

5) phenotype mixing(표현형의 혼합)

이 현상은 서로 다른 바이러스 사이에서 genome은 그대로 있으면서 envelope protein이 혼합되는 현상을 말한다.  두 가지 서로 다른 엔빌롭바이러스가 같은 숙주세포에 공동감염되었을 때, 바이러스의 증식과정을 통하여 바이러스의 엔빌롭단백질이 숙주의 세포막에 결합되게 된다.  이때 같은 장소에 두 바이러스에서 얻은 단백질이 모두 결합되어 있으면, 방출 시 바이러스의 엔빌롭에는 두 가지 바이러스의 단백질이 모두 존재하게 된다.  또한 방출될 때 특정한 바이러스의 nucleocapsid가 다른 바이러스의 단백질만 있는 세포막 부분을 통하여 방출된다면, 이 바이러스는 genome과는 상관없는 엔빌롭 단백질을 가지고 있게되는 것이다. 이러한 현상을 표현형의 섞임이라고 부른다.  이 현상에 의하여 얻어진 엔빌롭의 형이 원래의 형과 다른 바이러스를 pseudotype (가짜형)이라고 부른 다.  이 가짜형을 단독으로 숙주세포에 감염시켜 배양한 다음 얻어지는 바이러스는 모두 원래의 엔빌롭 단백질을 가지고 있는 원래의 형으로 돌아갈 것이다.

 

6) 방해현상 (interference)

자연적이든 인공적이든 바이러스는 복제과정 중의 실수로 인하여 스스로 증식하지 못하는 바이러스 입자가 만들어질 수 있다.  이러한 바이러스를 결합있는 바이러스 (defective virus)라고 부르는 데, 이 결함있는 바이러스는 wild type 바이러스와 공동으로 감염되면 증식하여 새로운 defective virus를 생산할 수 있다.  defective virus는 자연적으로는 여러 바이러스가 하나의 숙주세포에 감염되었을 때 (high MOI, 높은 감염배수) 잘  얻어져, 종종 백신개발을 위한 약독화된 바이러스 (attenuated virus strain)을 얻는 방법으로 이용도기도 한다. 또한, defective virus 중 어떤 바이러스는 wild type virus와 같이 한 숙주에 감염되어 증식할 때, wild type virus가 필요로 하는 단백질들을 자신이 사용하기 위하여 빼앗아가 버리게되어 wild type 바이러스의 증식을 억제할 수 있다. 이러한 현상을 방해현상 (defective interference)라고 하며, 이 방해현상을 유도할 수 있는 바이러스입자를 defective-interfering particle (DI particle)이라고 부른다.  이러한 현상 때문에 DI particle과 Wild type virus를 공동 감염시켜서 증식시켜 보면, DI particle이 많이 증식하면 wild type 바이러스의 수가 줄어들고, 그렇게되면 다시 DI의 증식이 줄어들게 되어 다시 wild type virus의 수가 늘어나는 순환 현상이 되풀이된다.  이러한 현상은 자연상태에서도 나타날 수 있으며, 결과적으로 wild type 바이러스의 증식이 무한정 나타나는 것을 막아주어 바이러스가 모든 숙주세포를 죽여 버리는 결과를 방지하는 효과를 나타낸다.




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