김빛내리 연구팀, mRNA 반감기 7.6시간에서 23시간 연장

바이러스에서 찾은 짧은 RNA 서열이 선형 mRNA의 반감기를 7.6시간에서 23시간으로 늘렸다.

19일 국제 학술지 셀(Cell)에 따르면 기초과학연구원(IBS) RNA 연구센터 김빛내리 센터장 연구팀은 바이러스 RNA에서 선형 mRNA의 반감기를 7.6시간에서 23시간으로 늘린 요소들을 찾아 '테일론(tailon)'으로 명명했다.

mRNA는 세포를 일시적으로 단백질 생산 공장으로 바꾸는 유전자 설계도다. 다만 세포 안에서 빠르게 분해돼 단백질 생산 기간이 짧다는 한계가 있다.

바이러스도 숙주 세포에서 증식하려면 자신의 RNA를 오래 보호해야 하는 같은 문제를 안고 있다. 연구팀은 척추동물을 감염시키는 337종 바이러스의 게놈을 약 20만 개의 짧은 단편으로 쪼갠 뒤 각각의 mRNA 안정화 효과를 시험했다.

이 스크리닝에서 수백 개의 바이러스 RNA 단편이 유전자 발현을 높이는 것으로 확인됐다. 이 가운데 숙주 효소인 말단 뉴클레오티딜 전이효소 4(TENT4)에 의존하는 요소 23개가 특히 주목됐다.

이 23개 요소는 19개 바이러스 속에 분포하며 서열과 구조에 따라 여섯 유형으로 나뉘었다. TENT4는 '혼합 꼬리 연장'이라는 과정으로 mRNA 끝의 폴리(A) 꼬리를 늘려 분해를 늦춘다.

연구팀은 TENT4에 의존하지 않고 mRNA를 안정화하는 요소도 찾아냈다. 가장 강력한 것은 포타미피바이러스에서 유래한 Pt1이다.

Pt1은 세포핵에서 mRNA에 폴리(A) 꼬리를 붙이는 효소인 폴리(A) 중합효소 감마(PAPγ)와 알파(PAPα)를 세포질에서 직접 끌어다 쓴다. 이 효소들이 세포질에서도 전사 후 폴리(A) 꼬리를 연장할 수 있다는 사실은 기존에 알려지지 않았던 기능이다.

선형 mRNA에 Pt1을 추가하자 안정성은 원형 RNA와 비슷한 수준으로 올라갔다. 배양 세포에서 일반 선형 mRNA의 반감기는 약 7.6시간이었지만 Pt1을 넣은 선형 mRNA는 23.1시간으로 길어졌다. 원형 RNA의 반감기는 24.9시간이었다.

생쥐에 테일론을 포함한 선형 mRNA를 주사하자 2주 뒤에도 강한 단백질 신호가 관찰됐다. 테일론이 없는 대조 RNA의 신호는 첫날부터 거의 사라졌다.

추가 비교에서 테일론 선형 mRNA는 원형 RNA보다 많은 단백질을 만들었고 신호가 2주까지 이어졌다. 일반 선형 mRNA와 원형 RNA는 1~3일 만에 신호가 소멸했다.

앞서 연구팀은 네이처 바이오테크놀로지에 발표한 연구에서 Pt1과 A7 등 테일론을 넣은 선형 mRNA가 원형 RNA 수준의 안정성을 보이며 단백질 생산량을 약 9배 높였다고 보고한 바 있다. 이번에는 치료용 mRNA에 널리 쓰이는 변형 뉴클레오타이드인 N1-메틸슈도유리딘과 함께 사용해도 효과가 유지된다는 점을 확인했다.

테일론은 짧은 RNA 서열이라 기존 mRNA 설계에 간단히 통합할 수 있다. mRNA 수명을 늘리면서 단백질 생산량을 높이면 투여량을 줄여 용량 관련 부작용 위험을 낮출 수 있다. 이 기술은 백신을 넘어 암 면역치료와 단백질 대체 치료 등으로 mRNA 적용 범위를 넓힐 수 있다.

김빛내리 센터장은 “바이러스는 자신의 RNA를 보호하는 효율적이고 다양한 방식을 진화시켜 왔다”며 “이런 생존 전략을 체계적으로 찾아내 더 강력하고 오래가는 mRNA 기술의 기반을 마련했다”고 말했다.

이번 연구는 IBS RNA 연구센터가 10년 이상 이어온 RNA 안정성 조절 연구의 성과다. 김 센터장은 세포가 RNA 분자 말단을 변형해 유전자 발현을 조절하는 '비전형적 RNA 꼬리 연장' 경로를 발견한 공로로 최근 HFSP 나카소네상을 받았다.