mRNA 치료제의 기초
mRNA 치료제가 COVID-19 백신에 광범위하게 사용된 덕분에 인기를 끌고 있지만 mRNA가 좋은 치료제가 되는 정확한 이유는 무엇일까요? 그 질문에 답하기 위해 먼저 mRNA 분자의 기초에 대해 알아봅시다.
mRNA 구조 및 특징
Figure 1. mRNA 분자의 다이어그램
Figure 1에서 왼쪽에서 오른쪽으로 이동하면 모든 진핵생물 mRNA는 mRNA 분자의 5' 말단에 전사후 효소적으로 추가되는 7-methyl-guanosine cap으로 캡핑됩니다. RNA에서 5' Cap은 분자의 안정성과 번역 효율을 조절하는 데 필수적입니다. 이 추가는 RNA phosphatase인 N7-methyltransefase와 O-ribose methyltransferase를 포함한 일련의 효소에의해 완료됩니다. 이러한 일련의 복잡한 반응은 in vitro에서 재현하기 어렵지만, mRNA 기술의 새로운 발전으로 인해 이 반응은 이제 one-pot 반응으로 일어날 수 있습니다.
mRNA 분자의 다음으로 중요한 부분은 5' 및 3' 비번역 영역(UTR)입니다. 이 뉴클레오티드는 유전자에 암호화되어 있습니다. 그러나 이들은 리보솜에 의해 기능성 단백질로 번역되지 않습니다. mRNA의 이러한 부분은 microRNA와 같은 조절 요소의 표적 역할을 하며 번역 효율을 돕기 위해 2차 구조를 형성할 수 있습니다.
mRNA 분자의 실제 코딩 순서는 분자의 5'과 3' UTR 사이에 있으며 시작 코돈(AUG)으로 시작하여 종결 코돈(예: UGA)에서 번역 종료로 끝납니다. mRNA 분자는 아데닌, 구아닌, 사이토신 및 우라실로 구성되어 있습니다. 효과적인 mRNA 백신의 기본적인 측면 중 하나는 항원 특이적 면역 반응을 유도하는 동시에 비항원 특이적 면역 부작용을 완화하는 능력입니다. 선천적 면역 체계로 인해 우리 세포는 외부 mRNA를 인식할 수 있으며, 이로 인해 다양한 원치 않는 면역 부작용이 발생합니다.
외부 RNA의 원치 않는 부작용을 완화하는 방법 중 하나는 변형된 뉴클레오티드를 반응에 통합하는 것입니다. Figure 2에서 볼 수 있듯이 RNA 백신 접종에 사용되는 가장 일반적인 두 가지 변형 뉴클레오티드는 5-methylcytosine과 N1-methylpsuedouracil입니다. 이러한 뉴클레오티드는 적절한 Watson-Crick 염기쌍을 유지하면서 분자를 외부 물질로 인식하는 세포의 선천적 면역 능력을 변화시킵니다. 두 뉴클레오티드는 처음에 tRNA에서 발견되었지만 이후 mRNA 치료제에 포함시키기 위해 이용되었습니다.
Figure 2. mRNA 치료제에 포함된 표준 뉴클레오티드와 변형된 뉴클레오티드의 구조
지질 나노입자
mRNA 분자가 번역될 세포의 세포질로 효과적으로 전달되려면 mRNA 분자가 지질로 캡슐화되어야 합니다. mRNA는 너무 크고 극성이어서 지질막을 자유롭게 통과할 수 없기 때문입니다. 지질을 포함하는 에탄올 상과 mRNA 분자를 포함하는 수성 상을 빠르게 혼합하면 mRNA를 캡슐화한 작은(~100nm) 지질 나노입자(lipid nanoparticles (LNPs))가 형성됩니다. 이러한 LNP는 세포의 원형질막과 융합하여 mRNA를 세포질로 방출할 수 있습니다.
mRNA의 효과적인 치료 전달을 위해 LNP가 극복해야 하는 장애물은 엔도솜 포획입니다. 원형질막 지질 나노입자와의 융합 후에는 전형적으로 세포의 엔도솜 구획에 포함됩니다. mRNA가 엔도솜에 남아 있으면 번역되지 못하고 결국 분해됩니다. 엔도솜 포획은 이온화 가능한 지질의 pKa 값과 지질 꼬리의 제형을 최적화하여 극복할 수 있습니다
지질 나노입자를 구성하는 지질의 정확한 조성은 다양할 수 있으며 다른 시스템에 대해 실험적으로 개량될 수 있습니다. 대부분의 LNP 제형에 사용되는 지질의 두 가지 주요 유형은 양이온성 및 이온성입니다. 또한 콜레스테롤, 인지질 및 PEG를 포함한 다른 유형의 지질을 제제에 첨가하여 안정성과 생체 분포를 개선할 수 있습니다.
Figure 3. VectorBuilder에서 제조된 지질 나노입자의 투과전자현미경(TEM)
Conclusion
mRNA 설계 및 지질 나노입자 제형을 포함하여 mRNA 치료제의 효과에 영향을 미치는 다양한 요인이 있습니다. 각기 다른 mRNA 치료제에 대해 이러한 요소는 치료제의 최종 목표에 따라 최적화되어야 합니다. mRNA 치료제는 현재 바이러스 감염, 암, 대사 장애 및 다양한 유전 질환을 포함한 광범위한 질병을 예방하고 치료하기 위해 임상 시험이 진행되고 있습니다. mRNA 치료제 및 지질 나노입자 기술은 지난 50년 이상 연구되어 왔으며 최근에야 COVID-19 mRNA 백신의 승인으로 인간 치료제의 실행 가능한 옵션으로 부상했습니다.
mRNA 치료제의 미래는 밝습니다. 다음 mRNA 프로젝트에서 VectorBuilder와 협력할 수 있는 방법을 알아보려면 당사의 mRNA 유전자 전달 솔루션을 확인하십시오. Gene Delivery Solutions.
Sources
Qin, S., Tang, X., Chen, Y. et al. mRNA-based therapeutics: powerful and versatile tools to combat diseases. Sig Transduct Target Ther 7, 166 (2022). https://doi.org/10.1038/s41392-022-01007-w
Hou, X., Zaks, T., Langer, R. et al. Lipid nanoparticles for mRNA delivery. Nat Rev Mater 6, 1078–1094 (2021). https://doi.org/10.1038/s41578-021-00358-0