프리온성 질병의 원리 이해하기(feat. 광우병, 스크래피, CJD)
양의 스크래피, 소의 광우병, 인간의 쿠루병, 크로이츠펠트-야콥 병 등 프리온성 질병은 생각보다 흔합니다. 영국인 2000명 중 1명이 변형 프리온을 갖고 있다는 연구도 있지요. 프리온성 질병을 이해해봅시다.
전통적인 감염원
인류는 감염병은 전통적으로 바이러스나 박테리아(세균)에 의해 전파된다고 생각해왔습니다. 현미경의 발견 이후 우리는 세균의 존재를 알게 됐고, 담배 모자이크병의 원인체가 바이러스라는 것을 알아냈습니다. 우리는 전염병의 원인체가 이 두 종류라고 생각해왔고, 수많은 방역 대책을 세웠습니다.
그러나 바이러스도, 박테리아도 아닌 다른 무언가가 일으키는 전염병이 발생합니다. 바로 단백질 분자이지요.
단백질
단백질에 대해서만 며칠을 떠들 수도 있겠습니다만, 이 문서에서는 프리온을 설명하기 위해 단백질을 잠깐만 짚고 넘어가겠습니다.
단백질은 쉽게 말해 아미노산의 중합체입니다. 아미노산이 연속되어 연결된 고분자이지요.
아미노산은 음전하를 갖기도, 양전하를 갖기도 하고, 전하가 없기도 합니다. 그렇기 때문에 단백질(아미노산이 연속되어 연결된 고분자)은 분자 안에서 전자기력에 의해 꼬이거나 접힙니다.
또한 아미노산으로부터 전자를 빼앗거나, 아미노산에게 전자를 하나 주는 화학반응이 있을 수 있지요. 그런 반응이 끝나고나면 단백질의 전자 분포에 변화가 생깁니다. 그에 따라 전자기력에 영향을 받아 꼬이거나 접혔던 단백질의 구조가 변할 수 있습니다.
프리온 단백질
단백질성 감염성 입자를 프리온 prion이라고 부릅니다. 단백질의 pr-, infection의 -i-, 입자를 뜻하는 -on을 합쳐서 만들어진 조어이지요. 질병을 일으키는지, 일으키지 않는지에 따라 프리온을 흔히 2가지로 분류하곤 합니다.
정상 프리온 PrP C
PrP는 프리온 단백질(prion protein), C는 common의 약자입니다. 동물의 신체 곳곳에서 볼 수 있습니다. PrP C는 세포의 세포막과 결합해있는 경우가 흔합니다.
비정상 프리온 PrP SC
SC는 양이나 염소의 질병인 스크래피(scrapie)의 약자입니다. 정상 프리온과는 위상학적 구조가 다릅니다. 구조가 다르기 때문에 단백질 분해 효소에 의해 분해되지 않습니다. 또한 PrP SC와 PrP C가 반응하여 PrP C가 PrP SC로 변한다는 가설이 있습니다. 바로 이 점이 질병을 일으키는 것으로 추측되고 있습니다. 비정상 프리온은 프리온 유전자 돌연변이에 의해, 정상 프리온과 비정상 프리온의 반응에 의해, 정상 프리온의 자발적인 반응에 의해 생성되는 것으로 알려졌습니다.
전통적으로 과학자들은 어떤 병원체가 몸에서 증식하기 위해서는 유전물질을 가지고 복제해야 할 것이라고 추측했습니다. 그러나 만약 비정상 프리온 단백질이 정상 프리온 단백질과 화학반응하여 비정상 프리온을 만들어낼 수 있다면 동물의 체내에 비정상 프리온이 많아지는 결과를 낼 것입니다. 게다가 비정상 프리온은 단백질 분해효소에 의해 분해되지도 않지요.
프리온 단백질이 질병을 일으키는 원리
대부분의 세포막 단백질은 세포에서 정상적인 대사, 분해를 위해 엔도솜, 리소솜으로 운반됩니다. 리소솜 안에는 단백질을 분해하는 촉매(단백질 분해효소)가 많이 들어있지요. 그러나 비정상 프리온 단백질은 단백질 분해 효소에 의해 분해되지 않습니다.
그 결과 리소솜 안에 프리온 단백질이 많이 축적됩니다. 리소솜 안에 프리온이 축적되다보면 결국 리소솜이 터지고, 세포 안에 단백질 분해효소들이 흘러나옵니다. 단백질 분해효소에 의해 뇌에서 신경세포의 골격 단백질이 분해되면 뇌에 구멍이 뚫립니다.
다른 종의 PrP SC에 의해 질병이 전파될 수 있나?
모든 동물 종은 PrP 유전자를 가지고 있습니다. 종이 다르면 유전자 역시 조금씩 다릅니다. 이에 따라 PrP C 단백질 역시 모든 종이 각각 다르지요.
PrP C가 PrP SC와 반응하여 PrP SC가 되기 위해서는 화학반응의 열역학적 활성화에너지를 넘겨야 합니다. 활성화에너지는 반응물이 어떤 분자 구조를 가지고 있느냐에 따라 결정되지요. 특정 동물 종의 PrP SC는 다른 종의 PrP C를 변형시킬 수 있을까요?
답은 '그렇다'입니다. 양의 스크래피와 소의 BSE(소해면상뇌증, 광우병)을 일으키는 프리온은 다양한 종의 PrP C와 쉽게 반응합니다. 화학 반응을 위해 열역학적으로 활성화에너지가 낮은 구조를 갖추고 있지요.