코로나바이러스: 어떻게 감기에서 치명적 폐렴으로 감염할까? [I]
(이 병원균이 어떻게 진화하고, 무엇이 약하게 또는 심각하게 감염시킬까?)
How Coronaviruses Cause Infection — from Colds to Deadly Pneumonia
The novel coronavirus outbreak raises questions about how such pathogens evolve and what makes infections mild or severe
By Simon Makin on February 5, 2020(from Scientific American)
(Coronavirus. Credit: Wikipedia)
▶ 2019년 중국 우한 발(發) 신종 코로나바이러스(2019-nCoV) 발병으로 2020년 2월 6일 현재 중국 전체 감염자는 31,161명, 누적 사망자는 636명에 이른다고 한다. (동아일보)
20여 년 전까지만 해도 사람을 감염시키는 코로나바이러스는 병증(symptom)이 아주 약해서 별다른 주목을 받지 못했다.
그러나 2003년 중국에서 사스(SARS (severe acute respiratory syndrome): 중증급성호흡기증후군)가 코로나바이러스로 판명되면서 모든 게 변했다. 이 발병은 코로나바이러스가 동물- 아마도 사향고양이-에서 사람으로 옮겨 오면서 ‘동물에서 사람으로 전염되는 질병(zoonosis)’이라 부른다. 2012년 메르스(MERS (Middle East respiratory syndrome): 중동호흡기증후군)은 낙타에서 사람으로 옮겨왔다. 지금까지 858명이 사망하고(2014년 8월 현재) - 주로 사우디아라비아에서- 치사율은 34%이다.
▶ SARS, MERS 그리고 신종 코로나바이러스도 감염원이 박쥐에서 출발했음이 확실하다. 중국 우한에서 발병한 2019-nCoV의 유전자는 중국의 한 박쥐 유전자 코로나바이러스와 96% 같고 SARS와 79.5% 같다고 한다. (Peng Zhou, Xing-Lou Yang, […]Zheng-Li Shi(2020), A pneumonia outbreak associated with a new coronavirus of probable bat origin. an nonedited manuscript of Nature. Feb. 03, 2020 (Open Access: https://doi.org/10.1038/s41586-020-2012-7)
이분야 전문가인 University of Iowa 미생물학자인 Stanley Perlman 교수는 “이들 바이러스는 오랫동안 동물에 질병을 일으키지 않고 박쥐 주위를 떠돌아다니고 있지요.” 그러나 지금 우한 시장에 박쥐가 거래되고 있지 않아 또 다른 숙주가 있을 수 있다. 이런 경우가 발병의 공통된 특징으로 보여 숙주들이 다양한 변이를 가능하게 함으로써 바이러스의 유전적 다양성을 증가시킬 수도 있다.
▶ 그럼 코로나바이러스는 무엇인가? 언제, 어떻게 사람에 옮겨오며 어떻게 병을 일으키며 무엇이 이를 결정할까? 무엇이 훌쩍거리는 감기에서 치명적 질병 간의 차이를 만들까?
★ 코로나바이러스 해부(ANATOMY OF A CORONAVIRUS)
▶ 코로나바이러스는 한 가닥으로 구성된 RNA(+ssRNA; + single strand RNA) 바이러스로 외피로 감싸져 있다. 모든 바이러스가 그러하듯 세포에 침입하고, 스스로 많이 복사하게 기주(host)의 구성분을 동원하고, 그리고 다른 세포를 감염시킨다. DNA 복제와는 달리 RNA 복제는 오류수정작용이 결핍되어 다른 복제품(a new strain)을 만들기 쉽다. 게놈 크기가 3만 염기로 구성된 단일 RNA로 복제를 반복할수록 잘못 복제(변이)를 일으킬 기회가 많다. 따라서 변이를 일으키기 쉽고 이로 인해 새로운 세포나 다른 종류에 감염력을 얻는 새로운 성질을 획득할 수 있다(신종 바이러스의 출현).
(바이러스의 변이 생성(a new strain): 1) genome level: RNA 게놈 복제할 때 동종 및 비동종 재조합(homologous or non-homologous recombination). 2) Protein level: 단백질 합성 때 framshifting (염기 서열을 읽어 갈 때(translation, 전역(傳譯) 앞 뒤로 염기를 건너 뛰면(frameshift) 전혀 다른 단백질을 만들 수 있음 -많게는 25% 까지 예측)
a)
b)
Figure 1 Genomic Orientation of Representative a) α, β, and γ CoVs, and b) 2019-nCoV (bottom)
▶ 코로나바이러스는 4종의 구조 단백질로 구성되어 있다. 뉴클리오 캡시드(게놈 RNA와 그를 둘러싼 단백질), 외피, 막 및 돌기(spike)이다.
뉴클리오캡시드 – 유전적 코어와 외피와 막 단백질로 둘러 싼 구형(球形)
돌기(spike) - 구형 위로 돌기된 곤봉 모양 단백질, 왕관 모양으로 코로나로 이름 붙여짐.
이 돌기가 기주(寄主)의 수용체에 결합하여 세포나 기주 범위를 결정한다.
★ 감기와 폐렴의 차이:
감기를 일으키는 코로나바이러스는 상기도(上氣道 - 코나 목)에 감염을 일으키고 폐렴은 하기도(下氣道 - 폐)에 살아남아 심한 병을 일으킨다. SARS는 폐 세포 안에 있는 ACE2 (angiotensin converting enzyme)에 MERS는 DPP4 (dipeptidyl peptidase) 수용체에 결합한다. 이 수용체의 조직과 기관 내 분포의 차이가 두 병의 차이를 설명한다. MERS가 SARS보다 훨씬 치명적이고 소화기 계통 증상도 더 두드러진다. MERS는 수용체 관련 특성으로 그렇게 전염성이 높지 않다. MERS 수용체 DPP4는 폐로 이르는 하부 기관지에 많이 발현되어 많은 수의 바이러스가 깊숙이 들어와야 하는데 유입 도중 기도에서 걸러지게 되어 그 전파력이 SARS보다 떨어진다. 폐에 도달하려면 긴 시간 집중적인 노출이 돼야 하므로 낙타와 밀접하게 접촉한 사람에게 발병하는 이유다(University of Edinburgh. Christine Tait-Burkard 교수)
역으로 상기도(上氣道)에서는 병원균이 비교적 쉽게 들락거릴 수 있어, 그곳에서 증식하는 바이러스는 전염성이 높다. 아울러 다른 온도에서 증식 능력도 큰 차이를 보이는데 상기도는 온도가 낮아 그 온도에 안정적인 바이러스는 하기도로 가지 않고, 또 하기도에서는 더 많은 생화학적 면역학적으로 바이러스에 더 적대적인 환경이 된다. 2019-nCov를 분석하니 SARS처럼 ACE2 수용체와 결합하여 침입한다. (참조: 상기 Nature article). 지금까지 경과를 보면 MERS보다 덜 치명적이다.
인간 감염 코로나바이러스 특징 비교 (Comparison of Human Coronaviruses)
SARS
MERS
2019-nCoV (Wuhan)
발생 연도
2002-2003
2012
2019
최초 발생 지역
중국 광동
사우디아라비아, 중동
중국 우한
감염자 수(명)
8098
855(2014, 8월 현재)
31,161(2020.2.6일 현재)
전파 속도
130일
903일
~ 50일
사망자 수(명)
774
333
636
치사율 (%)
9.6
~35 (초기; ~50)
~2
특징
노약자 취약(60세 이상 약 50% 치사율)
감염률은 낮지만 치사율이 높음
감염률 높으나 치사율 낮음
감염지역
중국, 홍콩 등
중동, 한국 등
중국, 일본, 싱가포르 등 13개국
바이러스 출처, 검출 동물
박쥐, 히말리아 사향고양이, 너구리,
(박쥐), 낙타, 사람?
박쥐
유전자 그룹
2b β-coronavirus
2c β-coronavirus
2(?) β-coronavirus
유전자 상동성
박쥐; 96%, SARS; 79.5%
수용체(virus receptor)
ACE2
DPP4
ACE
감염경로
감염자와 집적 접촉
감염자와 접촉
감염자와 접촉, 무증상 감염?
진단, 검출
real time RT-PCR
real time RT-PCR
real time RT-PCR,
진단 kit
방제 수단
감시체계, 신속한 진단, 검역
참고 문헌: 1) Simon Markin (Feb. 5. 2020): .How Coronaviruses Cause Infection--from Colds to Deadly Pneumonia (Scientific American)
2) Peng Zhou, Xing-Lou Yang, […]Zheng-Li Shi (Feb.03. 2020): A pneumonia outbreak associated with a new coronavirus of probable bat origin (Nature: an unedited manuscript, open access)
3) Anthony R. Fehr and Stanley Perlman (2015): Coronaviruses: An Overview of Their Replication and Pathogenesis (Methods Mol Biol. 1282: 1–23.)
양해 말씀: 이 글 중 그림이나 표가 Upload되지 않아 virus의 유전자 구조, SARS, MERS, 2019-nCoV 비교 표가 제 모양이 아니라서 양해 구합니다. 각 바이러스별 특징을 차례대로 나열되어 있습니다.
본문을 보시길 원하시는 분은 제 블로거 https://blog.naver.com/kykang49/221800079117 로 찾아 주십시오. 감사합니다.