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.

살모넬라에 대한 원헬스, 수의학적 관점

 

Salmonellosis

Salmonella는 장내세균군에 속하는 그람 음성 세균입니다. 통성혐기성 균이며 운동성을 갖추었기 때문에 장 안에서 증식한 뒤 동물의 몸 내부로 침입할 수도 있습니다. 가장 흔한 식중독 원인체이기도 합니다. 동물 세포 내부에서 기생할 수 있는 세균이기 때문에 백혈구 내부에서 기생하며 전신 장기로 퍼질 수도 있습니다.

Salmonella의 병원성 인자

Salmonella 균은 3가지 독소를 만들어냅니다. Lipid A, cytotoxin, enterotoxin이 살모넬라균에 의한 독소입니다. 추가적으로 세균의 이동을 담당하는 flagella를 가지고 있습니다.

1. Lipid A

Lipid A는 세균의 외막을 구성하고 있는 지질 성분입니다. LPS의 일부이지요.  동물의 면역계는 정상적으로 작동하기만 한다면 Lipid A를 인식하여 면역 반응을 시작할 수 있습니다. 열을 일으키는 병원성 인자이지요.

LPS에 대한 자세한 내용은 링크를 참조하시면 이해하실 수 있을 겁니다.
https://understandvmedicine.blogspot.com/2022/02/pamp-4-pamp.html

2. Cytotoxin

Cytotoxin은 Salmonella 균이 만들어내는 독소입니다. 동물의 세포를 파괴하는 독소이지요. 

Salmonella 균 입장에서는 세균이 장 관강 안에서 증식한 뒤 동물체 내부로 침입하기 위해선 촘촘하게 덮여있는 장의 껍데기(상피)를 파괴해야 합니다. 반면 동물의 입장에서 장의 상피세포가 파괴되면 장에서 음식물의 흡수가 잘 안됩니다. 물이나 영양소 분자의 흡수가 원활하지 않기 때문에 흡수 장애에 의한 설사, 삼투 현상에 의한 설사가 나타날 수 있지요.

장 상피에는 영양소를 흡수하기 위해 모세혈관이 잘 발달해있습니다. Cytotoxin에 의해 장 상피에 있는 세포들이 파괴되면서 모세혈관이 파괴되면 영양소 흡수에 장애가 생길 뿐만 아니라, 혈액이 변에 섞여나오는 혈변 증상이 나타날 수도 있습니다.

살모넬라 균이 생산하는 Cytotoxin에 의해 세포가 파괴되었으니 복통도 느낄 수 있지요.

3. Enterotoxin

Enterotoxin은 장 상피세포의 막투과성을 변경해 세포를 파괴하는 독소입니다. 모든 세포는 세포막 내부와 외부의 물질 중 일부는 투과하고 일부는 투과하지 말아야 합니다. 삼투압의 균형을 유지해야만 세포가 부풀거나 터지지 않기 때문입니다. 그러나 enterotoxin은 세포의 막투과성을 유지하는 메커니즘을 붕괴시켜 세포를 파괴합니다. Cytotoxin과 마찬가지로 동물체에게 설사, 복통을 일으킵니다.

4. Flagella

Flagella는 살모넬라의 꼬리입니다. 살모넬라 균에게 이동성이라는 무기를 주지요. Flagella가 없으면 살모넬라는 동물체 내부로 침입하기 어렵고 질병을 제한적으로 일으키기 때문에 flagella 또한 병원성 인자입니다.

 

Salmonella 균에 감염되는 동물

Salmonella Enteritidis, Salmonella Typhimurium은 인수공통 세균입니다. 사람을 포함하여 온갖 동물에게 감염될 수 있지요. Salmonella Pullorum, S. Gallinarum은 조류에 흔한 세균입니다. Salmonella Choleraesuis는 돼지에게 흔합니다. Salmonella Arizonae는 파충류(거북, 뱀, 이구아나 등)에 흔한 세균입니다. 파충류가 설사를 한다면 Arizonae를 의심할 수 있지요.

특히 조류에게 감염되는 Salmonella Pullorum, S. Gallinarum은 조류의 난소를 감염시켜 알로 배출됩니다. 닭의 계란을 통해 우리가 흔히 접할 수 있는 세균입니다.

Salmonella 감염증

살모넬라에 급성 감염으로 감염 시에는 발열, 우울, 설사, 거식증, 그리고 때로는 유산을 하기도 합니다. 세포 내에서 기생을 할 수 있고 이동성을 지니고 있는 살모넬라 균에 의해 전신 장기로 퍼질 수 있기 때문에 온갖 장기에서 골관절염 등 각종 장기에서 염증이 발생할 수도 있지요.

또한 살모넬라는 만성 감염이 매우 흔한 세균입니다. 장 관강 내부에서 증식하면서 별다른 면역 반응을 일으키지 않고 살 수 있기 때문입니다. 살모넬라 균의 혈청형 2500종 중 절반 이상이 항생제 내성균이기도 하지요.

사람에게 감염 시 보통 72시간 내에 복통과 설사, 열, 때로는 혈변 증상을 일으킵니다. 보통 특별한 치료 없이도 자연스럽게 면역 반응에 의해 회복되지만 사람에 따라 위장관의 운동이 완전히 정상화되기까지 수개월이 걸리기도 합니다. 패혈증 증상이 일어날 경우 전신의 손상, 사망에 이를 수도 있습니다.

Salmonella 예방법

살모넬라 균은 너무나도 흔한 세균이기 때문에 원천적으로 차단하기는 불가능합니다. 대신 가능한 한 노출을 최소화하는 예방법을 사용해야 합니다. 식품을 통해 감염되기 때문에 식품의 위생을 철저히 준수해야 합니다. 냉동 식품을 해동할 때는 냉장고에서 해동하고, 계란을 만진 뒤에는 꼭 손을 씻어야 합니다. 계란을 만진 손으로 식기, 가스레인지 레버 등을 만지는 행동은 위험할 수 있습니다. 

끝으로, 살모넬라에 관련된 영상을 하나 첨부합니다.