국내 연구진, 세계 최초로 mRNA 백신 작동 원리 규명

IBS 연구팀, 국제학술지 게재
세포막 표면 ‘황산 헤파란’ 분자
mRNA의 ‘지질나노입자’와 결합
세포 내로 외부 물질 유입 촉진… 암 예방-면역 치료 활용 등 기대

국내 연구진이 신종 코로나바이러스 감염증(코로나19) 사태 이후 1년여 만에 등장해 주목받은 메신저리보핵산(mRNA) 백신이 작동하는 원리를 세계 최초로 규명했다. mRNA 백신을 더욱 효과적이고 안정적으로 개발할 수 있는 단서를 제시한 셈이다.

과학기술정보통신부는 김빛내리 기초과학연구원(IBS) RNA연구단 단장(서울대 생명과학부 석좌교수·사진) 연구팀이 mRNA 백신의 세포 내 전달과 분해를 제어하는 단백질군을 찾아내 그 작동 원리를 규명하고 국제학술지 ‘사이언스’에 발표했다고 4일 밝혔다. 논문 제1저자는 김명환 RNA 연구단 연구원이다.

일종의 단백질 합성 설계도인 mRNA는 체내에서 단백질을 합성하는 유전물질이다. mRNA 백신은 병원체가 되는 항원 단백질을 직접 합성하는 설계도인 mRNA를 주입해 항원을 형성하고 면역반응을 유도하는 방식으로 작동한다. mRNA 백신은 감염병뿐 아니라 암 예방과 면역 및 유전자 치료 등에 활용 가능해 성장 잠재력이 크지만 체내에서 어떻게 작동하고 조절되는지 구체적인 원리가 충분히 확인되지 않았다.

연구팀은 ‘유전자 가위’로 알려진 크리스퍼(CRISPR-Cas) 분자복합체를 이용해 특정 유전자를 제거한 세포 2만여 개를 만든 뒤 mRNA를 제어하는 세포 내 인자를 찾아냈다. mRNA 백신을 맞으면 세포막 표면에 있는 분자 ‘황산 헤파란’과 mRNA를 감싼 지질나노입자가 결합해 mRNA가 세포 내에 유입되도록 촉진한다는 사실을 밝혀냈다. 황산화된 당단백질의 일종인 황산 헤파란은 외부 물질이 세포 내로 유입되는 데 중요한 매개체다.

이어 mRNA 지질나노입자는 세포 내 소포체로 쏙 들어간다. 이때 세포막에서 세포 안의 양성자를 퍼나르는 특정 양성자 이온 펌프가 작동하며 소포체 막을 일시적으로 파열시킨다. 그 순간 물꼬가 트이듯 mRNA가 세포질로 방출돼 단백질로 발현할 수 있게 되는 것이다.

나아가 연구팀은 세포질 내 ‘TRIM25’ 단백질이 외부에서 들어온 mRNA를 침입자로 인식하고 제거한다는 사실도 알아냈다. mRNA의 효능을 떨어뜨리는 주요 요인을 밝힌 셈이다. 구체적으로 TRIM25는 소포체 막이 파열되면서 방출되는 양성자 이온에 의해 활성화되고 외부 mRNA와 결합해 분해시켰다.

연구팀은 TRIM25 연구 결과를 통해 코로나19 mRNA 백신의 효능과 안정성을 향상시키는 원리를 파악하기도 했다. 코로나19 mRNA 백신의 핵심 물질은 ‘N1-메틸수도유리딘’ 변형 염기다. mRNA 염기 중 하나를 대체하는 N1-메틸수도유리딘은 신체가 갖고 있는 선천적인 면역 반응을 회피하는 특성이 있다. 연구팀은 mRNA를 공격하는 TRIM25 단백질이 N1-메틸수도유리딘 변형 염기 앞에서 결합력이 현저히 떨어지고 결국 mRNA를 절단하거나 분해하지 못한다는 점을 발견했다.

이채린 동아사이언스 기자 rini113@donga.com