새로운 치료 플랫폼으로 주목받는 '메신저 리보핵산(mRNA 백신)'을 더욱 효과적이고, 안정적으로 개발할 수 있는 실마리가 국내 연구진에 의해 밝혀졌다.

과학기술정보통신부는 4일 김빛내리 서울대 생명과학부 교수이자 기초과학연구원(IBS) RNA 연구단장이 이끄는 연구진이 mRNA 백신의 세포 내 전달과 분해를 제어하는 단백질 군을 찾아내고, 그 작동원리를 세계 최초로 규명했다고 밝혔다.

연구 결과를 설명하는 김빛내리 기초과학연구원(IBS) RNA연구단장(서울대 생명과학부 교수). IBS 제공

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'mRNA(messenger RiboNucleic Acid)'는 글자 그대로 '전령 리보핵산'이다. 단백질을 합성할 수 있는 DNA 유전정보를 세포질 안의 리보솜에 전달하는 역할을 한다.

mRNA는 코로나-19 백신에 활용되면서 널리 알려졌다. 기존의 전통적 바이러스 백신처럼 인체에 약화한 바이러스를 주입해 항체를 생성하게 하지 않고, 코로나바이러스의 유전자 정보를 가진 mRNA 백신을 주입함으로써 인체에서 단백질을 생성하고, 이 단백질이 코로나 항체를 만들었다.

이를 통해 mRNA 기반 기술은 감염병 대응뿐 아니라 암 백신, 면역 및 유전자 치료 등 다양한 활용이 가능해 성장 잠재력이 매우 크다. 특히, mRNA 합성 기법과 mRNA를 보호하며 세포에 효율적으로 전달하는 물질인 '지질 나노입자' 개발을 통해 mRNA 기술은 혁신적인 치료 플랫폼으로 성장했다.

그러나 실제 mRNA 백신이 세포 내에서 단백질을 생성하기 위해 어떻게 작동·조절되는지, 세포의 방어 기전을 어떻게 회피하는지 등에 대해서는 충분히 알려지지 않았다.

이에 IBS 연구진은 mRNA를 제거하는 세포 내 인자들을 찾아내고자 유전자가위를 이용해 유전자를 개별적으로 제거한 후 특정 형질이나 세포 반응에 영향을 미치는 유전자를 분석하는 '크리스퍼 녹아웃 스크리닝' 기술을 면밀하게 진행했다.

연구진은 mRNA가 세포 안으로 전달·유입되는데 중요한 매개체인 '황산헤파란' 분자와 소포체 내부를 산성화시켜 소포체 막을 일시적으로 파열하게 만드는 양성자 이온 펌프 'V-ATPase'라는 효소 등 핵심 단백질 인자들의 역할과 조절 경로를 밝혀냈다.

TRIM25에 의한 RNA 억제 및 분해 기전. IBS 제공

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연구진은 또 RNA 치료제에 대한 주요 억제 인자와 함께 외부 RNA의 침입을 경보하는 양성자 이온의 중요한 역할도 최초로 발견했다.

세포질 내 'TRIM25' 단백질이 mRNA를 침입자로 인식하고 제거한다. 이 단백질은 소포체 막이 파열되면서 방출되는 양성자 이온에 의해 활성화되며, 외인성 RNA에 특이하게 표적·결합해 다른 절단 효소 및 보조 단백질과 함께 RNA를 빠르게 절단하고 분해한다.

아울러, 연구진은 mRNA를 결합·제거하는 TRIM25 단백질이 선천면역 반응을 회피하는 특성을 가진 코로나-19 백신의 핵심 물질인 'N1-메틸수도유리딘' 변형 염기에는 그 결합력이 현저히 감소해 mRNA를 절단·분해하지 못한다는 사실도 발견했다. 코로나-19 mRNA 백신의 효능과 안정성을 향상시킬 수 있었던 요인과 원리를 이해하게 된 것이다.

이번 연구 결과는 이날 세계 최고 권위 학술지 '사이언스(Science, IF 44.7)'에 온라인 게재됐다. 김명환 IBS RNA 연구단 연구원이 제1 저자로, 김 단장이 교신저자로 등록됐다. 논문 제목은 "Exogenous RNA surveillance by proton-sensing TRIM25(양성자 감지 기능을 가진 TRIM25에 의한 외인성 RNA 탐지)"다.

과기정통부 관계자는 "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.

김 단장은 "양성자 이온이 면역 신호 전달 물질로 작용한다는 사실을 최초로 발견하고, 외부 침입자에 대항하는 세포의 방어 기전에 대한 이해를 한층 넓혔다"면서 "RNA뿐 아니라 면역, 세포 신호 분야에도 새로운 연구 방향을 제시할 것"이라고 의의를 설명했다.

김종화 기자 justin@asiae.co.kr
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