바이오인

mRNA 생물학과 국내·외 연구 동향 및 시사점

한국생명공학연구원 면역치료제연구센터 김석민, Lingzu Kong, 김태돈

1. 개요와 현황

RNA는 핵산의 일종으로 염기와 오탄당의 리보오스 그리고 인산기로 구성된 뉴클레오타이드가 연결된 폴리머구조로 이루어져 있으며 유전자 발현 및 조절, 세포 신호 인식 및 전달 등 다양한 생명현상에 작용한다. 세포 내 존재하는 RNA에는 DNA로부터 단백질을 합성할 수 있는 유전정보를 전달받은 번역 RNA(coding RNA, cRNA)와 유전정보를 담고 있지 않아 단백질로 합성되지 않는 비번역 RNA(non-coding RNA, ncRNA)로 나눌 수 있다. 번역 RNA의 대부분은 전령 RNA(messenger RNA, mRNA)이며, 비번역 RNA에는 대표적으로 단백질 합성에 필요한 아미노산 (amino acid)을 전달하는 전달 RNA(transfer RNA, tRNA)와 단백질 합성에 작용하는 리보솜 RNA(ribosomal RNA, rRNA) 등이 있다.

DNA가 가지고 있는 유전정보는 전사(transcription)과정을 통해 mRNA 에 상보적으로 전달되며, 단백질의 구성요소인 아미노산을 전달하는 tRNA와 리보솜 단백질(ribosomal protein)과 rRNA로 구성된 단백질 합성 창고인 리보솜(ribosom)에서 번역(translation)과정을 통해 유전정보에 맞는 단백질이 합성된다. 이러한 과정을 통해 유전정보를 담고 있는 뉴클레오타이드가 세포내 모든 활동을 조절하는 단백질로 번역이 되는 것이다. mRNA를 구성하는 3개의 뉴클레오타이드 염기가 각각 하나의 아미노산으로 번역된다. 이러한 일련의 과정을 ‘유전자발현’이라고 한다.

mRNA는 유전정보를 담고 있어 우리가 필요한 단백질을 합성 할 수 있기 때문에 오래전부터 많은 과학자들은 mRNA가 유망한 치료도구가 될 수 있음을 예측하였다. 1990년대에 시험관 내 전사(in vitro transcription)를 통해 만들어진 mRNA가 실험용 쥐에서 안정적으로 단백질로 합성이 됨을 확인한 후1, mRNA 치료법의 가능성을 확인한 많은 연구자들은 mRNA의 불안정성과 생체 내 전달의 비효율성 등의 단점을 극복하기 위해 많은 투자와 연구개발에 매진하였다. 그 결과 최근 코로나19의 백신 물질로 plasmid DNA나 단백질, 생약독화 바이러스가 아닌 mRNA가 이용되는 쾌거를 이룰 수 있었다2,3. 세포내 유전자 발현의 매개체에서 나아가 바이러스 등의 감염성 질병과 여러 종류의 암에 대한 차세대 백신 플랫폼 (platform)으로 각광받고 있는 mRNA에 대해 알아보고자 한다.4

가. 생명 현상에서 mRNA는?

1. 분자생물학의 중심원리 (Central dogma)에서 mRNA의 역할

1953년 James Dewey Watson(왓슨)과 Francis Harry Compton Crick(크릭)이 DNA 이중나선 구조를 처음 밝혔으며5, 1958년 크릭이 분자생물학의 중심원리(Central dogma of molecular biology)를 제안하며 분자생물학의 거대한 혁명이 시작되었다6. 분자생물학의 중심원리에 따르면, 유전정보는 DNA에서 mRNA로 그리고 단백질로 전달되며, 단백질로 만들어진 정보는 다른 단백질로 또는 다시 핵산으로 전달 될 수 없다 라는 기본 의미를 담고 있다. 대부분의 세포에서는 DNA가 자신과 동일한 새로운 DNA를 생성하는 복제(replication), DNA에서 mRNA가 만들어지는 전사 (Transcription), 그리고 mRNA에서 단백질이 만들어지는 번역 (Translation)의 세 가지 전달 과정을 거친다. 이를 통해 유전정보의 전달 흐름을 알 수 있다.

RNA는 오탄당의 리오보스와 인산기, 그리고 4종류의 염기로 구성된 뉴클레오타이드의 연결체이며 RNA를 이루는 4종류의 염기는 아데닌 (Adenine), 구아닌(Guanine), 시토신(Cytosine), 유라실(Uracil)이지만 DNA의 경우 유라실(Uracil)이 아닌 티민(Thymine)이 존재한다. DNA로부터 유전정보를 전달받은 mRNA의 염기서열은 3개씩 짝을 이루어 하나의 아미노산을 암호화한다. 뉴클레오타이드의 염기는 총 4종류이므로 총 64개의 서로 다른 염기 서열을 통해 총 20개의 아미노산을 암호화 할 수 있다. 이러한 유전 부호(Genetic code)를 코돈(Codon)이라고 한다. mRNA의 코돈부위에 상보적으로 결합하여, 상응하는 아미노산을 전달하는 tRNA의 부분을 안티코돈 (Anticodon)이라고 한다. 단백질 합성이 일어나는 리보솜에서 mRNA의 코돈에 상보적으로 결합할 수 있는 안티코돈을 가진 tRNA를 만났을 경우, tRNA에 결합되어 있는 아미노산을 때내어 펩타이드 결합을 형성함으로써 단백질을 합성해나간다. 이런 방식을 통해 뉴클레오타이드로 이루어진 유전정보가 아미노산으로 이루어진 단백질로 번역이 된다.

이렇듯 DNA에 존재하는 유전정보만으로는 세포 반응에 필요한 단백질을 직접적으로 합성하지 못한다. DNA에 존재하는 유전정보는 mRNA로 전달되어야만 단백질로 번역이 가능하다. 따라서 유전자 발현과정에서 mRNA는 유전 정보 전달의 중간 매개체로써 필수적인 역할을 수행한다.

2. 진핵생물에서 mRNA의 전사(Transcription) 및 가공(Processing).

전사는 DNA에 존재하는 유전정보가 mRNA로 전달되는 과정을 일컫는다. 여러 종류의 전사인자들(Transcription factors)과 RNA 중합효소(RNA polymerase)에 의해 진행되면, 두 가닥의 DNA 사슬 중 한 가닥을 주형으로 하여 이에 상보적인 염기서열을 가진 mRNA가 만들어진다. DNA 이중나선을 풀고 전사에 관련된 인자들이 DNA에 붙어 전사가 본격적으로 시작하는 단계인 전사 개시(Initiation) 단계와 한 가닥의 DNA는 주형으로 mRNA가 만들어지는 전사 신장(Elongation) 단계, 마지막으로 DNA 주형 사슬 내의 특별한 염기 서열 부분인 종결 신호에 도달하게 되면 전사와 관련된 인자들이 DNA로부터 떨어져 나와 전사가 종료되는 전사 종결(Termination) 단계를 거친다. 이렇게 만들어진 mRNA는 아직 미완성의 전구체 mRNA (pre-mRNA)이므로 여러 가공과정(Processing)을 거쳐 단백질 합성에 사용 될 수 있는 성숙한 mRNA(Mature mRNA)가 된다.

pre-mRNA의 가공과정은 크게 5’ capping, splicing, 그리고 3’ 말단의 poly A 꼬리를 만드는 polyadenylation 과정이 있다7.

mRNA의 경우 전사과정에서 RNA 중합효소Ⅱ에 의해 대부분 일어난다. RNA 중합효소Ⅱ를 이용한 전사과정 중에 이러한 가공과정이 여러 가지 가공 인자들에 의해 동시에 수반된다. 5‘capping은 가공과정의 첫 번째 단계로 모자(cap)라고 부르는 7-methylguanosine이 pre-mRNA의 5’ 말단에 첨가되는 과정이다. 이는 mRNA가 분해 효소 등에 의해 분해되지 않도록 보호하는 역할과 번역과정에 필요한 인자들이 결합하여 번역을 시작 하게하는 번역 인자 결합부위로 작용한다.

다음은 pre-mRNA에 존재하는 인트론(intron)을 제거하는 단계인 splicing 단계이다. DNA에서 전사되어 나온 pre-mRNA에는 유전 정보가 저장되어 있는 엑손(exon) 부위와 유전 정보가 저장되어 있지 않은 인트론 부위로 이루어져 있다. 번역과정에서는 엑손과 인트론 부위를 구별할 수 없기 때문에 이 과정에서 인트론 부분을 제거하여 엑손부분만 존재하도록 하는 단계가 필요하다. 이 과정에서 인트론이 제대로 제거되지 않는다면 온전한 단백질이 합성되지 못한다.

마지막으로 3‘ end polyadenylation 단계는 pre-mRNA의 3’ 말단에 수십에서 수백개의 아데노신이 결합되는 과정을 말한다. 이 과정은 주형 가닥 없이도 pre-mRNA의 3‘말단에 아데노신 뉴클레오타이드를 연결 할 수 있는 특이적인 반응이다. 이러한 아데노신 사슬을 ‘poly A tail’ 이라 부르며 이 부위에 특이적으로 결합할 수 있는 단백질이 RNA 분해효소 등에 의해 mRNA가 분해되는 것을 막는 중요한 역할을 수행한다.....