바이오 빅데이터 분석으로 mRNA 핵심 조절 구간 ‘5′UTR’ 설계… 고령·비만 환경에서도 단백질 생성 효율 향상

코로나19 팬데믹 이후 mRNA 백신과 치료제는 차세대 의약 기술로 주목받고 있다. mRNA는 세포에 특정 단백질을 생산하도록 유전 정보를 전달하는 방식으로 작동하지만, 고령층이나 비만 환자에서는 치료 효능이 떨어질 수 있다는 한계가 지적돼 왔다. KAIST 바이오및뇌공학과 이영석 교수 연구팀은 가톨릭대학교 남재환 교수 연구팀과 공동으로 이러한 문제를 해결하기 위한 새로운 mRNA 플랫폼을 개발했다. 연구팀은 단백질 생성 효율을 조절하는 핵심 구간인 ‘5′ 비번역 영역(5′ untranslated region, 5′UTR)’을 정밀 설계해 다양한 생체 환경에서도 안정적으로 작동하는 mRNA 기술을 제시했다.

mRNA는 단백질 생산 설계도 역할을 하는 RNA 분자로, 단백질 생산을 시작하고 속도를 조절하는 5′UTR, 단백질 정보를 담은 코딩 영역(CDS), 안정성을 유지하는 3′UTR 등 여러 구성 요소로 이루어진다. 이 가운데 5′UTR과 3′UTR은 단백질의 종류를 결정하지는 않지만 단백질이 얼마나 효율적으로 만들어지는지를 조절하는 핵심 구간이다. 연구팀은 RNA-seq, 단일세포 전사체 분석(scRNA-seq), 리보솜 프로파일링(Ribo-seq) 등 다양한 생물정보학 데이터를 통합 분석해 다양한 세포 환경에서도 단백질 생산 효율이 높은 5′UTR 서열을 찾아냈다.

연구진은 특히 노화나 비만 상태에서 나타나는 ‘산화 스트레스’ 환경에 주목했다. 이러한 조건에서는 세포의 단백질 생성 능력이 떨어질 수 있어 기존 mRNA 치료제의 효과가 제한될 가능성이 제기돼 왔다. 새롭게 설계된 mRNA 플랫폼을 전임상 모델에 적용한 결과, 노화와 비만 상태에서도 단백질 생성량과 면역 반응이 기존 기술보다 크게 향상되는 것으로 나타났다. 이는 다양한 생체 환경에서 안정적으로 작동하는 mRNA 치료 기술의 가능성을 보여주는 결과다.

연구팀은 이번 연구가 mRNA 백신뿐 아니라 유전자 치료제와 면역 치료제 등 다양한 바이오의약 기술 개발에도 활용될 수 있을 것으로 보고 있다. 이번 연구에는 가톨릭대학교 윤수빈 박사와 KAIST 조형곤 박사과정생이 공동 제1저자로 참여했으며, 연구 결과는 유전자·세포 치료 분야 국제학술지 ‘몰레큘러 테라피(Molecular Therapy)’에 온라인 게재됐다.

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