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mRNA 백신 작동원리 세계 최초 규명

- IBS RNA 연구단, mRNA 백신의 전달･분해를 제어하는 단백질군 발견

- mRNA 치료의 새로운 단초 마련, 사이언스(국제적 학술지 Science)誌 게재

새로운 치료 플랫폼으로 각광 받는 mRNA 백신을 더욱 효과적이고 안정적으로 개발할 수 있는 단초가 국내 연구진에 의하여 밝혀졌다.

* mRNA(messenger RiboNucleic Acid) : 전령 리보핵산, 단백질을 합성할 수 있는 DNA 유전정보를 세포질 안의 리보솜에 전달하는 역할 수행

기초과학연구원(IBS, 원장 노도영) RNA 연구단 김빛내리 단장(서울대 생명과학부 석좌교수) 연구진이 mRNA 백신의 세포 내 전달과 분해를 제어하는 단백질 군을 찾아내고 그 작동원리를 최초로 규명했다고 밝혔다.

이번 연구 결과는 세계 최고 권위 학술지 사이언스(Science, IF 44.7)에 4월 4일 온라인 게재되었다.

코로나19 백신으로 대표되는 mRNA 기반 기술은 감염병 대응뿐 아니라 암 백신, 면역 및 유전자 치료 등 다양한 활용이 가능하여 성장 잠재력이 매우 크다. 특히, mRNA 합성 기법과 체내 전달 물질인 지질나노입자* 개발을 통해 mRNA 기술은 혁신적인 치료 플랫폼으로 성장하였다.

* 지질나노입자 : mRNA를 보호하고 세포에 효율적으로 전달하는 나노크기의 지질기반 입자

그러나 치료용 RNA가 체내에서 어떻게 작동･조절되는지 구체적인 기작은 충분히 알려지지 않았다. 또한 코로나19 백신의 주역인 N1-메틸수도유리딘* 변형 염기는 mRNA 백신의 효능 혁신과 상용화를 이끌었지만 무엇이 효능을 높였는지, 원리가 무엇인지는 분명치 않았다.

* N1-메틸수도유리딘(N1-methyl-pseudouridine, m1Ψ) : 유라실 염기의 화학구조를 변형한 유기분자로 선천면역반응을 회피하는 특성 보유, 지질나노입자 함께 코로나19 백신의 핵심물질

이에 IBS 연구진은 mRNA를 제어하는 세포 내 인자들을 찾아내고자 유전자가위를 이용한 녹아웃 스크리닝을 면밀하게 진행했다.

mRNA 치료제의 효능을 높이고 부작용을 없애려면 mRNA가 세포로 유입･조절되는 인자와 활용되는 과정을 이해해야 가능하기 때문이다.

* 크리스퍼(CRISPR) 녹아웃 스크리닝: CRISPR 유전자가위를 이용해 유전자를 개별적으로 녹아웃(제거)한 후 특정 형질이나 세포 반응에 영향을 미치는 유전자를 분석하는 기술

- 이번 연구에서는 약 2만 개의 유전자를 포함한 CRISPR 라이브러리를 활용하여 mRNA 백신을 조절하는 세포 인자를 유전체 수준에서 스크리닝

그 결과 연구진은 발견①mRNA가 세포 내로 전달･유입되는 데 필요한 핵심 단백질 인자들과 조절 경로를 밝혀냈다.

구체적으로 살펴보면 우선, 세포막 표면에 있는 ‘황산 헤파란’ 분자는 mRNA를 감싼 지질나노입자와 결합해 세포 내 유입을 촉진한다. 이를 통해 지질나노입자는 세포내 소포체로 들어가게 된다.

* 황산 헤파란(Heparan sulfate, HSPG): 세포 표면에 존재하는 황산화된 당단백질, 병원체 감염과 나노입자의 세포 부착 등 외부 물질이 세포 내로 유입되는 데 중요한 매개체로 작용

그리고, 양성자 이온 펌프 ‘V-ATPase’는 소포체 내부를 산성화시키고 지질나노입자가 양전하를 띄도록 하여 소포체 막을 일시적으로 파열시키는데, 이 막이 깨지면서 mRNA가 세포질로 방출, 단백질로 발현할 수 있게 되는 것이다.

* V-ATPase(Vacuolar ATPase): V형 ATP 가수분해효소, 양성자 이온을 소포 내부로 펌핑･산성화시키며. pH를 조절하여 세포 신호 전달, 물질 수송 등 다양한 세포 과정을 지원

연구진은 발견②RNA 치료제에 대한 주요 억제 인자와 함께 외부 RNA의 침입을 경보하는 양성자 이온의 중요한 역할도 최초로 발견하였다.

세포질 내 ‘TRIM25’ 단백질이 mRNA를 침입자로 인식하고 제거한다. 이 단백질은 소포체 막이 파열되면서 방출되는 양성자 이온에 의해 활성화되며, 외인성 RNA에 특이적으로 표적･결합하여 다른 절단 효소 및 보조 단백질과 함께 RNA를 빠르게 절단하고 분해한다.

* TRIM25 : 바이러스 감염 등에 대한 선천성 반응을 조절하는 RNA 결합 단백질이자 연결효소

아울러, 연구진은 발견③mRNA를 결합･제거하는 TRIM25 단백질이 N1-메틸수도유리딘 변형 염기에는 그 결합력이 현저히 감소하여 mRNA를 절단･분해하지 못한다는 사실도 발견했다. 코로나19 mRNA 백신의 효능과 안정성을 향상시킬 수 있었던 요인과 원리를 이해하게 된 것이다.

노도영 원장은 “이번 연구는 mRNA 백신의 세포 내 작동 원리를 최초로 밝혀냄으로써 mRNA 치료제의 효능과 안정성을 한 단계 높여갈 이론적 토대가 마련됐다는데 큰 의미가 있다”고 밝혔다.

김빛내리 단장은 “양성자 이온이 면역 신호 전달 물질로 작용한다는 사실을 최초로 발견하고 외부 침입자에 대항하는 세포의 방어 기전에 대한 이해를 한층 넓혀 RNA뿐 아니라 면역, 세포신호 분야에도 새로운 연구 방향을 제시할 것으로 보인다”고 연구의 의의를 덧붙였다.

 [그림1] mRNA 백신의 세포 조절 경로를 탐구하기 위한 크리스퍼 녹아웃 스크리닝 전략

① 유전체 수준의 크리스퍼 녹아웃 스크리닝 라이브러리. 19,114개의 인간 유전자를 표적하는 개별 가이드 RNA(single guide RNA, sgRNA)로 구성돼 있다

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② mRNA 백신 개략도. 녹색 형광 단백질(GFP)을 암호화하는 mRNA를 합성하여 지질나노입자에 봉입한 후, 크리스퍼 라이브러리로 녹아웃된 세포에 전달했다. 일반 염기와 N1-메틸수도유리딘 변형 염기 mRNA를 각각 이용해 스크리닝을 진행했다.

③ GFP mRNA 전달 및 형광 분석. 녹아웃된 세포에 GFP mRNA를 전달한 뒤, GFP 형광이 높은 세포(GFPHigh)와 낮은 세포(GFPLow)를 분류했다. 이후 시퀀싱을 통해 각각의 세포에서 녹아웃된 개별 유전자를 밝혀냈다.

④ 스크리닝 결과 개략도. mRNA 백신의 전달 및 발현을 촉진하는 핵심 인자(황산 헤파란 합성 경로 및 V-ATPase 소단위체)와 억제 인자(TRIM25)를 규명했다. 특히, 변형 mRNA에서는 TRIM25가 관찰되지 않아, 변형 염기의 억제 회피 효과를 시사한다.

[그림2] mRNA 백신의 주요 세포 조절 경로와 N1-메틸수도유리딘 변형 염기 효과의 분자 기전

① mRNA 백신의 세포 전달 및 발현 조절. 세포막에 있는 황산 헤파란이 지질나노입자의 세포 내 유입을 촉진하며, V-ATPase 양성자 이온 펌프가 소포체 내부의 산성화와 소포체 막의 파열을 유도한다. 이를 통해 지질나노입자에 감싸진 mRNA가 단백질로 발현되기 위한 세포질 환경으로 방출될 수 있다.

② TRIM25에 의한 외인성 mRNA 억제. 소포체가 파열될 때 함께 방출된 양성자 이온에 의해 TRIM25가 활성화되어 외인성 RNA를 특이적으로 인지하고, 추가적인 인자들과 함께 신속한 RNA 분해를 유도한다. 이는 소포체를 통해 침입한 외부 물질에 대항하는 세포의 pH-의존적 방어 기전으로 작용한다.

③ N1-메틸수도유리딘 변형 염기의 효과. 변형 염기는 TRIM25의 RNA 결합력을 낮춰 TRIM25의 외래 물질 감시와 억제로부터 mRNA가 회피하도록 돕는다. 이를 통해 외인성 mRNA에서 발현되는 항원 단백질량을 증가시켜 mRNA 백신의 효능을 향상시킨다.

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