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핵심내용

유전 질환 치료를 위한 인공 세포핵 개발
새로운 유전 질환 치료제 개발에 응용 가능

◇ 엄숭호 교수 팀, 나노생명과학 분야 권위 있는 학술지 ‘스몰’에 논문 게재
◇ 세포 내 손상 유전자 대체를 위한 인공 세포핵 도입 아이디어 제안함

□ 미래창조과학부(장관 최양희) 및 한국연구재단(이사장 정민근)은  국내 연구진이 유전자 이상으로 발생되는 유전 질환 치료에 활용할 수 있는 ‘인공 세포핵’을 세계 최초로 개발했다고 밝혔다.

□ 성균관대 화학고분자공학부 엄숭호 교수 연구팀은 세포 내 핵의 기능이 저하된 경우, 인공 세포핵 시스템으로 대체할 수 있는 가능성을 제안하는 연구를 미래창조과학부와 한국연구재단이 지원하는 기초연구지원사업(신진연구지원, 모험연구지원, 국제협력지원)을 통해 수행하였다. 연구결과는 나노생명과학분야의 권위 있는 학술지인 스몰(Small) 온라인판 8월 27일 자에 게재되었다.  

 o 논문명과 저자 정보는 다음과 같다.
   - 논문명 : mRNA-Producing Pseudo-nucleus System
   - 저자 정보 : 엄숭호 교수(교신저자, 성균관대), 신승원 박사과정생(제1저자, 성균관대)

□ 논문의 주요 내용은 다음과 같다.

 1. 연구의 필요성
   ○ 다운증후군과 같은 유전 질환을 치료하기 위해서 정상 유전자를 대상 세포에 전달하는데, 일반적으로 그 전달 효율이 1%미만으로 매우 떨어지고 암과 같은 심각한 부작용의 가능성이 있어 실제 임상 치료에 한계로 지적되고 있다.
   ○ 이를 극복하기 위해 대상 세포핵으로 직접 유전자를 전달하지 않고 세포핵 이전에 메신저 RNA에서 단백질 발현이 가능하도록 하는 방법이 제시되고 있으나 세포질 내에 빠른 분해로 낮은 효율 등이 한계로 지적되고 있다.

 2. 발견 원리
   ○ 상기 한계점을 효과적으로 극복하기 위해 자연상태 세포핵을 모사하는 시스템을 개발하였다. 세포 핵 내에 다량의 유전자들은 히스톤 단백질로 포획되어 있다. 이번 연구에서는 히스톤 기능을 대체하기 위해서 핵산오리가미 기법으로 유전자를 세포핵에 효과적으로 연결하여 게놈(유전자) 하이드로겔(hydrogel)* 시스템을 개발하였다.
     * 하이드로겔(hydrogel) : 콜로이드 용액이 일정 농도이상에서 세망조직을 만들어 분산매인 물에서 굳어져 있는 것
     - 게놈 하이드로겔 시스템이 생체 외에서 단백질 발현인자들과 만났을 때 조밀한 겔 세망조직 내에서 발현 인자들의 잔류효과가 극대화되어 수백 배 이상의 단백질 생산 효율을 보였으며,
     - 16가지 이상의 기능성 단백질들(예를 들어, 항체, 접합 단백질 등 생체 내에서 생산이 어려운 단백질 포함)도 쉽게 생산되었다. 
  ○ 입자형태로 제작된 게놈 하이드로겔의 표면을 세포 막 투과가 용이하도록 지질막으로 코팅하여 세포 핵 모사 시스템, 즉 인공 세포핵을 완성하였다.

3. 연구 성과
   ○ 세포 핵 내부 유전자에 심각한 문제를 가지고 있는 유전질환 환자에 이 기술을 주입하면 유전자 이입 및 결합 등의 복잡한 과정이 단순화 될 뿐 아니라 발현효율을 업그레이드시킬 수 있어 정상적인 기능으로 환자를 복귀시킬 수 있게 해주어 다양한 유전 질환 극복에 응용 가능할 것이다.
   ○ 단백질 생산 공정기술과 접목하여 세포핵 입자들을 플랜트화 할 수 있다면 특정 단백질군들을 대량배양 할 수 있어 다양한 단백질 치료제 생산능력의  향상에 크게 기여할 것으로 예상된다.  

□ 엄숭호 교수는 “이번 연구를 통해서 기존의 효율이 낮은 유전자 이입 기술에 대응하는 새로운 첨단 치료기술을 제안한 것은 인류의 고질적인 유전 질환을 정복할 수 있는 토대를 마련한 것으로 볼 수 있다”라고 연구의 의의를 밝혔다.

상세내용

연 구 결 과  개 요

 1. 연구배경
  ㅇ 1980년대 후반에 게놈 프로젝트로 알려진 인간의 전체 유전 정보를 알아내기 위한 노력이 있었다. 게놈 프로젝트로 명명된 이 노력이 완성되면 암, 에이즈와 같은 난치병의 치료와 예방이 획기적으로 가능할 것이라고 기대하였다. 수십년이 지난 2015년인 현재에도 이들 난치성 질환 뿐 아니라 유전자 결손이나 돌연변이의 각종 유전 질환은 아직도 치료되고 있지 않다. 여러 가지 원인이 있으나 정상 유전자를 세포에 효과적으로 전달할 수 없고 무작위적인 유전자 변이로 인한 이차적인 질병이 발생할 가능성이 크기 때문이다. 이를 극복하기 위해서 대상 세포핵으로 직접 유전자를 전달하지 않고 세포질에서 메신저 RNA에서 곧바로 단백질 발현이 가능하도록 하는 방법이 제시되고 있으나 빠른 분해능으로 인한 낮은 발현 효율 등이 큰 한계로 지적되고 있다.
 ㅇ 메신저 RNA를 세포에 전달하기에 앞서 메신저 RNA를 효율적으로 합성하는 것이 중요하다. 현재 상용화되어 있는 메신저 RNA 제작 방식은 이의 기능을 활성화하는데 필요한 복잡한 단계들을 거치며 합성 효율이 높지 않다. 또한 제작된 메신저 RNA를 정제하는등 이후 세포에 전달하는 과정에서도 많은 손실이 불가피하다.
 ㅇ 이에 대해 엄숭호 교수팀의 이번 논문에서는 핵산나노구조체를 이용한 메신저 RNA의 대량 생산과 세포 전달에 즉시 이용될 수 있는 인공 세포핵을 개발하였다. 세포 내로 전달되었을 때, 기능성 단백질이 더욱 효율적으로 발현되는 것이 밝혀졌다.

 2. 연구내용
  ㅇ 기존 연구에 따르면, 핵산 나노구조체를 통해 합성할 수 있는 핵산하이드로겔은 유전자와 결합되었을 때, 유전자로부터 메신저 RNA와 단백질의 합성이 100배 가량 증폭하는 것으로 알려졌다. 다만, 세포내로의 효과적인 전달을 위해서는 핵산 하이드로겔과 메신저 RNA의 전달체 전체 크기가 수백 나노미터 이하로 디자인되는 것이 필수적이다. 본 연구진은 위의 핵산 하이드로겔을 수백 나노미터 크기의 지질막 내부에서 합성하고, 그로부터 전령 RNA를 동시에 합성할 수 있는 기술을 개발하였다. <그림 1>
 ㅇ 핵산 하이드로겔을 합성하는데 사용되는 효소와 전령 RNA를 합성하는데 사용되는 효소를 복합적으로 사용하는 것을 통해 지질막 내부에서 전령 RNA 합성이 가능하였다. 지질막은 내부에서 전령 RNA가 발현되도록 유도하는 것뿐 아니라 세포 내에 전달시 세포막 투과에도 큰 도움을 줄 수 있었다. 전달되는 전령 RNA에 바이러스 유래 유전자를 삽입하여, 추가적인 단계 없이 세포 내에서 단백질 발현이 가능하도록 유도하였다.
 ㅇ 개발된 인공 세포핵을 유전적인 문제가 있는 인간 유래 유방암 세포에 전달하였을 때, 모델 형광 단백질이 2배 이상 강하게 발현되고, 발현 유지 시간 또한 극명하게 증대되는 것을 재확인하였다. <그림 2>

3. 기대효과
 ㅇ 본 연구결과는 기존 유전자 전달 방식에 있어 한계점으로 지적되었던 전달 효율 및 돌연변이 생성 문제에 있어, 새로운 해결 방식을 제안하고 있다. 이를 이용할 경우 효과적인 유전 질환 치료에 응용될 수 있을 것으로 기대된다.
 ㅇ 세포에 전달된 전령 RNA는 세포질에 노출되는 즉시 단백질 합성이 가능하며, 전달에 사용되는 핵산 하이드로겔의 유전자를 치환함으로써 전반적인 유전 질환 치료에 응용이 가능하다. 이와 더불어 핵산 하이드로겔을 통한 전령 RNA의 합성 효율 증가는 기존 전령 RNA 전달 연구에서 가장 취약점으로 논의되었던 비효율성을 극복하는 중요한 단서가 될 수 있다. 본 연구진의 연구 결과를 통해 유전적으로 문제가 있는 세포가 정상 기능으로 복귀 할 수 있도록 하는 주요 메커니즘 플랫폼으로 이용할 수 있다.
 ㅇ 학문적으로도 전령 RNA 발현 및 세포 내 단백질 발현 방식을 새로이 제안함으로써 인공세포의 제작 및 합성 생물학 연구에 새로운 주제를 구축하였다.

★ 연구 이야기 ★

□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

전령 RNA를 합성하고 세포에 전달하는 것은 유전자 치료의 전통적인 방식 중에 하나인데, 효율이 매우 낮아 약제로 사용하는데 회의적이다. 이는 RNA가 생체 내에서 매우 불안정하고, 세포 내 전달 방식에 따른 효과 차이가 많이 나기 때문이다. 본 연구진은 이러한 문제점들을 극복할 수 있는 방안들을 논의하던 중 자체 개발한 핵산 하이드로겔로 전령 RNA 및 단백질 발현을 극대화 시키게 되었다. 전령 RNA 기반 유전 치료법과 초융합하여 기존의 문제점들을 극복하고 있다.

□ 연구 전개 과정에 대한 소개

본 과제의 책임자인 성균관대학교 엄숭호 교수는 핵산 나노구조체 디자인과 생리학적 응용에 대한 연구를 진행해왔다. 관련 연구결과는 세계적인 권위지들(Nature 자매지들 포함)에 지속적으로 게재되는등 현재까지도 활발하게 이루어지고 있다. 특히, 신생체모사에 관심을 가지고 생체 내 다양한 기능성 물질들을 구현하는데 노력하고 있는데 이번 ‘인공 세포핵’ 제작은 이런 과정을 통해 얻게 된 아이디어 결과물들 중 하나이다.

□ 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소가 있었다면 무엇인지? 어떻게 극복(해결)하였는지?

지질막 내에서 핵산 하이드로겔 제작과 동시에 전령 RNA를 발현시킬 수 있도록 만들어야 했는데  준비과정 중에 생체 적합성이 낮은 유기용매를 사용하는 것이 전령 RNA 발현에 필수적인 효소들과 문제를 일으켰다. 여러 번의 시행착오를 겪으면서 일본 오사카 대학의 테츠야 요모 교수팀에서 발행한 논문에서 사용된 ‘에멀젼 이동 방식’에 대해 알게 되었다. 이를 통해 전령 RNA 합성 효소의 활성을 유지할 수 있었으며, 제안된 방법을 약간 수정하여 본 연구에서 적합한 인공 세포핵을 제작하는데 성공하였다.

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

기존 전령 RNA 전달 연구에서는 전령 RNA 자체를 합성하고 이를 효율적으로 전달하는 방식에 가장 큰 관심이 있었다. 본 연구에서는 ‘합성과 전달’의 순차적 공정을 배제하고 준비된 인공 세포핵 시스템을 대상 세포에 이입하여 내부에서 전령 RNA을 자체발현 시키는 것에 집중하였다. 시스템의 합성이 이루어진 이후에 별다른 전처리 단계 없이 직접 세포에 처리-전달할 수 있도록 하여 효율성을 극대화하였다. 이들 새로운 전령 RNA 전달 연구를 계속 발전시킨다면 한 단계 진일보한 첨단 유전 질환 치료가 가능할 것으로 기대된다.

□ 꼭 이루고 싶은 목표와, 향후 연구계획은?

본 연구에서는 유전적인 문제가 있는 인간 유래 유방암 세포를 대상으로 인공세포핵의 존재유무를 검증하는 연구를 진행하였다. 형광 유전자를 검증 모델로 사용하였다. 향후 실제 유전 질환과 직접관련되는 단백질 유전자를 이용한 연구를 통하여 실제 유전 질환 환자를 치료하고 싶다. 이를 실현시키기 위해서 삼성병원 공동연구진과 함께 관련연구를 노력 중에 있다.

□ 기타 특별한 에피소드가 있었다면?

본 연구결과를 Small지에 투고하고 약 3주 정도 시간이 지나고 리뷰어의 첫 번째 결정 답변을 받았다. 연구논문을 검토한 3명의 심판관들 중 한명이 유전자 염기서열 검증에 대한 정확한 용어 설명등이 부족하다는 조언을 주었다. 전령 RNA 전달 및 유전 질환 치료에 관련된 전문연구를 하면서도 핵산의 정확한 정의를 다시 한 번 공부해야 했다. 항상 새로운 것, 흥미로운 것들만 갈구하면서도 정작 가장 기본적인 것에 대해서 얼마나 확실하게 알고 있는지 반성할 수 있는 좋은 경험이 되었다. 연구논문 심판관의 질문에 성실히 대답하는 과정 중에서 연구논문이 더욱 내실 있어지는 것을 스스로 확인하며 연구의 바른 자세를 다시금 가질 수 있었다.

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