Rabies virus (광견병 바이러스)

 

 광견병은 4000년 이상 인류가 두려워 했지만 아무런 대책 없이 방치되어 왔던 감염성 질병이다.

광견병이 처음 알려졌을 때, 광견병은 감염에 의한것이 아니라고 인식되엇고, 그저 미친개에게 물렸을 때 물린사람의 죽음은 개 주인에게 물었었다. 그러나 1802년, George Zinke는 광견병이한 종류의 동물에서 다른 종으로 전이되는 것을 처음으로 설명하였고, 1885년, Pasteur는 광견병에 걸린 토끼의 척수에서 첫 광견병 바이러스의 백신을 개발했다. 이것은 감염된 후 항상 죽음에 이르게 한 광견병이 더 이상 사형선고가 아님을 의미 했다. 하지만 백신발견과 많은 진보에도 불구하고 광견병 바이러스에 의한 연간 사망자수는 세계적으로 4만~7만명 사이로 측정 되었다. 탄자니아의 최근 연구결과는 광견병에 의한 사망자의 수가 공식적 기록보다 100배 더 높을지도 모른다는것을 보여주고, 실제 광견병바이러스의 단지 3%만이 중앙 보건당국에 기록된다고 주장한다.

감염환자의 40%가 어린아이이기 때문에광견병도 세계에서 7번째로 중요한 감염질병이다.

그러므로 좀 더 저렴하고 효과적인 백신이 필요하게 되었다.  이 논문에서는 바이러스의 cell cycle과 바이러스-숙주세포 상호작용 단계를 포함한 광견병 바이러스의 세포 생물학적 지식을 서술할 것이다.

Rabies virus는 Rabdoviridae에속한다. 광견병 바이러스는 11개의 genotype을 가진 2개의 그룹으로 나뉜다.

Rabies virus의 캡시드는 나선형 구조이다. 외피는 glycoprotein이 위치하고, 지질막의 안쪽에는 matrix protein이 붙어있다.

negative-stranded RNA 게놈은 nucleoprotein(노랑) 안으로 빽빽히 둘러쌓여있고, 이를 ribonuclioprotein (RNP)라고 한다.

두가지의 다른 바이러스단백질은 RNP와 연관되어있다. 내부코어 또는 캡시드를 만드는 바이러스 polymerase(파랑)과 phosphoprotein(오렌지).

캡시드는 트라이머인 single transmembrane glycoprotein(보라)과 matrix protein(초록)에 의해 숙주 세포의 막으로 들어간다. matrix protein(초록)은 캡시드와 비리온막과 single transmembrane glycoprotein사이의 다리역할을 한다.

life cycle

첫번째 단계인 Endocytosis는 숙주 세포 수용체에 의해 바인딩되어 바이러스와 endosom 막이 융합되고, 세포질로의 바이로스 게놈의 방출도 야기한다. 박쥐 광견병 바이러스를 이용한최근의 연구가 바이러스는 혈액으로 퍼지고 시상하부의 신경혈관에 있는 중추신경계에 침입한다는 것을 보여줌에도 불구하고, 전형적인 야생형 광견병 바이러스는 신경근육에 있는 운동 신경으로 들어간다.

어떤 경우든지, 광견병 바이러스 입자는 감염된 신경의 축상을 역행하여 연속적으로 수송된다. 일단 바이러스 입자가 신경의 세포체에 도달하면, 바이러스 구성요소를 생산하는 transcription, replication, protein synthesis 단계가 시작된다.

 Life cycle의 마지막 단계인 budding은 다른세포로의 새로운 감염을 시작 할 수 있도록 바이러스 구성요소를 조립하고 바이러스 입자를 방출한다. 이 과정의 각 단계는 상당히 통제되어 진행된다. 

rabies virus의 transcription

감염 직후, 게놈을 주행으로 먼저 leader RNA와 6개의 mRNA로 전사된다. leaderRNA는 cap과 polyA tail이 없으나, 5개의 mRNA, N, P, M, G, L 는 cap과 polyA tail이 있다. 우선 leaderRNA를 전사한 후 N, P, M, G, L mRNA를 전사한다. 전사 시에 각각 전사되는 것이 아닌 single site initiation으로 전사된다.

(single site initiation: 앞쪽에 하나가 전사 안되면 뒤의 것도 전사되지 않는것 예) P유전자가 불활성화 되면 P뿐만아닌 M,G,L 단백질의 합성도 저하 됨 

 multi site initiation은 계속 전사 가능)

유전자 mRNA의 전사 개시는 유전자 사이에 존재하는 intergenic region이 관여한다. intergenic region이 termination과 polyadenilation 뿐만 아니라 downstream RNA 합성의 initiation, capping을 조절한다. 실제 intergenic region 에서 polymerase complex가 일시적으로 멈춘 후 그중 일부만이 다음 유전자의 개시에 성공하게 된다. 결국 다음 유전자의 전사는 점차 감소하게 된다. 이러한 감쇠현상으로 mRNA의 생성은 그림과 같이 leader RNA, N , P , M , G, L 순으로 감소한다

 

Replication와 transcription은 네그리 소체에서 이루어진다.

네그리 소체는 ubiquitylated proteins과 heat shock protein70이 (HSP70)로 이루어져 있다. 네그리 소체의 형성은 Toll-like receptor 3 (TLR3)에 의존한다. 이는 광견병 바이러스 복제에 사이트의 공간 배열에 관여한다. 숙주 세포의 세포질 안으로 RNP가 방출된 후에, RNP의 간결한 나선 모양은 활성화되어 이완 단계로 전환되어야 한다. 바이러스성 mRNA의 번역은 바이러스성 게놈이 negative sense  RNA이기 때문에 바로 일어날 수 없다. I게다가, nucleoprotein에 의한 게놈과 안티게놈의 단백질 막으로 둘러쌈은 이 과정을 방해한다.

Nucleoprotein의 promoters 사이의 중합은 RNP를 형성

rabies virus가 뉴런 세포로이동하는 기작. 대부분 알려져 있지 않음 nAchR이 receptor 로여겨지나 nAchR을 block 시켰을 때에도 transport가 이루어진 점을 미루어 보아 nAchR 이외에도 다른 receptor가 transport에 관여하는것으로 보임. 그러나 nAchR을 blcok하면 virus의 증식 정도가 약함. 따라서 nAchR은 virus의 증폭에 영향을 미침

 Rabies virus에 감염되면  Rabies virus의 5′triphosphate ended RNA는 retinoic acid-inducible gene I (RIG-I)에 의해 감지되고, TRAF-family-member-associated NF-카파B activator (TANK)와TANK-binding kinase 1 (TBK1)–I카파B kinase 엡실론 (IKKε)복합체로 신호를 전달하여 IFN regulatory factor 3 (IRF3)의 인산화를 유도.

인산화 된 IRF3는 이량체가 되고, 핵으로 운반되어 transcription factor 2 (ATF2)와 nuclear factor-카파B (NF-κB)와 결합하고 IFNB의 전사를 유도하여 면역반응이 일어난다.

또한, 일부 연구에서는 Toll-like receptor 3 (TLR3)에 의한 신호전달이 IFNβ를 유도함을 보여준다.(다른 TLR의 기능은 여전히 밝혀지지 않았다.)

Rabies virus는 이러한 숙주세포의 면역반응을 억제하는 기작을 가지고 있다. 광견병 바이러스 인단백질(RVP)을 통한 기작인데, RVP는 병원체-연관 분자 패턴과 1형 2형 IFN 신호전달에의한 숙주세포반응의 차단함으로써 인터페론(IFN) 반응을 회피한다.

RVP는  IRF3의 인산화를 방지함으로써 IFNβ 유도를 억제한다.

RVP는 1형(IFNα and IFNβ)과 2형 (IFNγ) 신호전달경로를 억제할 수 있다.

1형과 2형 IFN수용체(IFNR)가 트리거 됨에 따라 signal transducer 와 transcription 1 (STAT1)의 활성화는 Janus kinase (JAK)에 의해 인산화 된다.

 RVP는 인산화된 STAT1과 결합하고, STAT1이 핵으로 이동하는것을 방지해서 뒤이어 오는 항바이러스전사반응을 막는다.

 핵에서는 짧은 버전의 RVP가 STAT1과 STAT2의 IRF9( IFN-stimulated growth factor 3 (ISFG3)복합체의 형태) 의 헤테로다이머 복합체와 STAT1 호모다이머와 결합한다.

이는  IFN-stimulated response element (ISRE)와γ-activated sequence(GAS)와 1형과 2형IFN연관 면역반응의 전사적 활성을 막는다.

 

다른버전의 RVP는 사용 전사적 시작 사이트에 따라 생산된다.(삽도 참조)

인단백질3(p3), P4와 P5는 핵 방출 신호(NES)를 떨어뜨리고 핵에서 축적된다.

apoptosis와 rabies virus

 

많은 향신경성 바이러스들은 신경병원성적 메커니즘으로 apoptosis를사용한다.

광견병바이러스에의한  apoptosis 유도는 논란이 많은 토픽이었다. 하지만 병원성 광견병바이러스주는  apoptosis를 유도하지 않는다.

초기에는 광견병 바이러스 감염이  apoptosis에 중요한 역할을 할 것이라고 여겨졌다. CVS계통의 광견병 바이러스에 감염된 rat 전립선암 세포에서  apoptosis 유도가 발견되었기 때문인데, 그러나 병원성이 아닌 감쇠된 바이러스 주 CVS-B2C는 primary mouse neuron에서의  apoptosis를 유도하지만, 병원성 CVS-N2c는  apoptosis를 유도하지 않았다. 이는 인간 광견병이  apoptosis를 유도하지 않는다는 증거가 될 수 있다.

( apoptosis가 바이러스에의해 유도된다면 감쇠된 바이러스보다 병원성 바이러스에서 더 많은 apoptosis 유도가 일어나야 하기 때문)

또 다른 근거로 다른 연구들에서도 감쇠된 광견병바이러스(예를들어 백신주)가 병원성 광견병 바이러스주에 비해 더 많은 pro-apoptotic 표현형을 나타내는것을 확인 할 수 있었다. 하지만 한가지 예외로 병원성 광견병 바이러스 주 CVS 감염은 감염된 뉴런에 의한 CD95 리간드(FASL 로 알려진)의 조기upregulation 에 의한 T세포의  apoptosis를 유도한다.

또한 광견병 바이러스 감염동안의  apoptosis 유도는 케스페이즈 의존, 케스페이즈 독립 페스웨이에 의해 일어나는데, 광견병 바이러스 감염후의 AT3과 jrkat 세포에서의 anti apoptosis 단백질 B세포 림프종2의 과발현은  apoptosis를 방지한다.

또한, 시토크롬c와 같은 pro apoptotic 단백질의 발현은 광견병 바이러스의 병원성을 줄일수 있다.

병원성 바이러스주가 바이러스복제와 전사, 당단백질의 아미노산 서열의 변화에의해 전적으로 세포사멸을 제한하는지  apoptosis를 방지하기위해 추가로 직접적 메커니즘을 사용하는지의 여부는 알려져 있지 않다.

rabies virus 감염 증상과 치료

 

광견병에 걸린 동물에 물린 사람의 15-50%에서는 약 3-8주 또는 일년까지되는 잠복기를 거쳐 열, 두통, 식욕부진, 피로, 통증과 같은 전구기 증상 (prodrome phase)들이 나타나며, 감각신경흥분상태 (sensory excitation phase)로 들어간다.

. 감각신경흥분상태에서는 과도흥분상태 (hyperactivity), 환각 (hallucination), 발작 (seizures), 이상한 행동 등과 같은 신경증상이 나타나며, 특히 액체를 마실 때, 근육의 경련성 수축 (spasmodic contraction)이 나타난다. 이 상태의 환자는 물을 보기만 하여도 증세가 나타나는 공수증 (hydrophobia)이 발생한다.

. 공수증의 증세는 2-7일간 지속되며, 증세가 심해지면서 급작스러운 심장마비나 호흡기 마비 또는 혼수상태가 나타난다.

미국의 최근 PEP(예방책)는 불활성된 광견병 바이러스 백신과 면역글로불린 으로 이루어져 있다. 이 요법은 효과적이지만 광견병이 흔한 개발도상국에서는 높은 가격과 낮은 이행률때문에 유용하지 않다.

WHO는 개발도상국에서 백신의 가격을 낮추기 위해 대안책을 승인했다. DNA 백신을 포함한 비활성된 백신 사용을 의존하지 않는 치료법 또한 연구되고 있다.

최근 연구로 iNOS의 유도가 광견병바이러스의 병원성을 줄일수 있을지의 여부가 관심이 된다.

광견병을 포함한 다른 향신경성 바이러스에 감염 된 쥐의 뇌에서의 Inducible nitric oxide synthase(iNOS)의 mRNA 수준을 조사했는데, 헤르페스 바이러스1과 보르나병 바이러스와는 대조적으로, iNOS mRNA는 광견병바이러스에 감염된 일부 동물에서만 발견되었다.

또한, 모든 광견병바이러스감염 동물에서의 최소한의 염증의 발견은 iNOS 유도는 광견병 바이러스의 신경병리학적 관찰에서 관련이없다는 증거를 제공한다.

이 가설을 지원하는  Phares 는 iNOS의 효과로 잘 알려진 뇌-혈액 장벽의 투과성의 변화가 광견병바이러스 감염의 저항에 유용하고, 바이러스 제거를 촉진할 수 있음을 보여줍니다. 이는 iNOS 생산 억제가 광견병 감염 쥐의 죽음을 늦춰준다는 ubol의 발견과는 대조적이다.

그러나, 두 연구는 다른 광견병 바이러스주(즉 높은 병원성과 감쇠 바이러스주(Phares 외)와 fixed 바이러스주(ubol 외))를 사용하였고 다른 접종경로를 사용하였다.

대부분의 연구 결과는 iNOS 유도는 뇌-혈액 장벽 투과와 필요에의한 출입에 필수적임을 보여준다.