광우병의 근원 물질 프리온(Prion) 파해치기!!


광우병!! 그것은 도대체 무엇일까요? 참 이해하기 힘든 질병입니다.
광우병의 원인물질은 바이러스나 세균이 아니라 단백질인 변형 프리온이라는거 여러분들도 잘 아시죠? 자외선을 쪼여도, 펄펄 끓여도 사라지지 않는 신기한 단백질 프리온!! 하지만 그거 아시나요? 저희 몸에는 많은 수의 프리온이 있답니다. 헉!! 그럼 우리 모두 광우병환자? 그건 아니고요. 프리온도 정상과 비정상이 있습니다. 모든 병의 근원은 바로 이 비장상적인 놈들 때문이죠. 정상 프리온이 돌연변이를 일으키면 변형 프리온이 됩니다. 이 변형 프리온이 정상 프리온을 자신과 같은 구조의 단백질로 바꾸면서 광우병과 같은 무서운 병을 일으키는 셈이죠. 요즘 과학자들은 바로 변형 프리온이 정상 프리온을 어떻게 변형시키는지 그 메커니즘을 파헤치고 인간광우병 환자의 변형 프리온의 유전자형이 MM형인 이유를 분석하고 있다고 합니다. 그렇다면 광우병의 원인물질인 변형 프리온에 대해서 파헤쳐볼까요?

 


1. 변형 프리온 종류에 따라 광우병(CJD) 증상도 다르다.
프리온(prion)은 미국 샌프란시스코 캘리포니아대 의대 스탠리 프루시너 교수가 1982년 사이언스 논문에서 처음 사용한 신조어입니다. ‘단백질성 감염성 입자’(proteinaceous infectious particle)를 뜻합니다. (예전 시험에서 프리온(Prion)의 약자를 쓰라는 문제가 나온 후 이제 까먹지를 않네요... 왜냐하면 제가 틀렸거든요ㅠ) 이 프리온이라는 단백질은 ‘쿠루’와 ‘크로이츠펠트-야콥병’(CJD), 양이나 염소가 걸리는 ‘스크래피’ 같은 질병을 일으킵니다. 그러나 1982년 당시 인간의 게놈에 프리온 유전자가 있고 이 유전자가 발현돼 만들어진 프리온 단백질이 몸에 분포한다는 사실을 몰랐다고 합니다. 물론 광우병을 일으키는 프리온은 정상 프리온이 아니라 변형 프리온이라는 점도 몰랐던 것이죠.

프리온세포막 바깥쪽에 붙어 있는 단백질로 몸의 조직 대부분에 분포하는데 특히 신경계와 면역계 조직에 많이 있습니다. 그렇다면 정상 프리온의 원래 역할은 무엇일까요? 아직 완전히 밝혀지지는 않았지만 조사한 결과 신경계의 시냅스 전달 과정에 관여하고 있다는 것을 밝혀냈습니다. 또한 프리온 단백질에는 구리 이온(Cu2+)이 붙어 있는데요. 구리 이온은 항산화효소인 SOD(superoxide dismutase)를 비롯해 여러 효소가 작용하는데 필요한 필수 성분입니다. 혈액 내 구리 이온 농도가 높으면 손이 떨리고 언어장애가 나타나는데 이 증상을 윌슨씨병이라고 합니다.


프리온의 존재가 밝혀진 이후에도 쿠루나 CJD가 정말 변형된 프리온 단백질인지는 알기가 힘들었다고 합니다. 왜냐하면 프리온 관련 질병의 증세가 각각 달랐기 때문입니다. 동일한 프리온 단백질이 변형돼 병이 생겼다면 증세가 비슷해야 하는데 산발성(sporadic) CJD(sCJD)나 병원에서 옮은(iatrogenic) CJD(iCJD) 등의 환자들의 병 진행과정이나 사후 뇌조직 검사를 해보면 모두 달랐던 것이죠. 하여 정상 인간 프리온이 스스로 바뀌어 변종으로 가는 데 4가지 증상이 나타났으며 이것을 타입 1, 2, 3, 4 로 나누었습니다.

사람의 정상 프리온은 스스로 인간광우병을 일으키는 변형 프리온 구조로는 바뀌지 못합니다. 그러나 이런 구조로 변형된 프리온과 접촉하면 그 안내를 받아 바뀔 수도 있는 것이죠. 이런 우려가 현실화된 것이 바로 소에게 광우병을 일으키는 변형 프리온인 것입니다. 변형 프리온은 정상 프리온을 자신과 같은 구조의 변형 프리온으로 바꾸는 마치 좀비같은 단백질 입니다. 따라서 소의 변형 프리온을 만난 인간의 정상 프리온은 소의 변형 프리온처럼 변하게 됩니다. 우리가 흔히 '인간광우병'이라고 부르는 것은 바로 '변형 크로이츠펠트-야콥병(vCJD)'입니다.

프리온 MM1 소뇌 (@gliageek / http://www.flickr.com/photos/26016306@N03/2477546571/)


2. MM형 프리온은 무엇인가?
MM형!! 유전학을 모르신다면 상당히 어려운 말입니다. 이제부터 제가 쉽게 설명을 해드리죠. 여기서 나오는 M은 바로 아미노산 중 하나인 메티오닌(Methionine)의 M을 뜻하는 것입니다. 여러분~!! 위에서 프리온은 무엇이라고 했죠? 바로 단백질이라고 했죠? 단백질은 여러 개의 아미노산으로 이루어져 있습니다. 프리온 단백질은 253개의 아미노산으로 이루어져 있다고 합니다. 이 253개의 아미노산 중에 129번째에 있는 아미노산이 메티오닌(M)이라면 이것을 MM형이라고 합니다. 원래 여기에 분자생물학적 설명을 더 해야하지만 그렇게 되면 너무 어렵고 복잡하기 때문에 이 정도로 설명드리도록 하겠습니다.

129번째 아미노산은 메티오닌(M)으로 되어있는 프리온 단백질이 변형이 매우 잘된다는 연구보고가 나왔었습니다. 그리고 한국인의 94%가 MM형 프리온 단백질을 가지고 있다고 합니다. 그렇다면 왜 MM형이 변형 프리온이 더 잘 생길까요? 거기에 대한 과학적 과정은 밝혀지지 않았습니다. 하지만 수 백년에 걸쳐 내려온 병력을 보았을 때 추측을 할 수 있습니다. 한국인의 프리온 단백질은 MM형이 대부분이지만 가끔가다 MV형과 VV형도 나타납니다. 여기서 V는 또 무엇인가, 하실텐데요. 간단하게 아까는 메티오닌(M)이었지만 이번에는 129번째 아미노산이 발린(Valine)으로 되어 있는 것을 V형이라고 하는 것입니다. 염색체는 쌍으로 이루어져 있기 때문에 MM형, MV형, VV형으로 나타날 수 있는 것입니다.

과학자들은 ‘쿠루’라는 광우병과 비슷한 병의 역사를 통해 MM형과 VV형이 MV형의 잡종보다 쿠루병이 더 잘 걸린다는 것을 분석했습니다. MV형의 프리온이 잘 변형이 안되는 이유는 두 가지 단백질이 같은 타입의 단백질끼리 상호작용하는 것을 방해하기 때문이라고 과학자들은 해석하고 있습니다.

3. 소고기만 먹는다고 걸릴까? 사람도 조심해라!!
사람에서 사람으로 전염될 경우. 주요 문제는 헌혈입니다. 소의 변형 프리온에 감염됐지만 아직 인간 광우병이 발병하지 않은 사람이 헌혈을 할 경우 그 피를 받은 사람들이 병에 걸릴 수 있습니다. 실제로 영국에서 이런 일이 일어났는데요, 2004년 한 사람이 수혈을 받고 6년이 지난 후 증상이 발병해 13개월 뒤 죽었고 한 사람은 5년 뒤 다른 병으로 죽었는데 부검 결과 인간 광우병 증세가 발견됐다고 합니다. 두 사람 다 CJD가 발병하기 전 헌혈을 한 사람의 피를 받았다고 하네요. 이 사람의 피를 받은 사람은 66명이나 됐다고 합니다. 세 번째 희생자는 2006년 보고된 23세 청년으로 수혈을 받고 7년 반 만에 증세가 나타났다고 합니다. 최근에는 수혈로 인해 CJD가 발생한 4번째 사례도 영국에서 보고됐다고 합니다.

그렇다면 광우병은 정말 불치의 병일까요? 현재까지는 그렇다고 볼 수 있습니다. 일단 증세가 나타나면 100% 죽음에 이르기 때문이죠. 게다가 어떻게 해서 증상이 나타나는지도 아직 정확히 모르고 있습니다. 처음에는 세포 밖에 쌓여있는 변형 단백질 덩어리가 병을 일으킨다고 생각했지만 실험결과 이외의 결과들이 많이 나와 딱히 설명하기가 어렵다고 합니다.

프리온 질병으로 죽은 동물의 뇌에 변형 프리온의 양이 적은 사례들이 보고됐고 프리온을 만들지 못하는 쥐는 변형 프리온을 고농도로 주입받아도 프리온 질병에 걸리지 않았다고 합니다. 따라서 연구자들은 변형 프리온 자체는 독성이 없고 대신 정상 프리온을 변형하는 과정에서 세포독성이 강한 프리온 조각이 떨어져 나온다고 생각하게 되었습니다.

영국의 과학자들은 프리온 조각의 세포독성은 세포내 프로테아좀의 작용을 방해한 결과라는 연구결과를 발표했습니다. 여기서 프로테아좀은 쓸모없는 단백질을 분해하는 효소입니다.
프로테아좀은 잘못 접히거나 손상을 입은 단백질을 찾아내 제거함으로써 이런 단백질이 뭉쳐져 독성을 띨 가능성을 차단합니다 세포내 신경독성은 잘못 접힌 프리온 단백질 조각이 프로테아좀에 달라붙어 프로테아솜의 기능을 무력화시킨 결과로 설명할 수 있습니다.


이렇게 프리온의 실체가 밝혀진 이후 프리온 연구는 단백질의 구조 변화가 질병, 특히 신경퇴행성 질병이 생기는데 결정적인 원인이라는 생각을 하게 되었습니다. 즉 알츠하이머병은 베타-아밀로이드 단백질의 변형, 파킨슨병은 알파-시뉴클레인 단백질의 변형, 헌팅턴병에는 헌팅틴 단백질의 변형이 있는 것입니다. 본 모습을 버리고 변신해 말썽을 일으키는 이들 단백질을 통제하는데 성공하느냐 여부가 앞으로 인류 삶의 질을 크게 좌우할 것 같습니다.

 

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굿가이(Goodguy)

우리 생활 속 과학이야기

동물에게는 ‘내비게이션’이 있다?

‘스마트폰 혁명’과 함께 더욱 주목받고 있는 공간정보*기술, ‘내비게이션’으로 대표되는 위치 찾기 시스템은 이제 우리 일상에서 없어서는 안 될 문화로 자리 잡았다. GPS(Global Positioning System)에서 출발하여 GIS(Geographic Information System), DGPS(Differential GPS) 등으로 활용폭을 넓혀가며 진보하고 있는 공간정보, 이는 인간만이 사용하고 있는 것이 아니다. 내비게이션이 등장하기 훨씬 이전부터 동물들은 다양한 방법을 통해 목적지를 향한 발걸음을 내딛었다. 

*'공간정보 / GPS / GIS / DGPS'에 관한 자세한 설명은  http://nstckorea.tistory.com/67 참조하세요.

개미의 내비게이션, ‘태양’

실험1. 개미가 집으로 향하는 길에 판자를 세워 햇빛을 차단했다. 그 결과 개미는 더 이상 진행하지 못하고 우왕좌왕했다. 그 판자를 치우자 개미는 다시 방향을 잡고 가던 길을 갔다.
실험2. 실험1과 같이 판자를 세운 후, 판자 맞은편에 거울을 세워 햇빛을 반사시켰다. 개미는 집과 정반대 방향으로 움직이기 시작했다.


이화여대 최재천 교수가 저술한 ‘개미제국의 발견’에 등장한 내용이다. ‘개미의 행동을 알아보기 위한 재미있는 실험’으로 소개된 이 실험을 통해 저자는 개미가 태양의 위치를 확인하면서 갈 방향을 잡는다는 사실을 알게 되었다고 한다.
뿐만 아니라 책에 따르면, 사하라 사막에 사는 개미의 일종은 방향을 바꾸며 모래 위를 빠르게 움직이다가 먹이를 발견해 입에 문 후에는 정확하게 집을 찾아간다고 한다. 방향을 바꿀 때마다 태양과의 각도를 측정해 움직인 거리를 계산해 두고, 이를 바탕으로 목적 달성 후 집 쪽을 정확히 알고 찾아간다는 것이다.

연어의 내비게이션, ‘감각’
연어는 강에서 태어나 대양을 돌아다니다가 어른이 되어 알을 낳을 때가 되면 자기가 태어난 강으로 돌아가는 것으로 유명하다. 신기한 것은 현재 위치가 어느 곳이건 관계없이 곧바로 알을 낳을 장소, 즉 태어난 곳을 향해 회유를 한다는 것이다.
아직 과학적으로 연어의 회유를 이끄는 원인이 밝혀지지는 않았지만, 과학자들은 연어가 태어난 곳으로 필요한 아무런 이정표가 없음에도 가고자 하는 장소로 갈 수 있는 것은 어떤 형태의 ‘감각지도(map sense)'를 가지고 있기 때문일 것이라고 추정하고 있다.


단, ‘위치’에 대한 연어의 뛰어난 지각력은 이해를 도울 수 있다. 해양생물학자들에 따르면, 연어는 태양의 방위와 고도에 대해 지각력이 뛰어나 하루 중 어느 때인지를 알며, 지리상의 북쪽을 찾는 방법도 알고 있다고 한다.
또한 연안에 가까워져 강어귀에 들어오면 후각의 흔적인 화학적 기억을 따라 태어난 곳으로 향하는 것으로 분석된다. 연어가 떠나온 경로상의 물에 있는 페로몬(pheromone)* 같은 물질을 인식하고 그 방향으로 항해한다는 것이다.

*페로몬 :  동물이 경고나 유인을 위해 몸 밖으로 분비하는 물질.

또 다른 주장은 오클랜드 대학교의 과학자들이 발견한 신경계에서 기인한다. 이 대학 과학자들은 연어나 송어의 눈 뒤에서 뇌로 향하는 조직을 따라 있는 신경망에 자석이 있음을 발견, 연어의 새끼가 성장해 바다로 나갈 때 화학적 호르몬 변화가 일어나 자신의 신경계에 그 시점의 위도와 경도를 기억시킨다고 해석하고 있다. 그리고 어른이 되어 알을 낳고자 할 때의 연어 뇌에는 현재의 위치와 자기가 태어난 곳의 위치가 기억되어 있다는 주장이다.

‘후각’으로 집을 찾는 바다제비


바닷가 절벽의 굴에서 사는 바다제비는 암흑 속에서도 정확하게 둥지를 찾아간다. 이는 바로 어떤 새보다도 민감한 후각 덕분이다. 프랑스 과학자들이 다른 형태의 집을 짓고 사는 9종류의 바다제비를 두고, 각 종이 어떻게 집에 찾아가는 지 알아본 실험에 따르면, 바다제비는 낮에는 눈을, 밤에는 냄새에 크게 의존한다고 한다. 즉, 자신의 둥지에서 풍기는 특유의 강한 냄새가 바다제비에게는 ‘내비게이션’인 셈이다.

참고자료 | ‘개미제국의 발견’ 최재천 저, 사이언스북스, 1999.
글 | 국가과학기술위원회 블로그 기자 김 병 호

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