광대한 바이롬(virome): 과학자들은 인간 생태계(human ecosystem)에서 수많은 바이러스의 역할을 이해하기 시작했다


Illust by CHARIS TSEVIS

복잡한 질병 연구는 겉에 아무것도 그려져 있지 않은 엄청난 양의 직소 퍼즐을 맞추는 것과 같으며, 연구자들은 얼마나 많은 조각을 잃어버렸는지를 알려고 노력하는 것과 같다. 과학자들은 인간 유전자가 많은 질환의 경계를 이루고 있다는 것을 알고 있다. 그러나 전체 그림은 미생물, 특히 우리 몸을 집으로 이용하고 있는 박테리아와 바이러스를 고려하지 않고는 채울 수 없는 것으로 드러났다.

4년 전, 진화유전학자 빈센트 페레스-브로칼(Vicente Perez-Brocal)은 크론병의 퍼즐을 완성하려고 노력하는 자신을 발견했다. 스페인 발렌시아 대학교의 안드레스 모야(Andres Moya)가 이끄는 연구 그룹의 일원으로서, 페레스 브로칼은 그 퍼즐에 꼭 들어맞는 바이러스를 찾는 임무가 주어졌다.

크론병은 면역 체계가 망가져서 장을 손상할 수 있는 만성 염증을 일으키고 대장암의 위험을 증가시키는 염증성 장 질환이다. 다이어트와 흡연과 같은 개인 습관과 유전자가 중요한 역할을 하지만, 완벽하게 들어맞는 퍼즐 조각은 아니다. 과학자들은 감염성 유기체가 관여할 수 있다고 생각하지만, 그 퍼즐 조각이 맞을지는 아직 논쟁 중이다.

세균은 분명 퍼즐의 빈틈을 메워주는 요소다. 세균은 10:1의 비율로 사람 세포를 압도하며, 체내에서 거의 모든 생물학적 과정에 영향을 끼친다. 일부 세균은 질병을 일으키고, 또 다른 세균은 이들에 저항해 우리를 보호해준다. 사람의 몸 안과 밖에서 사는 세균, 균류 및 다른 단세포 미생물의 총합을 일컫는 미생물군집(microbiome)은 10년 이상 전부터 인기 있는 연구 주제였다. 그러나 세균이 우리 몸을 공유하는 유일한 생명체는 아니다.

여러 연구자가 “인간 생태계”라고 부르는 것의 가장 많은 부분을 차지하는 것은 바이러스다. 그래서 페레스 브로칼은 그들을 자세히 살펴볼 가치가 있다고 추론했다.

바이러스는 단백질 껍질 안에 유전 물질이 들어있는 매우 단순한 유기체다. 그들은 작고, 스스로 복제할 수 없으며 사람이나 다른 세포의 생식에 의존한다.

그런데도, 과학자들은 지구 상에 바이러스 입자의 수가 1,000경(京)에 이를 거로 추정한다. 이는 1 뒤에 0이 31개가 붙어있다는 뜻이다. 바이러스는 대부분의 생태계에서 세균에 10대 1로 압도적이다. 그리고 바이러스는 사람의 안과 밖에 매우 흔한 존재다.

페레스 브로칼과 다른 연구자들은 사람에게서 병을 일으키는 단순한 외부 침입자로만 보았던 바이러스가 인간 생태계의 중요한 부분을 차지하고 있다는 것을 배우고 있다.

몇몇 바이러스들은 인플루엔자, 에이즈 및 일부 암을 포함한 주요한 질병을 일으킨다. 반대로 다른 바이러스들은 건강을 증진할 수 있다. 또 어떤 바이러스들은 면역 체계가 얼마나 잘 작동하는지 측정하는 데 도움을 줄 수도 있다.

통칭 인간 바이롬(human virome)이라고 알려진, 인간에 상주하는 바이러스에 관한 연구는 “인간을 이해하는 완전히 새로운 도전”이며, 의학의 미래에 중요한 요소가 될 수 있다고 샌디에이고 주립대학의 환경 미생물학자 포레스트 로워(Forest Rohwer)는 말한다.



로워의 연구는 바이러스가 인간의 방어 시스템의 일부임을 나타낸다. 로워와 그의 동료들은 박테리오파지, 혹은 파지라고 부르는 세균을 감염시키는 바이러스가 촘촘히 박혀있는 점액은 침입한 미생물로부터 숙주세포를 보호하는 데 도움이 될 수 있다고 6월 25일 <미국 국립과학원회보(the Proceedings of the National Academy of Sciences)>에 발표했다. 기도와 창자와 같은 통로와 구강 및 다른 신체의 구멍에 펼쳐져 있는 점액 장벽에서 숙주와 파지는 세균의 움직임을 통제하기 위해 협력한다. 숙주 세포가 생산한 당에 고정된 파지는 점액 장벽을 통과하여 침입하려는 세균을 감염시켜 터트린다.

과학자들은 바이롬을 연구하며 이렇게 바이러스의 예상치 못한 협력이 드러나기 시작했지만, 미생물군집이 이룬 성과에 비하면 훨씬 뒤처져 있다.

“우리는 인간에 거주하는 세균에 관해서는 많이 알고 있습니다.” 샌디에이고 캘리포니아 대학교의 전염병 의사 데이비드 프라이드(David Pride)는 말한다. 그에 비하면 “우리는 바이러스에 관해서는 아는 것이 아무것도 없습니다.”


식별하기

과학자들이 바이러스에 관심을 두지 않았던 것은 아니다. 최근까지 바이러스를 식별할 좋은 방법이 없었을 뿐이었다. 

식별은 건강과 질병에 관한 생물학의 이해를 위한 가장 중요한 첫걸음이다. 그러한 이유로, 바이롬 연구는 초기 단계다.

모든 세균의 세포에는 16S rRNA 유전자가 포함되어 있으므로 연구진은 몸에서 사는 세균의 분류를 일찍 착수할 수 있었다. 16S rRNA 유전자는 리보솜이라고 부르는 단백질을 구축하는 기계의 RNA 부품을 부호화한다. 사람과 다른 진핵생물은 상이한 일련의 RNA로 그들의 리보솜을 구축하기 때문에 16S rRNA 유전자는 세균을 명확하게 표시한다. 각각의 세균 종은 조금씩 다른 유전자 버전을 가지고 있다. 그래서 연구자들은 사람의 몸에서 사는 미생물을 식별하는 데 사용한다.

바이러스 사냥꾼들은 그렇게 운이 좋지 않았다. 그와 유사한 바이러스 식별법은 없었다. 대신에 연구자들은 바이러스를 찾기 위해 피부 면봉, 타액, 배설물이나 점액 등의 샘플로부터 방대한 수의 DNA 조각을 시퀸스해야만 한다. 과학자들은 이렇게 만들어진 DNA 시퀸스에서 정말 좋은 자료들을 얻어왔다. 그러한 요령으로 바이러스의 정체를 알아낸다.

이렇게 알아낸 바이러스 DNA 조각 중 일부는 인간 세포로부터 왔고, 일부는 세균, 또한 인간 몸을 차지하고 있는 고세균과 곰팡이와 같은 다른 미생물에서도 왔다. 일부 조각은 바이러스로부터 왔을 수 있지만, 확신하기는 어렵다고 페레스 브로칼은 말한다. 왜냐하면, 과학자들은 새로운 것을 발견하는 데 지침서로서 사용할 만한 일련의 특징적인 바이러스가 제한적이기 때문이다.

크론병에 대한 바이러스 원인을 찾기 위해 페레스 브로칼 팀은 건강한 사람 8명과 크론병 환자 10명의 대변 샘플에서 DNA를 조사했다. 사람과 세균에서 온 것이 분명한 DNA를 제외한 후, 그 팀은 기원을 알 수 없는 다른 DNA 풀(pool)과 바이러스 DNA의 데이터베이스에서 비교하여 시퀸싱이 일치하는 하나의 DNA 풀이 남겨졌다.

연구진은 크론병 환자에서 바이러스의 다양성이 적다는 것을 발견했다. 오직 레트로바이러스만이 건강한 사람보다 크론병 환자에게서 더 풍부한 것으로 나타났다고 6월 13일 자 <임상과 응용 위장병학(Clinical and Translational Gastroenterology)>에 게재되었다.

에이즈를 유발하는 바이러스인 HIV를 포함한 레트로바이러스는 숙주의 유전자에 자신을 복제해서 삽입한다. 가끔 그러한 삽입은 숙주 유전자를 교란하여 암이나 다른 질병으로 이끈다.

공정하게 말하면, 페레스 브로칼과 동료들은 크론병과 레트로바이러스를 이어주는 더 이상의 연결고리는 찾지 못했다. 그들은 레트로바이러스로 인한 염증이 질병을 촉발하는지, 염증을 지닌 장에서 레트로바이러스의 정착을 더 쉽게 만드는지는 아직 알지 못한다. “우리는 레트로바이러스가 원인인지 결과인지 아직 알 수 없습니다.”라고 페레스 브로칼은 말한다. “지금 시점에서 우리는 관찰한 것이 무엇인지 정도만을 말할 수 있습니다.”

초기 바이롬 연구는 아직 훨씬 더 많은 관찰이 필요하다.

항상 새로운 사람의 바이롬 샘플을 수집하는 프레드릭 부쉬맨(Frederic Bushman)은 최근 새로운 바이러스를 발견했다고 말한다. 필라델피아의 펜실베이니아 페럴만 의과대학의 미생물학자인 부쉬맨은 두 사람의 장 바이러스가 정확히 동일한 경우는 없는 것으로 보였다. 그러나 사람에게서 박테리아를 감염시키는 파지의 군체(community)가 활발해지면, 변화가 정체되는 경향이 있다. 한 사람의 바이롬을 처음 추적한 연구진은 2년 후에도 무려 80%의 동일한 바이러스가 여전히 존재하고 있었다.

그것은 바이롬에 관련해서 바이러스의 변화가 둔화하였다는 말은 아니다. 바이러스 자체는 빠르게 돌연변이를 일으킨다. 부쉬맨과 동료들은 일부의 바이러스가 실험과정에서 DNA의 4%까지 변화시키기도 한다고 7월 23일 <미국 국립과학원회보>에 발표했다. 그는 그러한 돌연변이 양이 두 바이러스 종의 DNA 차이 정도와 비슷하다고 말한다. 이것은 사람의 장 바이러스가 개인마다 다른 이유를 설명할 수 있다.

스탠퍼드 대학교, 샌디에이고의 캘리포니아 대학교와 그 밖의 곳에서 프라이드와 그의 동료들은 네 명의 자원봉사자의 바이러스 이력(viral history)을 이해하기 위해 그들의 입에서 바이러스를 추적했다. 연구진은 바이러스 상(landscape)의 변화를 관찰하기 위해 크리스퍼(CRISPRs)라고 알려진 식별법을 사용했다. 크리스퍼는 파지의 DNA 조각이다. 세균은 크리스퍼를 이용해 자신의 염색체를 자르고 붙인다. 새로운 파지를 만나면, 세균은 내부에서 그 파지의 DNA를 조사하여 그것이 예전에 문제를 일으켰던 놈이면 파괴한다.

크리스퍼를 이용한 식별법은 연구자들이 세균, 그러므로 인간 숙주가 과거에 마주친 적이 있는 파지인지를 식별하는 데 도움을 준다.

프라이드의 연구에서 자원봉사자들은 11개월 동안 네 번 튜브에 침을 담았다. 사람마다 3%에서 18%의 작은 차이가 타액 샘플에서 나타났다고 프라이드의 연구진은 2012년 9월 <환경 미생물학>에 발표했다.

그러나 모든 샘플에서 크리스퍼의 25%~75%는 박테리아가 끊임없이 새로운 파지의 공격에 직면하고 있음을 가르키고 있는 것이 새로웠다.

역설적으로 박테리오파지는 그들의 인간 숙주를 공격하는 세균의 공격을 강화하는 데 중요한 역할을 수행할 수 있다. 파지는 항생제 저항이나 그들이 감염시킨 박테리아 안에서 독소를 만들어 내어 잠재적으로 항생제 치료를 견뎌내고 치명적인 감염을 유발할 수 있는 유전자를 증착(deposit genes)할 수 있다.

일부 세균은 다른 세균에 대항하는 무기로서 박테리오파지를 사용한다고 하워드 휴즈 의학 연구소의 연구원 로라 후퍼(Lora Hooper)는 말한다. 그녀는 댈러스 텍사스 사우스 웨스턴 대학교 의료센터의 미생물학자 및 면역학자이다. 특정 조건에서 엔테로코쿠스 패칼리스(Enterococcus faecalis)라고 부르는 일반적인 장내 세균은 다른 두 개의 파지로 구성된 합성 박테리오파지(Frankenstein bacteriophage)를 촉발한다고 그녀와 동료들은 2012년 10월 <미국 국립과학원회보>에 발표했다. 후퍼의 연구진은 쥐를 이용한 실험에서 그러한 합성된 파지는 E.패칼리스 균주가 장내에 정착할 때 경쟁의 우위를 제공한다는 것을 보였다.

아마도 연구진은 사람을 더 건강하게 만드는 방법으로서 인간 미생물 군집(human microbiome)을 구현하는 데 박테리오파지를 사용할 수 있을 것이다. 세균을 통제하기 위한 파지의 이용은 옛 아이디어의 부활이다. 1920년대, 구소련과 다른 동유럽 국가의 의사들은 특정 세균 감염을 치료하는 데 파지를 사용하기 시작했다. 무차별적으로 세균을 죽이는 항생제와는 달리 파지는 공격 대상인 특정한 미생물만 목표로 하였다.

이러한 전략의 재등장은 크리스퍼를 이용해 공격자를 막기 위해 세균이 능력을 획득하는 것을 어떻게든 피하면서 특정한 “나쁜 균”만을 제거할 수 있는 박테리오파지의 설계나 발견에 기댈 것이다. 연구자들은 이러한 유형의 미생물 조작은 아직 먼 미래의 일이라고 인정한다.


면역 시스템의 감시자

그러나 바이러스와 그러한 조사들이 단시일 내에 도움이 되지 않는다는 뜻은 아니다.

일부 바이러스는 건강한 면역 시스템을 위한 실마리의 역할을 할 수 있을 것이다.

스탠퍼드 대학교 하워드 휴즈 의학 연구소 연구원이자 유전학자인 스티븐 퀘이크(Stephen Quake)와 그의 동료들은 일부 사람들에서 이식받은 장기에 거부반응을 일으키는 이유를 연구하기 위해 심장이나 폐를 이식받은 환자를 연구했다. 그들은 96명의 이식환자에게서 혈액을 채취하여 그 안에 부유하는 DNA 조각을 조사했다. “우리는 그 DNA 조각의 일부는 사람의 것이 아니란 걸 깨달았습니다.” 퀘이크는 말한다.

그 환자들의 혈액에서 인간의 것이 아닌 DNA 조각의 73%는 바이러스로부터 왔다. 그들은 바이러스에서 유래한 DNA 조각의 68%가 아넬로바이러스(anelloviruses)였음을 발견했다. 아넬로바이러스는 특정 질병을 유발하진 않지만, 유아의 발열과 관련된 의문의 병균이다. 이식받은 환자의 일부는 그들의 혈액에서 그 바이러스 수치가 높았다. 그것은 반직관적인 소리로 들릴 수 있지만, “만약 당신이 장기를 이식받는다면, 당신의 그 바이러스 수치가 높다는 건 좋은 소식입니다.” 퀘이크는 말한다.

그건 장기이식에 대한 거부반응을 억제하기 위해 면역 시스템을 약하게 만드는 면역억제제가 혈연관계가 아닌 낯선 사람들로부터 심장과 폐를 얻은 사람들에게 드물게 아주 위험하다는 뜻이다. 혈액에 아넬로바이러스의 수치가 낮은 사람은 좀 더 이식받은 장기를 거부하는 경향이 있는 것 같다고 퀘이크와 그의 동료들은 11월 21일 <셀>에 발표했다. 그 바이러스를 억제하는 높은 면역 반응은 외부 장기 역시 적대시할 수 있으며, 따라서 이식 환자의 아넬로바이러스의 부하를 측정하여 장기이식 거부에 직면할 것 같은 환자를 예측하는 데 도움을 줄 수 있을 것이다.

심지어 이식 수술을 넘어, 의사는 환자의 면역 시스템에 따른 건강 상태를 파악하기 위해 아넬로바이러스를 관찰할 수 있을 것이다. 예를 들어, HIV 보균자는 그들의 약해진 면역 시스템 때문에 혈액 내 아넬로바이러스 수치가 증가한다고 퀘이크의 공동저자인 스탠퍼드 대학교의 심장이식 외과의 키란 쿠쉬(Kiran Khush)는 말한다.

“이것은 또 다른 큰 문제로, 이러한 바이러스에 더 많은 관심을 가져야 한다는 경고 신호입니다.”라고 퀘이크는 말한다.


친구 또는 적?

장기 거부반응에서 아넬로바이러스는 원인이 아니다; 그들은 보초병(sentinels)이다. 그러나 다른 질병들에서는 이를 부채질하는 바이러스가 있을 수 있다. 바이러스가 범인이라는 것을 알아내는 것은 어려운 작업이라고 세인트루이스 워싱턴 의과대학교의 바이러스학자인 크리스틴 와일리(Kristine Wylie)는 말한다.

와일리와 그녀의 동료들은 영유아로부터 비강과 혈액에서 샘플을 채취했다. 그 영유아 중 일부는 알 수 없는 발열이 있었다. 그들은 DNA 기술로 그 아이들이 아픈 이유를 빠르게 식별할 수 있는지를 알고 싶었다.

연구자들은 질병과 많은 관련성이 있는 것을 포함하여, 차이가 나는 25개의 주요한 바이러스 목록을 발견했다고 2012년 6월 <플로스 원>에 발표했다. 열이 나는 아이들은 바이러스의 수와 유형 모두에서 더 많은 부담을 겪고 있는 경향이 있었다. 그러나 심지어 건강한 아이들조차 혈액과 비강에 많은 바이러스를 가지고 있었다.

“건강한 피험자는 단지 바이러스가 많았을 뿐입니다.”라고 와일리는 말한다. 심지어 일반적인 감기와 같은 질병을 일으킨다고 알려진 바이러스조차 건강한 아이들에서 발견되었다. 그것은 특정 바이러스가 실제로 어떤 병을 일으키는지 아닌지를 결정하기조차 어렵게 만든다.

이전에 결백하다고 알려진 일부 바이러스가 해를 입힐 수 있다. 로워(Rohwer)는 2005년 과일과 곡물 및 채소 작물에 영향을 끼치는 고추 마일드 반점 바이러스(pepper mild mottle virus)와 다른 병원균과 같은 식물 바이러스를 발견했던 팀의 일원이다. 그러한 식물 바이러스는 인간의 배설물에서 가장 흔한 바이러스 중 하나다. 식물 바이러스는 사람의 세포를 감염시키지 않기 때문에, 연구자들은 그 바이러스들이 아무 해도 입히지 않고 소화 시스템을 통과한다고 가정했다. 그러나 2010년 연구에서, 고추 마일드 반점 바이러스(pepper mild mottle virus)는 일부 사람에게서 발열과 복부 통증 및 가려움과 관련이 있었다. 그 바이러스는 면역 체계의 바이러스 센서를 우연히 자극하여 부적절한 염증을 유발하거나, 그러한 증상이 매운 음식의 섭취로 인한 간접적인 결과일 수도 있다고 연구진은 추측한다.

인체에서 바이러스가 친구인지 적인지, 아니면 중립적인 손님일 뿐인지 알아내기 위해, 과학자들은 먼저 그들을 식별해야 한다. 연구자들은 아직 새로운 바이러스를 인식하는데 그리 뛰어나지 못하다고 영국 브라이턴 대학교의 분자생물학자 브라이언 존스(Brian Jones)는 말한다. 이런 이유로, 페레스 브로칼의 알 수 없는 거대한 바이러스 풀(pool)과 다른 연구자들의 바이롬을 연구하고 있다.

연구진이 지금까지 바이롬에 관해 배운 것을 바탕으로, 존스는 바이러스와 다른 미생물이 “우리의 내부나 외부에 사는 어떤 것이라기보다는 우리의 일부로 간주해야 한다”고 확신하고 있다. “그들은 인간과 미생물성 세포를 구성하는 복잡한 생태계이자 서로를 밀고 당기는 존재이며 음식과 환경과 같은 국지적 조건으로서의 대상으로서 퍼즐의 일부입니다.”

만약 그가 옳다면, 우리의 바이러스를 아는 것은 우리가 우리 자신을 이해하는 데 도움이 될 것이다. <끝>


* 번역 원문: Tina Hesman Saey. “The Vast Virome”. Science News, December 27. 2013.

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