단백질 ≫ 단백질종류

프리온 : 광우병, 기억(Memory)

광우병
- 결석 현상
- 광우병 원인단백질 : 프리온



광우병 (BSE:Bovine spongiform encephalopathy) 이란?
• 만성 신경성 질병으로 뇌의 특정부분이 스폰지처럼 변형됨 (‘소해면상뇌증’이라고도 함)
• 뒷다리를 절고 잘 넘어지며 결국 기립불능사태로 발전
• 매우 불안한 상태를 보이며 조그마한 자극에도 민감함
• 투명한 침을 많이 흘리며, 이를 갈기도 함

프리온(Prion)이란 말은 단백질이란 Protein(단백질)과 Virion(바이러스)을 합쳐서 만든 합성어
즉, “감염성이 있는 단백질“이라는 뜻
• 정상신경세포막에 존재하는 당단백질
• 단백질의 구조가 변형되면 해로운 단백질로 변하게 됨
• 프르쉬너박사 1997년 노벨상 수상

사람에서 나타나는 크로이츠펠트-야콥병(CJD)은
• 광우병과 유사한 증상과 조직소견을 나타내며
• 광우병과 마찬가지로 변형 프리온에 의하여 발생하지만
• 광우병이 발견되기 이전부터 인구 백만명당 한 명꼴로 자연적으로 발생되어온 질병이며 현재도 나타나고 있다.

최근부터 문제가 된 변형 크로이츠펠트-야콥병(vCJD)은
• 고전적인 CJD가 노년층에서 주로 발생되는 것과 달리 젊은사람에게도 발병하는 것이 특징이며,
• 광우병이 집중적으로 발생한 영국에서 지리적, 시기적으로 질병의 발생이 일치하는 역학적 증거가 분명히 있고,
• 고전적인 CJD와는 조직소견이 약간 다르다는 점등으로 보아 vCJD는 광우병과 관련이 있다고 할 수 있다.

광우병의 감염경로 및 전파방법
• 스크래피에 걸린 면양이나 광우병에 감염된 소의 육골분등이 함유된 사료를 섭취 (소는 본래 초식동물!)
• 접촉감염은 일어나지 않으며 수직전파의 가능성은 매우 낮음
• 변형 프리온은 단백분해효소(proteinase)에 분해되지 않고
• 열, 자외선, 화학물질에 강한 저항성을 갖고 있음
• 3기압으로 133℃ 20분 이상, 2% 차아염소산나트륨(sodium hypochlorite), 2N 가성소다(sodium hydroxide)로 20℃에서
하루밤 소독하여야 프리온을 사멸할 수 있음

 
 

광우병으로 얼룩지는 ‘프리온’ 연구

▲ 프리온  
광우병을 넘어 생물학의 난제 중 하나였던 ‘유전체 동등성(genomic equivalence : 서로 확연히 다른 세포임에도 불구하고 동일한 유전체를 가졌다는 딜레마)’을 해결하려던 ‘복제실험(정확히 말하자면 reproductive cloning)’이 결국은 인간복제와 결부되며 낙인찍혔듯이, 생물학의 새로운 지평을 열고 있는 프리온(prion)의 연구도 광우병으로 얼룩지고 있다. 물론 국민의 건강과 관련된 광우병의 인간전염성 문제는 매우 중요한 것이다. 하지만 그것이 ‘프리온’이라는 전대미문의 입자에 관한 연구를 퇴색시키지는 않는다.

분자생물학의 도그마를 넘어서는 ‘프리온’

광우병은 그 발견부터 분자생물학의 중심도그마를 위협하며 등장했다. 1957년 DNA이중나선 구조의 발견자인 크릭에 의해 주창된 중심도그마는 정보의 이동은 핵산에서 단백질로만 가능하다고 주장한다. 이로부터 유전되는 모든 정보는 DNA속에 담겨 있다는 결론이 뒤따르게 된다. 유전정보는 모두 핵산에 담겨 있고 단백질은 정보를 저장할 수 없다. 스스로 정보를 저장하고 자기 복제하는 기능은 DNA가 가진 특권이었다.
프리온은 자기 복제하는 단백질이다. 자기 복제하는 단백질이라는 개념이 분자생물학자들에게 받아들여지기까지는 매우 험난한 과정이 필요했다. 과학자들은 매우 혁명적인 개념에 끌리는 반면 또 불충분한 증거에 대해서는 매우 보수적이기 때문이다. 프리온은 DNA와는 다른 방식으로 스스로를 복제한다. DNA는 2차원적으로 배열된 시퀀스 상의 정보를 단백질의 도움으로 복제한다. 이는 책에 쓰인 글을 컴퓨터에 그대로 타이핑하는 과정에 유추될 수 있다. 책에 쓰인 글이 DNA 시퀀스이고 글을 타이핑하는 여러분이 단백질이다. 당연히 타이핑 된 글은 복제된 DNA가 된다.
프리온은 3차원적으로 입체화된 정보를 스스로 복제한다. 단백질의 3차원적 구조가 프리온에 의해 정보화되어 있는 것이다. 이를 쉽게 설명하자면 매트릭스에서 스미스 요원을 연상하면 될 것이다. 프리온은 스미스 요원처럼 손에 닿는 사람들을 또 다른 스미스 요원으로 변형시킨다. 하지만 프리온은 스미스 요원보다 더 제한된 조건을 가진다. 자신과 같은 아미노산 서열을 가진, 하지만 입체구조가 다른 프리온만을 변형시킬 수 있는 것이다. 이는 스미스 요원이 자신과 아주 닮은 사람만을 스미스 요원으로 만들 수 있다는 말과 같다. 분자생물학의 도그마를 부숴버린 프리온의 존재는 이에 그치지 않고 생물학 전체를 뒤흔들 가설과 발견으로 이어진다.

멘델의 법칙을 따르지 않는 현상 … 배후에 ‘프리온’

멘델에 의해 발견된 유전법칙은 유전자라는 추상적인 개념과 함께 발전하다가 DNA가 유전물질이라는 발견과 함께 확고히 정립되었다. 그동안 추상적인 유전자라는 개념으로 설명되어오던 대부분의 현상이 멘델의 법칙과 DNA상의 시퀀스 정보에 의해 매우 잘 설명되었기 때문이다. 이를 멘델식 형질(Mendelian traits)이라고 부른다.
이에 비해 멘델식 유전학에 의해 설명되지 않는 유전현상이 존재하며 이를 비멘델식 형질(non-Mendelian traits)이라고 부른다. 비멘델식 유전현상은 쉽게 말해 세포핵의 염색체에 존재하는 유전자에 의존하지 않고 유전되는 현상을 말한다. 이러한 현상이 대부분 세포질 또는 세포질 중에 가정되는 유전단위의 행동으로 설명되기 때문에 이를 세포질유전(Cytoplasmic inheritance)이라고도 부른다. 우리가 잘 아는 미토콘드리아의 모계전달 현상이 바로 비멘델식 유전의 대표적인 예이다.
이미 1965년에 효모(yeast)를 이용한 유전학 실험에서는 멘델의 법칙을 따르지 않는 현상이 발견되었다. 40여 년간의 긴 논쟁 끝에 이러한 현상의 배후에 [PSI+]라는 프리온이 존재하고 있음이 밝혀졌다. [PSI+]는 정상상태에서는 Sup35라는 정상적인 단백질의 기능을 갖지만 프리온으로 변화되면 정상적인 Sup35단백질을 [PSI+]로 변화시키며 유전된다. 미토콘드리아가 멘델식 유전법칙의 예외이긴 했지만 결국은 DNA에 의해 유전된다는 점을 감안할 때, 효모에서 발견된 프리온의 단백질에 의한 비멘델식 유전은 매우 획기적인 발견이었다. 그리고 파장은 여기서 끝나지 않았다.

린드퀴스 교수 “개체의 환경적응력 높여주는 프리온”

2000년 화이트헤드 연구소의 린드퀴스트(Susan Lindquist) 교수는 효모의 [PSI+] 형질이 효모의 생존에 도움이 될 수도 있다는 논문을 발표한다. 150가지의 서로 다른 성장조건에서 프리온을 가진 효모는 약 25%의 조건에서 적응도를 높이는 결과를 보였다. 이는 프리온 단백질이 환경변화에 대한 적응도를 높여줄 수 있다는 가능성을 제시한다. 자연선택은 쓸모없는 것을 제거한다. 프리온 단백질은 그러한 자연선택에 의해 제거되지 않았다. 린드퀴스트 교수는 프리온이 표현형적 가소성과 진화력(evolvability)를 바꾸는 후생유전학적 스위치일 수 있음을 주장하고 있다. 이 연구결과가 가지는 의미는 매우 획기적인 것이다.
일반적으로 진화학에서는 환경의 변화에 따른 유전형의 변화를 하나의 산 정상에서 다른 산의 정상으로 가는 여행에 비유한다. 서얼 라이트(Sewell Wright)에 의해 제시된 이러한 유추는 초기 극단적인 다윈주의자들에 의한 많은 반대에도 불구하고 현재 진화학에 정립된 이론 중 하나이다. 자연선택을 기초로 하는 진화론은 환경의 변화에 따라 개체가 이 산에서 저 산으로 옮겨가기 위해서는 다양한 돌연변이가 등장해야 하고, 이 중 다른 산으로 가기 위해 최적으로 판명된 돌연변이만이 선택되어 등반에 성공하게 된다고 설명한다.
린드퀴스트가 주장하는 것은 프리온이 이러한 과정을 쉽게 해준다는 것이다. 자연적으로 돌연변이가 발생하고 그것이 선택되는 지루한 과정을 좀 더 쉽게 해주는 것이 프리온의 기능 중 하나일 수 있다는 것이다. 쉽게 말하자면 프리온은 개체의 진화력을 높여 개체가 좀 더 쉽게 환경에 적응할 수 있도록 만들어준다. 이러한 점이 현재 진화학계에서 벌어지고 있는 ‘진화력’ 논쟁과 맞물려 생물학의 화두가 되고 있다.
재미있는 것은 프리온의 유전적 특징이 “획득형질이 유전된다”는 라마르크의 학설과 닮아 있다는 것이다. 적어도 효모에서는 라마르크의 유령이 다시금 배회하게 된 것이다.

----
식물에도 프리온 단백질?…“기억 기능 분자역할”

오철우 2016. 04. 28
곰팡이, 효모, 달팽이, 초파리 등에 이어, 식물에서도 프리온 첫 발견?
다른 단백질 감염해 점차 덩어리 생성, ‘식물의 기억’ 유사 역할 추정

광우병의 원인물질로서 감염성 단백질로 알려진 ‘프리온(prion)’이 식물에도 존재하는 것으로 보인다는 연구결과가 나왔다. 이 연구결과를 낸 연구진은 식물체 안의 프리온 닮은 단백질이 식물에서는 일종의 ‘기억’을 저장하는 단백질 분자의 역할을 하는 것으로 보인다는 잠정적인 추론도 제시해 더욱 눈길을 끌고 있다.

과학저널 <네이처>와 과학잡지 <뉴 사이언티스트>를 보면, 최근 미국 화이트헤드 생의학연구소 등 소속 연구진(책임저자 수잔 린드퀴스트, Susan Lindquist)은 식물 애기장대에 있는 일부 단백질을 효모 안에서 발현시켰더니 감염성의 변형 단백질인 프리온처럼 거동하는 것으로 나타났다고 보고했다. 이런 보고가 후속 연구들에서도 확인된다면, 이는 식물에도 프리온 단백질이 존재함을 말해주는 첫 발견이 될 것으로 기대된다. 논문은 최근 <미국 과학아카데미 회보(PNAS)>에 실렸다.

책임저자 린드퀴스트의 연구진은 지난 2009년엔 프리온 단백질이 효모에도 존재하며 그것이 효모가 혹독한 환경에서 생존하는 데에 중요한 역할을 한다는 점을 밝혀 생물학저널 <셀>에 발표한 바 있다. 프리온은 아미노산 연쇄사슬이 복잡하게 접히며 만들어지는 단백질의 생성 과정에서 잘못된 접힘 구조가 생기고, 그 잘못된 접힘 구조를 다른 단백질에도 감염시키는 감염성 변형 단백질을 말한다. 프리온은 광우병과 크로이츠펠트-야콥병 같은 치명적 질환을 일으키는 원인 물질로 널리 알려져 있다. 그러나 양이나 소와 같은 포유류에서 처음 발견된 이래, 프리온은 지금까지 곰팡이, 바다달팽이 종, 초파리 등에도 존재한다는 사실이 잇따라 보고돼 왔다.

» 식물 연구 실험실에서 자주 볼 수 있는 모델식물 '애기장대'. 출처/ 한겨레 자료사진(2010)
이번에 연구진은 실험용으로 널리 쓰이는 모델식물인 애기장대에 프리온 닮은 단백질이 존재할 가능성을 간접적인 방법을 통해 보여주었다. 이들은 효모에서 프리온을 찾아낸 자신들의 이전 연구 기법을 활용해서, 애기장대의 단백질들 중에서 프리온 후보를 먼저 추려냈다. 이어 후보 단백질들을 발현하는 유전자들을 효모에 집어넣었더니, 일부 단백질들이 잘못 접히고 동료 단백질에 잘못 접힘을 감염시키면서 덩어리를 이루는 프리온 닮은 거동 특성을 보여주는 것으로 나타났다. 이런 특성은 여러 세대에 걸쳐 유전되었다. 연구진은 특히 빛과 온도에 반응해 식물의 개화에 관여하는 단백질의 한 종류(루미니디펜던스, Luminidependence, LD)에서 이런 특성이 나타났다고 밝혔다.

식물의 프리온 유사 단백질은 외부 환경에 대한 경험을 누적해 기억했다가 반응하는, 일종의 '기억 저장'의 분자로서 역할을 하는 것일 수 있다는 추론도 제시됐다.

“식물들도 외부 환경의 변화를 계속 추적해야 하는 데 그것을 일종의 기억 생성(memory-formation)이라고 볼 수 있다. 예를 들면 어떤 식물들은 몇 주 동안 낮은 기온을 겪은 뒤에야 비로소 꽃을 피울 것이다. 논문에서, 린드퀴스트 연구진은 만일 루미니디펜던스 단백질이 식물 안에서 프리온처럼 거동한다면, 그 기능적 역할 중 하나는 단백질 덩어리를 축적하는 방식으로 외부 온도를 지속적으로 추적하는 것일 수 있다는 견해를 제시했다.”(네이처 뉴스에서)

이런 설명은 낮은 기온을 겪는 동안에 프리온 단백질들이 점점 많아지며 누적되는 것으로 ‘겨울의 기억’이 생성되고, 누적된 프리온 덩어리가 겨울을 거쳐 비로소 꽃을 피우는 과정을 시작하는 데 관여하는 것일 수 있다는 추론으로 해석된다.

그러나 이번 연구는 아직 잠정적 수준의 발견 보고와 추론을 제시한 데 머물고 있다. 애기장대 식물체 안에서 프리온 단백질을 직접 찾아낸 것은 아니라는 점, 그리고 그것이 분자 수준의 기억 기능을 하리라는 해석은 현재로선 입증된 게 아니라 잠정적 추정이라는 점 때문에, 이번 연구논문은 어찌보면 그 자체로 결론적이라기보다는 더 많은 후속 연구를 부르는, '흥미롭고 중요한 물음을 던져주는' 연구논문으로서 역할을 하는 것으로 받아들여진다.

“린드퀴스트는 ‘이번 연구결과는 식물이 분명하게 프리온 닮은 단백질을 지닌다는 것을 의미하지는 않는다’면서 ‘그러나 나는 그럴 것으로 생각한다’고 말했다. 그는 “프리온이 식물에 없다면, 그게 더 놀라운 일일 것”이라고 덧붙였다.”(네이처 뉴스에서) ◑

  ■ 논문 발췌: ‘연구 의의’(Significance)
프리온은 단백질 기반의 분자 기억(molecular memory)과 관련해 가장 잘 연구된 양식(mode)이다. 포유류에서 발견된 이래 프리온은 곰팡이, 바다달팽이 군소(Aplysia), 초파리를 비롯해 다양한 유기체들에서 발견되어 왔다. 그러나 식물계에서 발견된 적은 없다. 우리 연구진이 효모 프리온을 밝히는 데 썼던 방법을 응용해, 우리는 잠정적으로 프리온과 유사한 도메인(potential prion-like domains, PrD)에 있는 거의 500가지의 단백질을 애기장대(Arabidopsis)에서 찾아냈다. 이런 도메인들 가운데 적어도 하나, 즉 루미니디펜던스(Luminidependens PrD)는 프리온 단백질의 고전적 특성 일부를 지니고 있었다. 이런 특성들은 효모를 이용한 실험 검증에서 나타났다. 우리가 아는 한, 이런 결과는 진정한 프리온 속성들(bona fide prion attributes)을 지니는, 식물계에서 발견된 최초의 단백질이다. 중요한 점은 루미니디펜던스 단백질이 개화 처리(process of flowering)와 관련된다는 것이다. 개화는 겨울의 기억(memories of winter)을 비롯해 그 과정을 조절하는 데 필요한 몇 가지 내적-외적 신호들(cues)을 통합하는 중요한 전개 과정(development course)이다.