노벨 생리의학상으로 본 mRNA 백신의 원리

✔️ 안녕하세요 의약계열 학종 심화탐구의 교과서 메디컬저널입니다

2023 노벨 생리 의학상

오랜 시간이 지난 후에 그 업적을 재평가 받은 과학자들이 더러 있습니다. 유전 법칙을 밝혀낸 멘델이 그러한 경우에 해당하며 또한 너무나도 잘 알려진 지동설의 갈릴레이 역시 마찬가지입니다. 그러한 재평가의 사례가 바로 2023 노벨 생리의학상 수상자인 커리코와 와이스먼이라 할 수 있습니다.

사실 이들의 노벨상 수상 업적이 되는 핵심적 발견을 담은 논문은 지난 2005년에 발표된 것입니다. 해당 논문 마지막 부분의 "Insights gained from this study could give future directions into the design of therapeutic RNAs"(이번 연구를 통해 얻은 발견과 통찰은 미래 RNA 치료제 설계의 방향성을 제시할 것이다)라는 저자의 말은 코로나 팬데믹을 거치며 실현, 증명되었고 수많은 사람들의 생명을 구하는 동시에 노벨상 수상이라는 위대한 업적으로까지 이어졌습니다.

커리코가 유펜 medical school(의대)에서 mRNA 연구를 시작할 때 해당 분야는 이제 연구가 시작되는 단계였고, 이들의 연구는 당시에는 받아들이기 어려운 너무나 새롭고 급진적인 것이었습니다. 1990년대 당시 사람들은 mRNA가 치료제로 활용될 수 있다는 것을 아무도 믿지 않았기 때문에 커리코는 연구 자금 신청을 번번히 거절당하고 직위를 강등 당하기에 이르게 됩니다. 설상가상으로 암 진단까지 받았던 커리코는 연구를 포기하지 않았고 펜실베니아 대학에서 동료 와이스만과의 공동연구를 통해 미래에 수많은 생명을 살린 mRNA 백신의 가능성을 발견해 냈습니다.

역경과 고난에 굴하지 않고, 스스로의 신념을 믿고 굳건히 나아가는 것이 위대한 성과의 바탕이 된다는 영감을 주는 커리코의 스토리가 이번 콘텐츠를 작성하는 동기가 되었습니다. (탐구 동기 혹은 느낀점으로 작성하시길 바랍니다.)

※ 참고 : https://edition.cnn.com/2023/10/02/europe/nobel-prize-medicine-mrna-covid-vaccines-2023-intl-scn/index.html

수많은 생명을 구해낸, COVID-19 mRNA 백신

✔️ 지난 탐구에서 살펴본 것처럼, 어느 때보다 빠르게 개발되고 긴급 승인을 받아 사용된 COVID-19 백신은 코로나 팬데믹에서 수많은 사람들의 생명을 구해냈습니다.

❗️mRNA 방식의 백신 기술의 핵심은 ① mRNA therapy 기술(더 구체적으로는 mRNA 염기 변형)과, ② Lipid 기반 약물전달 기술(더 구체적으로는 LNP) 이며, 그 중 LNP 기술에 대해 지난 탐구에서 자세히 살펴보았습니다.

❗️지난번 주제였던 LNP 기술은, mRNA 내용물의 효과적 전달을 위한 전달 기술이었다면, 이번 노벨 생리의학상 수상 업적은 그 내용물인 mRNA에 관한 것입니다. 위 링크를 통해 확인하실 수 있는 것처럼, 정확히 LNP(Lipid nano particle : 지질 나노입자) 기술은 아니지만 Lipid based drug delivery를 활용한 의약품은 COVID-19에도 승인을 받은 것이 있습니다. 반면, mRNA를 의약품으로 사용한 것은 COVID-19 백신이 최초입니다.

❗️mRNA란, 통합과학, 생명과학에서 배우는 것 처럼 DNA로부터 전사되어 만들어지는 외가닥의 RNA로서 리보솜에서 번역됨으로서 아미노산이 될 정보들을 코돈으로 암호화 하고 있습니다. 이때 코돈이란 RNA에 존재하는 3염기 조합이며, RNA에 존재하는 염기 종류 4가지는 A, G, C, U가 있음을 기억하고 있으실 것입니다.

⇢ 이러한 mRNA 방식을 활용하는 것의 장점은 설계도에 해당하는 유전 정보만으로 목적으로 하는 단백질을 만들어낼 수 있다는 것이며(세포가 mRNA로부터 번역 과정을 거쳐 단백질을 합성하므로, 우리가 직접 단백질을 합성할 필요가 없습니다)

이는 치료제의 설계를 빠르게 진행할 수 있게 하며 또한 변이 등에 유연하게 대처할 수 있도록 합니다(변이된 새로운 단백질을 합성하는 새로운 방식을 고안할 필요 없이, 변이 단백질의 유전자를 파악해 mRNA 염기(혹은 코돈)만 바꾸면 되므로). 이러한 mRNA 방식의 장점에 대해서는 위 링크에 보다 자세히 기술되어 있습니다.

mRNA 백신의 한계

✔️ 코로나 백신이 최초인 것 처럼, mRNA 백신 혹은 mRNA 치료제는 사실 우리에게 매우 생소한 방식입니다. 지난번 살펴본 LNP 기술은 4가지 구성 요소에 의해 mRNA의 전달 효율을 극대화하여 mRNA 백신을 가능케 한 핵심이 되지만, 사실 Lipid 기반 약물 전달 기술은 과거에도 존재 했음에도 코로나 이전에는 mRNA 방식의 백신, 치료제가 전무 하였던 것은 mRNA 자체가 가지는 명확한 한계 때문입니다.

✔️ 특히 커리코가 mRNA 연구를 시작하는 1990년대~2000년대초 당시 mRNA 방식의 치료제가 비현실적으로 받아들여졌던 것은 과학 기술이 현대에 비해 진전되지 못한 상태였다는 이유도 있지만 그보다도 mRNA 가지는 자체적 문제점들이 mRNA가 치료제로 사용될 것이라는 생각이 터무니 없는 것으로 받아들여지게 했던 핵심적 이유가 되었습니다.

① mRNA의 불안정성 (Problem in stability)

mRNA는 인체 내에서 다양한 효소들에 의해 분해될 수 있을 뿐만 아니라 마찬가지로 식세포 작용 등의 면역 반응에 의해서도 작용 하기 이전에 분해 되어버릴 수 있습니다. 이러한 문제점(불안정성)은 이전 탐구에서 다룬 LNP 기술에 의해 극복될 수 있습니다.

② 면역반응으로 인한 부작용 (Problem in safety)

코로나 백신을 접종한 사람들에게서 '사이토카인 폭풍'과 같은 부작용이 발생한 사례가 있습니다. 주사제의 형태로 인체에 주입되는 mRNA는 순환계를 통하여 우리 몸 전체로 분포될 수 있는데, 만약 우리 인체가 mRNA를 외부 물질로 인식하여 과도한 면역반응을 일으킨다면 이는 전신적인 강한 염증반응을 일으키게되고 경미하게는 고열, 근육통, 피로의 부작용을, 심각하게는 쇼크 등의 생명에 위협이 될 수 있는 부작용을 일으킬 수 있습니다. 이러한 mRNA 유발 면역반응은 LNP에 의해 mRNA를 포장하더라도 이러한 면역반응은 충분히 일어날 수 있다는 점에서, mRNA 방식 치료제의 아이디어는 그 안전성에 큰 결점을 가지고 있는 방식이었습니다.

Post-transcriptional modification, 염기의 변형

✔️ 우리가 통합과학, 생명과학2에서 배운 것처럼 전체 유전 정보는 DNA에 저장되어 있으며 필요에 따라 RNA로 전사되고 단백질로 번역되어 다양한 형질을 나타냅니다.

❗️우리는 DNA로부터 mRNA가 만들어 지는 과정이 한 단계로 간단히 일어나는 것으로 배우지만, 실제로 전사된 mRNA가 리보솜에서 번역을 거치기 전 까지는 다양한 과정을 거치게 되고 이러한 과정들을 Post-transcriptional modification(전사 후 변형) 이라 합니다.

⇢ 우선, 가장 잘 알려진 Post-transcriptional modification 과정은, RNA의 5' 말단 부위의 Capping과 3' 말단 부위의 poly A tail (말단 부위 염기를 AAAA... 식으로 만드는 것) 을 형성하는 것이 있습니다. 이처럼 양쪽 말단을 보호하는 것은 mRNA의 안정성을 증가시키는 동시에 전사된 mRNA가 번역 과정을 위해 리보솜이 위치하는 핵 바깥(세포질)으로 이동하도록 촉진시키며 또한 번역을 시작하는 과정에서 역할을 하게 됩니다.

⇢ 또 다른 전사 후 변형의 예시로는 '스플라이싱'과정이 있습니다. 스플라이싱이란, 전사 직후의 mRNA에서 번역 될 부위(exon)만을 남기고 번역되지 않을 부위(intron)을 잘라내는 과정을 의미합니다.

→ 위의 잘 알려진 전사 후 변형 외에도, RNA의 치료제 가능성 관점에서 더 중요성을 가지는 전사 후 RNA modification 방식이 존재합니다. 위의 그림에 나타난 것 처럼, DNA로부터 상보적으로 (A→U, G→C, C→G, T→A) 전사 된 염기는 이후 특정 효소에 의해 추가적 변형이 일어날 수 있습니다.

※ 배웠던 내용을 간단히 복습해보자면, 뉴클레오타이드(ex. UMP, AMP, GMP, TMP, CMP)란, 당+인산+염기가 결합한 구조로 핵산의 단위체가 되는 것입니다. 이때 만약 인산이 2개가 되면 UDP. ADP, GDP 등으로 불리며 인산이 3개(삼인산)이면 UTP, ATP, GTP 등으로 불립니다. 뉴클레오타이드에서 인산을 제외한 구조를 뉴클레오사이드라고 하는데, 그 예시로 유리딘(Uridine), 아데노신(Adenosine) 등이 있습니다. 마지막으로 염기 부위의 종류로 우리가 흔히 말하는 A(아데닌), G(구아닌), C(사이토신), T(티민), U(유라실)이 있습니다.

❗️ Uridine는 염기부의 화학적 변형에 의해 Pseudouridine(슈도유리딘, Ψ), s2U, m5U 으로 전환될 수 있으며 Cytidine은 m5C로, Adenosine은 m5A 로 전환될 수 있습니다. 이때 이러한 화학적 변화 중 가장 많은 비율을 차지하는 것이 바로 m으로 표현되는 methylation(메틸화)이며, m 뒤의 숫자는 메틸화 되는 위치를 의미합니다. 예를들어 m5U란, 염기 중 5번위치가 메틸화 된 Uridine을 의미합니다.

Suppression of RNA Recognition by Toll-like

Receptors: The Impact of Nucleoside Modification

and the Evolutionary Origin of RNA (논문 데이터 분석)

✔️ 그렇다면, 바로 위에서 살펴본 염기의 변형이 RNA 방식 치료제의 안전성 결함을 해결하는 것과 어떤 연관성이 있는 것일까요? 이는 2005년 퍼블리싱된 카리코와 와이스먼의 논문을 통해 자세히 살펴보도록 하겠습니다.