프리온, 광우병인자를 제대로 알자!

[프리온을막자]

요즘 광우병 파동때문에 그 원인이 되는 프리온 단백질에 대한 관심이 높아지고 있습니다.

저도 자기복제능력을 갖는 프리온 단백질에 대한 기사는 80년대쯤에 과학기사에서 읽은 기억이 나는데

그때에도 단백질이 자기복제한다는 것이 터무니없는 주장으로 생각했었습니다.

그런데 그 이론이 1997년 노벨상을 수상함으로서 정설이 되었습니다. 이 연구를 이끈 프루시너에게 경의를

표합니다. 그 방법은 정상 프리온 단백질이 변형 프리온과 만나면 변형 프리온단백질로 바뀐다는 것입니다.

즉, 스스로 자기복제 하는 것이 아니라 주변의 단백질을 뒤바꿔서 복제를 하는 식입니다. 엄밀히 말하면 복제라기

보다는 도미노현상과 같은 것으로 이해하면 쉽습니다. 도미노 현상도 복제의 일종으로 간주될 수 있습니다.

자연계에서도 DNA나 RNA만이 복제의 유일한 방법이 아니라는 것, 프리온 단백질은 그것을 말해줍니다.

아래는 프리온에 대한 역사와 메카니즘등을 설명하는 좋은 글로 퍼왔습니다.

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1997년 노벨생리·의학상 수상 업적 소개 (프루시너) :

"프리온 이론 -이단(異端)에서 정설(定說)이 되기까지-"


김 선 영 (유전공학연구소 교수)


1997년 노벨 생리·의학상은 미국 스탠포드 대학교의 스탠리 프루시너 교수에게 돌아갔다. 프루시너 교수는 1982

년 스크래피라는 질환에 걸린 동물의 뇌로부터 이상(異狀) 단백질을 발견하였는데, 그는 이 단백질이 바로 스크래

피 질환 감염의 주체이며 또한 스스로 복제가능한 물질이라는 '과격'한 이론을 발표하였다. 그 때까지 생명과학계

에서는 핵산(즉 DNA와 RNA)만이 정보를 전달할 수 있고 자체적인 복제가 가능하다고 생각했기 때문에 이 가설

은 당연히 '이단'으로 취급받아 많은 비판을 받았다. 그러나 지금은 이 가설이 정설로 받아들여져 노벨상까지 수상

하게 된 것이다. 이러한 프리온 이론은 지금까지 생명과학계에 팽배했던 "핵산 만능주의"에 대한 제동을 걸었다는

과학적 가치뿐만 아니라, 자기가 세운 가설에 대한 세찬 도전과 비판을 합리적 실험으로 반증해 나가는 전형적인

생명 과학의 방법론을 보여 주어 교육적 차원에서도 그 가치가 높이 평가될 수 있다. 노벨상수상자 사진(프루시너)




(1) 프리온이란 무엇인가?


프리온(prion : proteinaceous infectious particle)은 감염성이 있는 단백질이라는 뜻이다. 스탠리 프루시너가

1997년도에 노벨상을 받는 데 결정적인 역할을 했던 1982년 Science誌 논문에 따르면 프리온은 단백질임에도

불구하고 그 자체가 전염성을 가지고 스스로 복제(replication)를 하여 수(數)를 증가시킬 수 있다는 것이다. 이 이

론은 스크래피(scrapie)라고 불리우는 양(洋)의 뇌질환을 연구하다가 나온 것이다.


(2) 왜 프리온 이론이 중요한가?


복제, 증식, 감염


생명이라고 하는 현상을 규정하는 성질들 중 가장 중요한 것은 번식(reproduction)이고 이 중 가장 중요한 과정

이 유전자 복제이다. 유전자 안에 생명의 모든 정보가 들어있기 때문이다. 복제 현상의 핵심은 유전 정보를 정확

히 두 배로 만들고 그 중 반(1/2)을 다음 세대에 넘겨주는 것이다. (그러므로 1세대와 2세대는 똑같은 양의 유전자

를 가진다). 또한 병원체는 몸으로 들어와서 증식을 해야 질병을 일으키며, 타인에게 전염이 되려면 적정 數로 늘

어나야만 한다. 그러므로 복제, 증식, 감염이라는 현상에서는 유전자 복제가 가장 중요하고도 근본적인 과정이 된

다.




핵산


유전자는 핵산으로 구성되어 있고 크게 DNA와 RNA의 형태로 나뉜다. 대부분의 생명체에서 유전자는 DNA로 구

성되어 있으나 바이러스 중 어떤 것들은 RNA로 형성되어 있기도 하다. 예를 들어, 인플루엔자나 홍역 바이러스는

RNA를 유전 물질로 가진다. 증식하는 모든 생명체는 이 유전 물질을 두 배로 늘리고 그 다음 세대에 반(1/2)을 물

려준다. 핵산(DNA)이 유전 물질이라는 사실은 1944년대 애버리(Avery), 맥로드(MaLeod), 맥카시(McCarty)에

의해 발견되어, 1952년 허쉬(Hershey)와 체이스(Chase)에 의해 확인되었다. 그리고 1953년 왓슨(Watson)과 크

릭(Crik)은 그 구조를 풀어 냈다. DNA 연구에 참여했던 이들 대부분은 노벨상을 수상한다. 이후 DNA는 유전 물질

의 기본이라는 이론이 학계를 지배하게 되었다. DNA는 단백질을 만드는 데 필요한 유전 정보를 가지고 있는데, 대

부분의 경우 DNA는 유전 정보를 일단 RNA 형태로 복사하고, 세포 안의 리보좀이란 물질이 중심되어 RNA에 있는

정보를 해독하여 단백질을 만든다. 이와 같이 유전 정보가 DNA에서 RNA로, 다시 단백질로 최종 전달된다는 이론

은 변할 수 없는 진리로 생각되어 "central dogma"라고까지 불리게 되었다. 그러나 1970년에는 유전 정보가 RNA

에서 DNA로 흐를 수도 있다는 사실이 발견되어 테민(Temin)과 발티모어(Baltimore)는 1975년 노벨상을 받게 된

다. 그러나 유전 정보의 흐름이 어떻든 유전, 따라서 증식의 정보를 담고 있는 기본 물질은 핵산이라고 학계는 생

각하여 왔다.



프리온 이론의 등장


이러한 상황에서 프루시너는 단백질이 스스로를 복제할 수 있고 감염(전염)까지 할 수 있다고 주장했으니 많은 과

학자들이 이를 말도 안 되는 것으로 일축한 것은 어쩌면 당연한 일인지도 모르겠다. 특히 생명과학에서는 오랜 시

간에 걸쳐 데이터들이 축적되고 이에 입각하여 이론이 만들어진다. 그 과정은 매우 천천히 점진적으로 진행되고

수많은 실험들과 그 결과에 의한 것이기 때문에 한 번 만들어진 이론은 과학자들의 머리속에 깊숙히 박혀 있다.

그 때문에, 기존의 이론과 다른 설에 대하여는 매우 강력한 반발이 있기 마련이다. 1960년대 비틀즈가 등장했을

때, 기성 세대는 이에 강하게 반발했다. 그리고 그 비틀즈 세대는 요즘 청소년들의 랩 음악에 대하여 저항감을 갖

고 있다. 프루시너의 프리온 이론에 대한 기존 학계의 반발은 이와 비슷한 현상이라 할 수 있다.


(3) 프리온 이전의 상황


1982년에 발표되었던 프루시너의 프리온에 관한 논문은 정체불명의 뇌질환에 대한 연구에서 비롯된 것이다. 프루

시너가 모델로 연구한 질병은 스크래피라는 것이다. 이것은 양에게 나타나는 질병의 하나로, 진전(tremor: 震顫:

몸을 떠는 것), 운동 실조 현상을 보이며 심한 가려움증을 수반하여 몸을 벽이나 기둥에 비벼대어 털이 빠지게 되

는(scrape off) 증세가 나타나는 전염성 질환이다. 이는 1946년에 처음 보고되었다. 그 후 염소 등 다른 동물에서

도 유사한 질환이 발견되었는데, 대부분의 경우 뇌에 많은 구멍이 뚫려 뇌가 스폰지처럼 된다고 하여 전염성 해면

상 뇌병증(transimissible spongiform encephalophathies: TSE)이라 통칭된다. 광우병(mad cow disease)은

소의 TSE이다. TSE에 걸린 동물의 고기를 먹거나 주입하면 이 질병에 감염되고 뇌가 점차 퇴화하며 각종 질환을

일으켜 죽게 된다. 인간에게 나타나는 대표적인 TSE는 쿠루(Kuru)이다. 쿠루란 그 지방어로서 몸을 떨거나 가누

지 못한다는(shivering 혹은 trembling) 뜻을 지니고 있다. 쿠루는 운동 실조, 진전, 언어 장애 등이 생기는 질병으

로서 발병 후 1년 이내에 사망한다. 이 질병은 파푸아 뉴기니아 고원 지대에 사는 원주민 집단에 국한되어 발생하

던 것인데, 죽은 종족의 시신(특히 뇌)을 먹는 장례 의식을 통해 전염되어 왔다고 믿어진다. [쿠루에 대한 연구로

가쥬섹(Gajdusek)은 1976년 노벨상을 받았다] 쿠루 이외에도 인간의 경우에는 크로이츠펠트 야곱병(CJD), 저스

만 스트라우슬러 신드롬, 치명적 유전성 불면증이 TSE형 질병으로 분류되며, 동물의 경우에는 양, 염소의 스크래

피, 소의 해면상 뇌병증 등이 알려져 있다.



과학자들은 주로 동물에서의 TSE, 특히 스크래피를 많이 연구하였다. 양에게 발생하는 스크래피는 임상적으로는

인간의 쿠루나 CJD와 유사하며 전염성이 있다. 즉 스크래피에 걸린 양의 뇌를 갈아 만든 추출물을 (감염되지 않

은) 양에 주입하면 다시 스크래피에 걸린다는 것이다. 또한 여러 가지 실험 결과에 의하면, 이 물질은 박테리아나

바이러스를 죽이는 물질에 의해서도 약화되지 않는다는 것이다. 이에 따라, TSE는 통상 전염원들과는 매우 다른

물질(혹은 생명체)에 의해서 유발되는 것으로 생각되었다.



(4) 스탠리 프루시너의 실험


실험모델과 분석 방법의 중요성


위에서 서술한 바와 같이 프리온 이론은 정체 불명의 뇌질환을 연구하는 데서 시작되었다. 생명과학에서 질병이

나 현상을 연구할 때는 항상 실험가능한 대상이 있어야만 한다. 그러나 인간의 질병인 쿠루를 연구하기 위해서는

인체를 대상으로 실험을 해야 하는데 이는 윤리적인 면에서 불가능한 일이다. 따라서 과학자들은 이를 대치할 수

있는 다른 모델을 찾지 않을 수 없었다. 그리하여 많은 과학자들이 모델로 삼은 질병이 스크래피였다. 이는 스크래

피가 인간의 TSE와 매우 유사한 성격을 가졌기 때문이다. 그러나 양에게 생기는 질병인 스크래피 역시 몇 가지 문

제점이 있었다. 양은 큰 동물이고 교배하여 새끼를 낳을 수 있게 되기까지 걸리는 기간이 길어 실험에 사용할 수

있는 동물의 數에 큰 제한이 있었다. 그리고 양에게서 스크래피를 유발하는 데에는 수년의 시간이 걸렸다. 이 때문

에 과학자들은 보다 간편한 동물 모델을 찾기 시작하였다. 그 결과 스크래피에 걸린 양의 뇌로부터 얻은 물질을 쥐

에 주입하면 쥐도 스크래피와 유사한 질병이 생길 수 있다는 것을 알게 되었다(1960년대). 이 때부터 연구는 보다

빠른 속도로 진행되기 시작하였다.



1980년까지도 스크래피가 정확히 어떤 물질에 의해서 유발되는지, 즉 바이러스에 의한 것인지, 혹은 박테리아나

균에 의한 것인지를 알지 못하였다. 따라서 실험은 쥐를 스크래피에 걸리게 한 후, 그 쥐의 뇌를 갈아 이로부터 여

러 가지 물질을 분리하고 이를 다시 쥐의 뇌에 주사하여 정확히 어떤 물질이 스크래피를 유발하는지를 보는 것이

되었다[그림1 참조]. 그런데 뇌 추출물을 쥐에 주사하여 스크래피를 유발하는 데 최소한 6개월이 필요하고, 뇌를

갈아 단백질을 만들어 여러 물질을 분리하는 데 또 최소한 1∼6달 정도, 분리된 물질 중 어떤 것이 스크래피를 유

발하는지 분석하기 위해서 분리 물질을 쥐의 뇌에다 주사하여 스크래피에 걸리는지를 보는 데 다시 6개월이 필요

하여, 실험 기간은 최소 1∼2년이 소요되었다. 뿐만 아니라, 분리 물질이 스크래피를 일으키는지 정확히 조사하기

위하여 샘플당 60마리의 쥐가 필요하였다. 즉 다섯 개의 샘플이 있으면 최소한 300마리의 쥐가 있어야만 했다. 이

러한 속도로 연구를 한다면 장구한 세월이 걸리고 많은 돈이 들 수밖에 없었다. 프루시너는 실험과 분석 기간을 단

축하는 것이 성공적인 실험의 관건으로 생각하여 이 기간을 단축시키기 위하여 노력을 기울였다. 그 결과, 시리아

産 햄스터에서는 스크래피 잠복 기간이 쥐보다 50% 정도 짧음을 발견하였다. 뿐만 아니라, 햄스터에서는 주사하

는 단백질의 양과 질병 유발 속도에 좋은 상관 관계가 있음이 밝혀졌다. 드디어 이 정체불명의 질병을 보다 정량적

으로 연구할 수 있는 실험 체계가 확립된 것이었다.



[그림 1] 스크래피를 유발하는 물질의 분리 방법


프리온 이론에 대한 학계의 반발


이에 따라 연구는 급속도로 진행되었고 1982년 프루시너 그룹은 스크래피에 걸린 햄스터의 뇌에서 여러 가지 물

질을 분리하고, 이 중 한 샘플이 햄스터에서 스크래피를 유발하는 것을 발견하였다. 또한 이 샘플 안에는 바이러스

나 박테리아가 없으며, 핵산도 존재하지 않고 단백질이 유일한 구성 성분임을 밝혔다. 그리고 이 단백질이 질병을

일으키기 위해서는 단백질 스스로 복제가 가능하고 또한 감염성까지 있을 것이라는 가설을 발표하였다. 그러나

학계는 이를 믿으려 하지 않았다. 그 때까지 학계에서는 DNA와 RNA와 같은 핵산만이 복제할 수 있고, 따라서 감

염의 주체는 이러한 핵산을 가진 물질(예컨대, 바이러스)만이 될 수 있다고 믿었다. 따라서 다른 과학자들은 프루

시너 그룹이 분리했다는 단백질에는 미량의 (따라서 측정하기 어려운) 핵산이 섞여 있을 것이라고 생각했다. 실

험 과학에서 어떤 물질이 존재한다는 것을 증명하는 것은 쉬워도 어떤 물질이 존재하지 않는다는 것을 보여 주는

것은 매우 어렵다. 따라서 이 때부터 프루시너는 학계의 이단자로 취급받았고 수년동안 비판의 공세에 대응해야

만 했다. 그러나 많은 연구자들이 프루시너와 같은 결과를 얻었고, 감염성 샘플에서 단백질 이외의 다른 물질을 발

견하는 데 실패하였다. 아직도 일각에서는 이 물질에는 다른 성분이 있을 수 있다고 생각하지만, 학계는 프루시너

의 프리온 이론을 받아들이기 시작하였으며 결국에는 노벨상 수상에까지 이르게 되었다.



프리온의 성질


프루시너는 프리온 단백질(prion protein)을 PrP라 약칭했다. 모든 단백질은 그것을 만드는 정보가 유전자(DNA)

에 수록되어 있다. 따라서 PrP가 분리되자마자 연구자들은 이 단백질을 만드는 유전자를 찾기 시작하여, 1985년

에는 PrP 유전자를 찾았는데 놀랍게도 이 유전자는 정상적인 동물에도 존재하는 것이 발견되었다. 그런데 조사

결과 유전자는 같아도 정상 동물과 스크래피에 걸린 동물의 단백질은 구조가 서로 달랐다. 이에 따라, 정상적인 것

은 PrPc, 프리온 성질을 가진 것은 PrPsc라고 칭하였다.


단백질은 증식할 수 없는데 PrPsc는 어떻게 감염할 수 있을까? 연구 결과 PrPsc는 단백질이지만 다른 단백질과

달리 여러 환경 조건에서도 매우 안정적이고, 정상적인 단백질인 PrPc를 PrPsc로 전환시킬 수 있다는 것이 밝혀

졌다. 즉 PrPsc의 숫자가 늘어나 "증식"의 효과를 가지게 되는 것이다. 기존의 단백질 개념을 흔들어 놓는 결과였

다. 현재의 가설은 스크래피에 걸린 쥐에서 뽑은 물질은 특수한 구조를 가진 단백질(PrPsc)이며 이것을 쥐에다

주사하면 정상적인 PrPc를 PrPsc로 전환시켜 숫자가 늘어나 질병을 유발한다는 것이다.




아직도 수많은 미스테리가 남아 있다. PrPc가 어떻게 PrPsc로 바뀌는가, PrPsc가 어떻게 질병을 일으키는가,

PrPc를 만드는 유전자의 원래 기능은 무엇인가 등등. 혹자는 아직도 몇 개의 노벨상이 이 분야에서 나올 것이라

생각하고 있다. 유전자 조작 기술의 발달로 인하여 1970년대 단백질은 상대적으로 인기를 잃었었는데, 프리온의

발견으로 인해 단백질이 다시 생명과학 무대의 전면에 등장하게 될 것으로 보인다.




(5) 프리온, 광우병, 그리고 인간


프루시너의 노벨상 수상은 광우병 파동과 무관하지 않을 것으로 생각된다. 지난 10년간 광우병이 전 유럽을 강타

하였기 때문이다. 광우병은 소의 TSE이다. 이 역시 프리온에 의하여 유발된다고 생각되고 있다. 이 병이 유행하

게 된 연유를 살펴보면 다음과 같다 : 1970년대 후반에서 1980년대 초반에 이르기까지 영국에서는 소의 사료에 영

양 첨가제로 양고기 찌꺼기, 즉 팔다남은 고기 찌꺼기를 넣기 시작하였는데, 이 때 스크래피에 걸린 양의 고기가

섞여 오염되었을 것으로 생각된다(영국에서는 이미 오랫동안 스크래피에 걸린 양들이 많이 있었으나 이는 양의

질병으로 국한되어 있었다). 광우병은 1986년 첫 보고가 있었고 그로부터 폭발적으로 확산되여 1993년까지 십만

여 건이 발견되었다. 양의 스크래피와 소의 광우병을 직접 연결시키기에는 아직도 많은 문제점이 있으나, 광우병

출현의 가장 합리적인 원인으로 인식되고 있다. 이 사건은 프리온의 몇 가지 중요한 성격을 보여주고 있다. 즉 프

리온은 종(種)간의 벽을 넘나들 수 있다는 것이다(양→소). 뿐만 아니라 구강 섭취로 인해서도 전염가능하다는 것
이다.



이미 서술한 바와 같이 프리온에 의하여 유발되는 인간의 질병에는 네 가지가 밝혀져 있다. 이들은 모두 희귀 질병

이다. 혹자들은 프리온이 여러 가지 신경 질환에 관여할 것으로 생각하지만 아직 증명된 것은 없다. 또한 광우병

에 걸린 소의 고기를 먹은 사람이 유사한 TSE에 걸릴 수 있다는 것을 의미하는 사건들도 있었다. 영국에서는

1996년 기존의 CJD와는 다른 형태의 CJD가 열 건 보고되었는데 이는 지금까지 보고된 CJD와 비교하여 매우 젊

은 나이에 시작되었고 증상들도 조금씩 달랐다. 영국 정부는 이 새로운 CJD가 광우병과 연결되어 있다는 결론을

내렸다. 얼마나 많은 사람이 광우병에 걸린 소고기를 먹었는지는 확실하지 않다. TSE의 잠복기는 길게는 10∼20

년이므로 인간으로의 TSE 전염 여부는 상당 기간 밝혀지지 않을 것이다.



(6) 무엇을 배울 것인가?


① 프리온 이론을 내기까지의 실험적 방법론을 생각하여 보시오.

② 1982년 프리온 이론이 왜 강한 저항을 받았는지 생각하여 보시오.

③ 프리온 이론이 노벨상을 받을 만한 가치가 있는 이유를 생각하여 보시오.

④ 프리온 분야에는 아직도 밝혀지지 않은 많은 문제들이 있다. 그것들이 무엇인지 생각하여 보시오.

⑤ 양에게서 스크래피가 발견된 것은 1946년 경, 양의 스크래피가 쥐에서도 일어날 수 있다는 것이 밝혀진 것은

1961년, 햄스터 모델이 발견된 것은 1981년, 프리온 이론의 제안은 1982년, 프리온 유전자는 1985년 클로닝, 노벨

상은 1997년에 수상되었다. 시간의 흐름과 생명과학의 발전 속도를 음미하여 보시오.

⑥ 동기 부여(motivation), 집념, 끈기, 실험시 전략가로서의 지혜 등과 생명과학자 자질과의 상관 관계를 선배, 선

생님들과 논의해 보시오.



♣연사 약력♣


1978. 서울대학교 미생물학과 졸업

1982. MIT 대학 석사 (생물공학)

1984. Harvard 대학 석사 (분자유전학)

1986 Oxford 대학 박사 (분자유전학)

­1989 Whitehead Institute (MIT) 연구원

­1992 Harvard 대학교 의과대학 조교수

­현재. 서울대학교 유전공학연구소 교수


[출처] 복제능력을 갖는 단백질 프리온|작성자 역사사랑

[흠]

잘봤습니다.