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바이오의약품 생산에서 당사슬 제어의 중요성
분류 기술동향 > 종합
출처 한국분자세포생물학회 조회 8450
자료발간일 2011-07-15 등록일 2011-07-19
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바이오의약품 생산에서 당사슬 제어의 중요성

 

 

오두병  한국생명공학연구원


서론

 

최근 삼성이 앞으로의 먹거리를 창출할 신수종 사업으로 바이오의약품을 선택하고 송도에 제조공장을 짓기로 발표하면서 이에 대한 관심이 크게 증가하고 있다. 현재, 시장에 나와 있는 바이오의약품들은 대부분 재조합 단백질들로서 2013년 전 세계 시장 규모가 1,600억 달러를 넘어서며, 이중 70%인 약 130조원의 시장을 당사슬이 부착된 당단백질의약품이 차지할 것으로 예상 되고 있다. 이러한 고부가가치 당단백질 의약품으로는 치료용 항체,  조혈인자 (erythropoiet in; EPO), 인터페론, 과립구콜로니자극인자 (granulocyte-colony stimulating factor; G-CSF), 난포자극호르몬, 효소 치료제 등이 있다. 삼성은 초기 사업 모델로서 이러한 당단백질 의약품을 대신해서 생산해주는‘제조 대행 업체(contract manufacturing organization; CMO)’ 사업을 내세우고 있으며, 이후 바이오시밀러 생산을 통해서 경험을 쌓고 중장기 계획으로 바이오신약을 개발한다는 포석을 깔고 있다.

 

유전자 재조합 기술을 이용해서 목적 단백질을 생산하는 경우에 보통 해당 유전자를 인체가 아닌 미생물이나 식물 또는 동물세포 등에 도입하여 발현을 시키게 된다. 따라서, 유전자가 동일하다 하더라도 이를 발현하는 숙주가 다르면 생산되는 재조합 단백질은 인체에서 생산되는 단백질과‘번역후 수식 (post-translational modification; PTM)’ 에서 커다란 차이를 보일 수 있다. 특히, 당사슬이 부가되는 당질화(glycosylation) 반응은 대표적인 PTM으로서 생산 숙주별로 다양한 구조와 양상을 보이게 된다. 당단백질에 부착된 당사슬의 성분과 구조가 인체형과 다를 경우에 치료 효능이나 체내 지속성 및 조직 분포가 달라지며, 특히 인체에 반복해서 투여할 시에는 면역반응을 유발할 수 있다. 따라서, 현재 판매되고 있는 대부분의 의약용 당단백질들은 인간과 비슷한 당사슬이 부가되는 CHO (chinese hamster ovary) 세포 등의 동물세포에서 주로 발현되고 있다. 하지만, 이들 동물세포들도 인간에게는 존재하지 않는 구조의 당사슬들을 미량이지만 가지고 있다는 사실들이 밝혀지고 있다 (1, 2). 수많은 당단백질 의약품들의 FDA 승인으로 안전성과 효용성이 검증된 CHO 세포의 경우에도 인간에게 존재하지 않는시알산인 N-glycolylneuraminic acid (NGNA)를 부가할뿐만 아니라 (1), 최근에는 CHO 세포에서는 부가되지 않는다고 알려졌던 α -gal 항원도 극미량이긴 하지만 존재 한다는 게 알려져 우려를 주고 있다 (2). 따라서, 문제가 되는 당사슬들의 부가를 막기 위해서 CHO 세포의 당사슬 생합성 경로를 재설계하여 원하는 구조의 당사슬을 부가하기 위한연구들이 활발히 이루어지고 있다. 또한, 비인간형 당사슬이 부가되는 문제를 불식시키고자 아예 인간 유래의 세포들을 당단백질 의약품 생산용 세포주로 개발하는 연구들도 큰 주 목을 받고 있다 (3).

 

당단백질 의약품에 부착되어 있는 당사슬은 치료 효능, 체내 지속성, 타겟팅 및 면역반응 등에 있어서 중요한 역할을 수행하기에 품질을 결정하는 주요인자로 부각되고 있다. 그러나, 주형을 토대로 하여 복제되거나 합성되는 DNA, RNA 및 단백질들과 달리 당사슬은 여러 종류의 효소들이 순차적으로 작용하여 만들어 진다. 이러한 본질적인 특성 때문에 비균질한 당사슬들이 당단백질에 부착된다. 따라서, 당단백질 의약품을 생산할 때에는 배치 (batch)마다 당사슬들이 일정하게 부착되도록 품질을 관리하는 게 중요한 이슈가 되고 있다. 본 논단에서는 당단백질에 부착되는 당사슬의 생합성이 생산 숙주별로 어떻게 다른지를 알아보고, 당사슬이 사이토카인, 치료용 항체 및 효소 치료제와 같은 당단백질 의약품의 치료 효능과 체내 지속성 및 면역반응 등에 미치는 영향에 관해서 소개를 하고자 한다. 

 

진화에 따른 당사슬 생합성의 차이


단백질에 당사슬이 부가되는 반응에는 N-결합 혹은 O-결합 당질화 (N-l inked or O-l inked glycosylation)의 두가지 형태가 있다. 이 두 당질화 과정은 당사슬 합성 및 부가 메커니즘에서 차이가 있으며, 이 중 N-당질화의 기작과 역할이 보다 잘 알려져 있다. N-당질화를 통해서 부가되는 당사슬을 N-당사슬 (N-glycan)이라 부르며 소포체에서 시작된다. 소포체 막에 존재하는 돌리콜 피로인산 (dol ichol pyrophosphate, PP-Dol)에 ALG  (Asparagine-Linked Glycosylation)로 명명된 일련의 ALG 효소들이 N-아세틸 글루코사민 (N-acetylglucosamine, GlcNAc), 만노즈(mannose,  Man) ,  포도당  (glucose,  Glc)  등을 부가하여,  최종적으로 지질과 연결된 올리고당 ( l ipid-l inked ol igosacchar ide, LLO)  형태의 복합 당사슬인 Glc3Man9GlcNAc2 -PP-Dol을 합성하게 된다  (4) .  이렇게 합성된 LLO는 8개 이상의 subunit 으로 구성된 올리고당 전이효소(oligosaccharyltransferase)에 의해서 co-translational translocation 기작으로 리보좀에서 소포체로 직접 번역되어 나오는 N-x-S/T를 포함하는 펩타이드의 N-당질화 시퀀 (sequon)에 전달 된다 (4-5). 이렇게 단백질에 부착되어진 N-당사슬은 소포체 안에 존재하는 글루코시다아제  (α -glucosidase I, Gls1p ; α -glucosidase II, Glsp II)에 의해서 당사슬 맨 끝의 포도당부터 하나씩 제거된다. 두 번째와 세 번째 포도당이 좀 더 천천히 제거되면서 lectin chaperone인 calnexin/calreticul in의 도움으로 폴딩이 완성된다. 모든 포도당이 다 잘려나가면 단백질 폴딩이 완료된 것으로 인지하고 Man8GlcNAc2 당사슬이 부착된 형태로 골치체로 옮겨지게 된다 (6-7). 그런데, 소포체에서 골지체로 옮겨가기 전에 한번 더 당단백질의 폴딩을 검증하는 품질 관리 과정이 있다. 적절한 폴딩이 이루어져 있지 않으면, 포도당 한 분자를 다시 붙여서 calnexin/calreticulum cycle에 들어가도록 해서 폴딩을 완성할 수 있는 기회를 주는 과정을 반복한다.

 

상기에서 소개한 소포체에서 이루어지는 N-당사슬의 초기 생합성 과정은 진핵 미생물인 효모에서 고등생물인 동물에 이르기 까지 거의 동일한 과정으로 보존되어 있다 (8-9). 그러나, 골지체로 넘어간 당사슬은 각 종에 특이적으로 다양한 당사슬 수식 과정을 거치게 되며, 그 결과로 효모, 곤충, 식물 및 동물 등에서 완전히 다른 형태의 당사슬들이 만들어지게 된다 (그림 1). 그러나, 이렇게 다양한 당사슬들도 핵심부위는 공통적으로 가지고 있는데, 세 개의 만노즈와 두 개의 GlcNAc이 Asn의 질소에 연결된 구조로 trimannosyl core로 불린다. 이 trimannosyl core에 주로 만노즈가 연결된 형태를 고만노즈형 (high-mannose type)이라 부르며 효모와 곰팡이 등에서 많이 관찰된다. 전통 효모인Saccharomyces cerevisiae의 경우에는 골지체서 만노즈부가가 계속되어 수십여 개의 만노즈가 부가된 형태가 관찰 되기도 한다.

 

 

 

 

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