프리온

프리온은 핵산 성분은 없고 단백질로 만 형성된 입자로 크기는 약 27-30kDa이다. 프리온은 사람이나 소, 양과 같은 포유류에서 신경질환을 일으키며 프리온이 일으키는 신경질환은 전염된다. 프리온이 일으키는 신경질환 중에서 대표적인 것이 양에서 발병하는 스크래피(Scrapie), 사람에게 나타나는 쿠루(Kuru)와 소에서 나타나는 광우병(Mad cow disease) 등이다. 

목차

프리온은 양에서 일으키는 질병인 스크래피(Scrapie)에서 처음 분리되었다. 스크래피는 프리온에 감염된 양의 뇌가 스폰지 형태로 변하는 전염성 해면뇌병증(transmissible spongiform encephalopathy, TSE)이다. 스크래피는 18세기에 영국, 프랑스, 독일 등 유럽에서 처음 보고되었다. 스크래피를 일으키는 병원균이 단백질만으로 구성된 것을 발견한 미국 캘리포니아대학교 샌프란시스코캠퍼스의 스탠리 프루시너(Stanley Prusiner)는 프리온(Prion)이라 명명하였는데 이것은 "Proteinaceous infectious agent"에 물리에서 입자를 의미하는 "on"을 추가한 것이다. 프루시너는 프리온이 단백질 만으로 구성된 스크래피의 병원균인 것을 발견한 공로로 1977년 노벨 생리의학상을 수상하였다.

사람에서 처음 발견된 프리온 질병은 쿠루(Kuru)이다. 쿠루는 파푸아 뉴기니의 포레(Fore) 부족에서 발견되었는데 이 부족은 노인이 사망하면 노인의 지식을 얻기 위하여 망자의 뇌를 먹는 풍습을 가지고 있다. 미국의 다니엘 개주섹(Daniel C. Gajdusek)은 쿠루 환자의 뇌에서 추출한 물질을 침팬지에 주사하여 침팬지에서 쿠루가 발생하는 것을 확인하여 프리온이 쿠루의 병원균인 것을 확인하였다. 쿠루의 발병 원인을 알아낸 공로로 개주섹은 1976년 노벨 생리의학상을 수상하였다.

우리나라에서도 몇 년 전 "광우병 파동"으로 많이 알려진 광우병(Mad cow disease)은 1985년 영국에서 처음 보고되었다. 광우병의 학술적인 이름은 소 해면뇌병증(Bovine spongiform encephalopathy, BSE)이다. 영국에서 180,000 마리의 소가 광우병에 감염되었고, 광우병을 예방하기 위하여 440만 마리의 소가 살처분되었다. 광우병의 프리온은 스크래피에서 기인한다. 예전에는 질병으로 죽은 가축을 열이나 화학처리 하여 병원균을 불활성화 한 후 가축의 사료로 이용하였다. 그러나 프리온은 90^oC에서 30분을 처리하거나 360^oC에서 1시간 처리하여도 완전히 제거되지 않으므로 가축의 사료를 통하여 소에 전염되었다. 1988년 이후 광우병을 예방하기 위하여 초식동물에 동물단백질을 사료로 사용하는 것이 금지되었다. 그림 1은 BSE에 걸린 소의 뇌조직 사진이다. 가운데 노란 조직은 해면과 같이 뇌에 구멍이 나있는 것이다. 

그림 1. BSE에 걸린 뇌의 조직. 노란 조직은 뇌에 해면과 같이 구멍이 나 있는 것이다. (출처: )

쿠루가 발견된 이후 사람에서 프리온에 의하여 생기는 질환이 몇 가지 더 발견되었다. 크루츠펠트-야콥 질환(Creutzfeldt-Jacob disease, CJD)와 거스트만-스트라우슬러 증후군(Gerstmann-Straussler syndrome, GSS)이 대표적인 질환으로 이중에서 CJD에는 산발적 CJD(Sporadic CJD), 가족 CJD(Familial CJD), 변이 CJD(Variant CJD)가 있는데 산발적 CJD가 가장 흔하다. 

광우병에 걸린 소고기를 먹은 사람은 "인간광우병(Human mad cow disease)"에 걸릴 수 있다. 인간광우병은 앞에서 설명한 변이 CJD에 해당한다. 2014년까지 영국에서만 177명이 인간광우병으로 사망하였고, 그 외 지역에서 52명이 사망하였다. 

프리온 입자는 27-30 kDa 크기의 단백질로 프리온 단백질(Prion protein, PrP)이라 부른다(그림 2). 이 단백질을 만드는 유전자는 일반적인 세포에 존재한다. 스크래피에 걸린 양은 병에 걸리지 않은 양과 다른 종류의 PrP단백질을 가지고 있다. 그러므로 정상적인 PrP단백질은 Cellular에서 유래하여 PrP^C, 스크래피에 걸린 양에 있는 PrP단백질은 Scrapie에서 유래하여 PrP^Sc라 부른다.  

PrP^C 단백질과 PrP^Sc 단백질은 3차 구조가 서로 달라 PrP^C 단백질은 주로 α-나선구조를 많이 가지고 있는 반면에 (α-나선구조 43%, β-병풍구조 3%) pRpSc 단백질은 β-병풍구조를 많이 가지고 있다(α-나선구조 30%, β-병풍구조 43%). PrP^Sc 단백질은 아밀로이드 섬유를 형성하여 아밀로이드 플라크를 형성한다.

그림 2. 프리온 단백질의 3차구조. 꼬인 부분이 α-나선 구조이다. (출처: )

그림 3은 일반적인 숙주세포에 있는 정상적인 PrP^C 단백질이 어떻게 PrP^C 단백질로 전환되는지 보여주고 있다. 내재적인 PrP^C 단백질(초록색)은 정상적인 세포에 존재한다. 그림의 왼쪽 네모 안에 설명되어 있듯이 PrP^C 단백질이 자연발생적으로 PrP^Sc 단백질으로 전환될 수 있거나 (Spontaneous generation of PrP), PrP^C 단백질의 유전자에 돌연변이가 생겨 PrP^C 단백질으로 전환될 수 있다(Conversion of mutant PrP to PrP^Sc). 이럴 경우에 PrP^C 단백질이 PrP^Sc 단백질을 만나 상호작용하면 pRpC 단백질이 PrP^Sc 로 전환된다. PrP^Sc 단백질이 축적되면 아밀로이드 섬유를 형성하여 아밀로이드 플라크를 형성한다.

그림 3. 프리온의 복제 모델. (출처: )

스크래피(Scrapie), 쿠루(Kuru), 광우병(Mad cow disease), 전염성 해면뇌병증(transmissible spongiform encephalopathy, TSE), 인간광우병(Human mad cow disease).

Molecular Virology of Human Pathogenic Viruses (Ryu, Wang-Shik, Academic Press 2017)