[감염병학] 바이러스의 분류와 구조, 증식과 유전학

1. 바이러스 특성을 설명하여 바이러스를 정의할 수 있다.
2. 바이러스 구조를 모식도와 더불어 설명할 수 있다.
3. 바이러스 구성성분과 그 특성을 설명할 수 있다.
4. 바이러스의 증식과정을 단계별로 설명할 수 있다.
5. 바이러스 유전체에 따라 다른 바이러스의 단백합성과 게놈복제 단계를 설명할 수 있다.
6. 바이러스의 유전적 상호작용을 설명할 수 있다.

 

바이러스의 특성

- 바이러스는 여과성 미생물 & 편성세포 내 기생체 & 숙주세포의 도움 없이 독자적으로 에너지를 만들거나 단백 합성을 못 한다.

  * 따라서 인공배지 내에서 증식하지 않는다.

- 바이러스 핵산은 RNA 또는 DNA로 되어있다. 외피 여부에 따라 envelope 보유 바이러스와 naked로 나눌 수도 있다.

- 바이러스 구성성분은 조립된다. (세균처럼 이분법으로 증식하지 않는다.)

- 리보솜이 없고, 항균제도 듣지 않는다. 단 인터페론 감수성을 가진다.

  암기 : 여편네가 바이러스를 숙주나물에 넣어서 "핵 외롭구만" 하면서 다닌다. ~> 바이러스(대분류), 여편, 숙주, 핵 외 구 ~> 바이러스의 특성은 여과성 미생물; 편성세포 내 기생체; 숙주세포 도움 받아서만 에너지&단백 생산; 핵산은 RNA 또는 DNA; 외피; 구성성분은 조립됨

 

바이러스의 구조

- 핵산(DNA 또는 RNA) + 구조단백(capsid) + 효소와 핵산결합단백(선택사항) = 뉴클레오캡시드라고 한다.

  * 구조단백의 단위체는 capsomere

- 숙주세포 바깥에서 감염력이 있는 형태로 존재하는 완전한 바이러스 입자를 virion이라고 한다.

 

뉴클레오캡시드 = naked virus (capsid virus)

뉴클레오캡시드 + 당단백과 외피 = enveloped virus

외피가 있는 정이십면체 캡시드 바이러스의 모식도이다. 캡시드는 두 형태가 모두 그려져있다.

 

subviral agents

1. satellite virus : 인공위성마냥 helper virus를 졸졸 따라다니며 증식한다. ex. delta agent와 HBV(helper)

2. viroid : 일종의 RNA이며 단백 없는 핵산이다. 식물에서만 발견된다.

3. prion : 핵산 없는 단백이다.

 

바이러스의 분류

핵산, 외피, 증식에 따라 분류한다.

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1. DNA 바이러스 (Group I, II) : 안정적, 비일과적, 지속감염

핵산이 DNA로 되어 있어 비교적 안정적이며 복제 오류가 적습니다.

• Group I (dsDNA): 이중 가닥 DNA 바이러스. 숙주 세포와 똑같은 방식을 사용하므로 가장 효율적입니다. (예: 아데노바이러스, 헤르페스바이러스)
• Group II (ssDNA): 단일 가닥 DNA 바이러스. 세포 내로 들어가면 먼저 보충 가닥을 만들어 dsDNA가 된 후 mRNA를 만듭니다. (예: 파르보바이러스)

2. RNA 바이러스 (Group III, IV, V)

핵산이 RNA로 되어 있어 변이가 매우 잦은 것이 특징입니다.

• Group III (dsRNA): 이중 가닥 RNA 바이러스. RNA를 쪼개어 바로 mRNA로 사용합니다. (예: 로타바이러스)
• Group IV (+ssRNA): 양성 단일 가닥 RNA 바이러스. 게놈 자체가 mRNA 역할을 하므로, 세포에 들어가자마자 바로 단백질을 찍어낼 수 있습니다. (예: 코로나19 바이러스, C형 간염)
• Group V (-ssRNA): 음성 단일 가닥 RNA 바이러스. mRNA의 거울 이미지와 같습니다. 스스로를 (+) 가닥으로 복사해줄 효소를 반드시 몸 속에 가지고 다녀야 합니다. (예: 인플루엔자 바이러스, 에볼라)

3. 역전사 바이러스 (Group VI, VII)

RNA와 DNA 사이를 왔다 갔다 하는 독특한 녀석들입니다.

• Group VI (ssRNA-RT): 단일 가닥 RNA를 가졌지만, 이를 DNA로 역전사하여 숙주 유전자에 끼워 넣습니다. (예: HIV/에이즈 바이러스)
• Group VII (dsDNA-RT): 이중 가닥 DNA를 가졌으나, 복제 과정 중에 RNA 중간 단계를 거친 뒤 다시 DNA로 바꿉니다. (예: B형 간염 바이러스)

 

DNA virus

- parvo는 가장 작은 바이러스이며 한 가닥의 DNA(ss DNA)를 가진다.

- 유전체가 크면 스스로 핵산중합효소를 가진다. ex. pox, herpes, adeno

 

RNA virus

- reo 혼자 이중가닥이다.

- ortho, arena, reo는 조각이 나있다.(segmented)

  암기 : 오아레(5월에) 이별해서 마음이 조각났다. ~> 오르쏘, 아레나, 레오

- single strand일 때는 극성을 표시한다. ss(-)는 스스로 핵산중합효소를 가져야 virion이라고 할 수 있다.

 

바이러스의 구성성분

핵산 : DNA는 ds, RNA는 ss이다.

  * 예외는 ssDNA 파보바이러스와 dsRNA 레오바이러스

  * retro나 인플루엔자는 분절이 나있다.

  암기 : 인스타 팔로우 ~> 인플루엔자 팔(8) 조각으로 분절

단백 : 바이러스 단백 유전정보는 바이러스 유전체에 있다. 구조단백(전달, 보호, 부착, 항원)과 기능단백(혈구응집, 핵산 중합효소, neuramidase-면역회피, polymerase분열, lysozymes세균세포벽파괴 등)으로 나뉜다.

  암기 : 단백질쉐이크와 전구를 파는 보부항(보부상) ~> 단백질, 전구, 보부항 ~> 구조단백(대분류), 전달, 보호, 부착, 항원

지질 : 외피는 숙주의 단위막을 그대로 출아(budding)한다. 바이러스-특이 단백이 포함되어 있으며, 유기용매에 취약하다.

당단백 : 외피에 spike나 projection 형태로 박혀있다. 바이러스 유전자 해독으로 단백이 생성되고, 숙주세포의 glycosyl transferase에 의해 당 성분이 첨가되어 당단백이 되는 것이다. 바이러스 가장 바깥이라 세포 수용체와 상호작용&항원으로 작용한다.

  * 즉 바이러스가 만든 단백 + 세포가 말아준 GT(글리코실 트랜스퍼라제)에 의해 당이 추가돼서 당단백이 된다. 맨 바깥이니까 당연히 수용체&항원 기능을 한다. envelope는 숙주꺼를 그대로 budding한 것이다.

 

- naked capsid virion : 단백질로 되어있으며 안정적, stable하다. 세포로부터 lysis로 유리된다. 

- enveloped virion : 지질을 포함하여 불안정, labile하다. 항상 wet해야하며, 세포의 구조를 파괴하지 않고 budding으로 유리된다.

  * non-enveloped가 더 사멸하기 어렵다고 배웠었다. 외피는 계륵 같은 존재다. 외피가 있어야 감염력이 유지되는데 그 외피가 너무 쉽게 파괴되어서 enveloped virus의 감염력이 약해지기 때문이다.

- enterovirus는 장내세균이니까 산성을 잘 견딘다. 반면 염기성 환경을 모든 바이러스를 파괴한다.

  * 바이러스 증식 과정에서도 낮은 pH가 필요하다. 어찌 되었든 바이러스는 산성을 잘 견딘다.

- 바이러스는 살균제가 잘 안 듣는다. chlorine 고농도로 하면 좀 파괴한다. 멸균(sterilization)은 포자 포함 모든 생명체를 사멸하는 것이니까 바이러스도 사멸한다.(고압증기, 건열, eo, 감마선)

  * 비눗물, formaldehyde, 방사선이 효과가 있다. 소금은 별 도움이 안 된다.

 

바이러스의 증식

인식-부착-투과-탈외피-전사 단백합성 유전체 복제-조립-용해(또는 출아) 및 방출 과정을 거친다.

  암기 : 바이러스라는 불청객이 우리 집에 찾아왔다. 다짜고짜 인버터(인부투) 에어컨을 켜더니 외투를 벗었다. 전단지, 복숭아를 갖고 놀더니 마지막에는 조방(주방)에 들어갔다. ~> 바이러스 침입(대분류), 인부투, 외투 벗기, 전단, 복, 조방 ~> 인식 부착 투과, 탈외피, 전사 단백합성 복제of유전체, 조립, 방출(용해 또는 출아); 각 단계에 세부내용을 덧붙여서 암기하는데 외피 보유 바이러스와 naked virus를 잘 구분해서 알아둔다.

  * capsid virion은 용해, enveloped virion은 출아를 통해 방출된다.

 

인식과 부착

- 바이러스 부착단백이 숙주세포 수용체를 인식하여 결합한다. 조직 친화성이 나타난다.

- 부착단백, 표적세포, 기능을 연관지어 알아둔다. 인플루엔자A는 혈구응집소 gp-호흡기 상피세포-시알산; HIV는 gp120-조력T와 큰포식-CD4 (gp는 glycoprotein)

 

투과

외피 있는 바이러스는 숙주세포 원형질막과 융합, non-enveloped는 주로 수용체 매개 endocytosis에 의해 세포 내부로 들어간다.

 

탈외피(uncoating)

산성환경이나 endosome 또는 lysosome 속에서 protease에 의해 외피와 세포막이 융합되어 유전체가 노출된다

 

전사&단백합성&유전체 복제(macromolecular synthesis)

- dsDNA, ssDNA, ss(-)RNA, ss(+)RNA, retrovirus의 단백합성과 유전체 복제 기전을 숙지해둔다.

- early mRNA와 기능단백질을 만들고, 유전체를 복제한다. 그 후 late mRNA와 구조단백질을 만든다. 마지막에 수정을 가한다.

  암기 : 바이러스 단백에는 기능단백과 구조단백이 있는데 기능이 먼저 갖춰져야 유전체 복제를 할 수 있다. 구조는 나중에 세워도 된다.

- DNA 바이러스는 DNA의존DNA중합효소(DNA-dependant DNA polymerase)를 통해 유전체를 복제하는데 이는 바이러스가 가진 경우도 있고 숙주세포의 것을 쓰는 경우도 있다. DNA의존RNA중합효소는 숙주세포의 것을 사용한다.

1. 전사와 번역의 장소 분업 (핵 vs 세포질)

바이러스는 숙주의 시스템을 그대로 이용하기 때문에, 숙주 세포의 생리 체계를 따릅니다.

• 핵 (Nucleus): 숙주의 DdRp(DNA 의존성 RNA 중합효소)가 있는 곳입니다. 여기서 바이러스 DNA를 바탕으로 mRNA를 찍어냅니다. (전사)
• 세포질 (Cytoplasm): 숙주의 리보솜이 있는 곳입니다. 핵에서 만들어져 밖으로 나온 mRNA를 읽어서 **바이러스 단백질(Viral Protein)**을 만듭니다. (번역)

2. 복제 과정의 디테일 (Time-line)

단순히 동시에 일어나는 것이 아니라, 보통 효율을 위해 단계를 나눕니다.

1. 조기 전사/번역 (Early stage):
   • 핵에서 숙주의 DdRp를 빌려 '조기 mRNA'를 만듭니다.
   • 이게 세포질로 나가서 '복제에 필요한 단백질'(예: 바이러스 전용 DdDp 등)을 먼저 만듭니다.
   • 만들어진 단백질들은 다시 핵 안으로 들어옵니다.
2. DNA 복제 (Replication):
   • 핵으로 돌아온 바이러스 단백질(DdDp 등)들이 바이러스 DNA를 대량으로 복제합니다.
3. 후기 전사/번역 (Late stage):
   • 복제된 DNA를 바탕으로 '후기 mRNA'를 만듭니다.
   • 세포질로 나가서 바이러스의 **'껍데기 단백질(Capsid)'**을 대량 생산합니다.
4. 조립 (Assembly):
   • 껍데기 단백질들이 다시 핵으로 들어오거나 특정 장소에 모여, 복제된 DNA를 안에 넣고 완전한 바이러스 개체로 조립됩니다.

  * ssDNA virus는 숙주세포 핵 속에서 dsDNA 전환 (가장 중요!): 숙주의 DdDp를 이용하여 단일 가닥 DNA를 바탕으로 보충 가닥을 합성합니다. 이제 바이러스 유전자는 dsDNA(이중 가닥) 형태가 됩니다.

  * 바이러스의 DNA 의존 DNA 중합효소는 숙주의 것보다 빠르지만 정확도가 떨어진다. RNA는 더 심해서 변이가 잦다.

  * 예를 들어 HSV는 숙주세포의 DdRp를 이용해 mRNA를 만들고, DdDp 단백질을 따로 합성하여 핵에서 DNA를 복제한다.

  * ssDNA parvovirus는 숙주 DdDp로 dsDNA 만들고, mRNA를 만들어 단백질을 합성한다.

- RNA바이러스는 유전체 전사와 복제에 필요한 효소의 유전자를 자신이 갖고 있다. 이중가닥의 replicative intermediate가 생긴다.

  * RdRp(RNA 의존 RNA 중합효소)는 (+)RNA의 경우 mRNA처럼 직접 작동하여 RdRp를 숙주세포 내에서 생성한다; (-)RNA와 dsRNA(reo)는 자신의 RdRp를 세포 내로 가지고 들어간다. 숙주세포 내에서 ss(+)RNA와 mRNA를 직접 만들고 단백질을 합성하며 이때 RdRp를 만든다; retrovirus는 역전사효소(RTase)를 가지고 세포 안으로 들어간다. 세포질에서 증식한다.

- 단백합성은 숙주세포의 리보솜과 tRNA를 이용한다.

  * (+)RNA는 전체 유전자가 리보솜과 결합하여 하나의 큰 polyprotein으로 해독된다

 

조립

- 조각을 짜맞추는 퍼즐이다.

- 속이 비거나 유전체가 결손된 바이러스는 defective interfering particle(결손간섭입자)이라고 한다.

1. 바이러스 복제의 공통 6단계

1. 흡착 (Attachment): 바이러스 표면 단백질이 숙주 세포의 특정 수용체와 결합합니다. (열쇠와 자물쇠 관계)
2. 침입 (Penetration): 세포막을 뚫고 들어가거나, 세포막과 융합하여 내부로 진입합니다.
3. 탈외각 (Uncoating): 단백질 껍데기(Capsid)를 벗고 유전물질(DNA 또는 RNA)을 방출합니다.
4. 합성 (Biosynthesis): 숙주의 효소를 이용해 바이러스 유전자를 복제하고, 단백질(껍데기 등)을 합성합니다. (여기가 분류별로 가장 다른 지점입니다!)
5. 조립 (Assembly): 새로 만들어진 유전물질과 단백질이 합쳐져 완전한 바이러스 입자가 됩니다.
6. 방출 (Release): 세포를 터뜨리거나(Lysis), 세포막을 입고 나가면서(Budding) 새로운 세포를 감염시키러 떠납니다.

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2. 볼티모어 그룹별 핵심 복제 기전

가장 중요한 차이점은 어떻게 유전자를 복사하고 단백질 제조 설계도(mRNA)를 만드느냐입니다.

① DNA 바이러스 (Group I, II)

주로 숙주 세포의 핵(Nucleus) 안으로 들어갑니다.

• Group I (dsDNA): 숙주의 RNA 중합효소를 빌려 mRNA를 만들고, DNA 중합효소로 유전자를 복제합니다. 우리 세포의 복제 방식과 거의 같습니다.
• Group II (ssDNA): 단일 가닥이므로, 먼저 숙주 효소를 이용해 반대쪽 가닥을 만들어 이중 가닥(dsDNA)으로 변신한 뒤 Group I처럼 행동합니다.

② RNA 바이러스 (Group III, IV, V)

보통 핵으로 가지 않고 세포질(Cytoplasm)에서 직접 복제합니다.

• Group III (dsRNA): 이중 가닥 RNA를 벌려 한쪽을 mRNA로 씁니다.
• Group IV (+ssRNA): 침입하자마자 유전자 자체가 mRNA 역할을 합니다. 즉시 리보솜에 붙어 단백질을 만듭니다. 복제가 매우 빠릅니다.
• Group V (-ssRNA): 유전자가 mRNA의 보충 가닥이라 바로 쓸 수 없습니다. 자신이 직접 가지고 온 'RNA 의존성 RNA 중합효소'를 사용해 (+) 가닥을 먼저 만들어야 복제와 합성이 가능합니다.

③ 역전사 바이러스 (Group VI, VII)

• Group VI (Retrovirus): RNA를 DNA로 바꾸는 '역전사 효소'를 가졌습니다. 생성된 DNA를 숙주의 DNA 속에 아예 끼워 넣습니다. 한 번 감염되면 완치가 어려운 이유(예: HIV)가 바로 이 때문입니다.
• Group VII (Pararetrovirus): DNA 바이러스지만 특이하게 RNA 중간 단계를 거쳐 다시 DNA를 복제합니다. (예: B형 간염)

 

바이러스 유전체에 따른 단백합성과 게놈복제 단계

- 역전사효소는 retrovirus인 HIV와 DNA 바이러스인 HBV가 만든다. HIV는 역전사가 packaging 전에, HBV는 이후에 일어난다.

 

유전적 상호작용

- recombination : 염기서열이 섞인다. 바이러스 간 / 바이러스-숙주

- reassortment(재편성) : 유전체가 segmented된 바이러스들이 혼합감염되었을 때, 분절이 무작위로 조합되는 것. 분절 하나가 reassortment되어도 표면 당단백 종류가 바뀔 수 있다. 두 종류의 influenza A virus가 감염되었을 때 숙주세포 내에서 유전체 분절들이 섞여서 reassortment가 발생할 수 있다.

- marker rescue : 치사 변이를 가진 바이러스가 야생형 DNA 조각을 긴급수혈 받아서 살아난다.

- complementation : 결손 바이러스가 다른 바이러스의 gene 영향으로 생산 가능하게 된다.

- phenotype mixing : 유전체는 동일하지만, 외피나 캡시드 표현형이 모자이크처럼 섞인다.

- transcapsidation : 캡시드를 서로 바꿔 입는다.

- interference : 서로 증식을 방해한다. (이이제이)

 

OX 퀴즈

- 외피보유 바이러스는 습한 환경에서 잘 자란다.

- (+) ssRNA 바이러스는 RNA가 그대로 mRNA 기능한다. 숙주세포 리보솜이 mRNA를 그대로 번역하여 polyprotein을 만들고, protease로 polyprotein을 분해한다.

- viral DNA polymerase는 항바이러스제의 주된 target이 된다.

- 항바이러스제는 바이러스마다 target이 다르므로 광범위하게 사용할 수는 없다.

- DNA virus의 게놈은 핵 내에서 전사되고, RNA 바이러스는 세포질에서 증식한다.