발명의 배경과 필요성

기술의 배경과 문제점

• 바이러스는 세포의 유전자 발현 기구를 가로채기 위해 다양한 기전을 진화시켜 왔으며, 이를 통해 RNA 생물학 및 생명 공학 발전에 큰 단서를 제공해왔습니다.

• 하지만 기존의 바이러스 유래 기능성 RNA 발굴 연구는 일부 병원성 바이러스에 국한되어 낮은 처리량(low-throughput)으로 진행되는 한계가 있었습니다.

• 현재 수많은 바이러스 게놈 서열이 데이터베이스에 축적되었으나, 임상적 또는 산업적 관련성이 없다는 이유로 대부분의 서열이 기능적으로 연구되지 않은 채 남아 있습니다.

• 이처럼 급증하는 바이러스 서열 데이터를 기능적으로 해석하고 활용하기 위한 효과적인 전략이 부족한 상황입니다.

기술의 필요성

• 방대한 바이러스 유전체 정보 속에 숨겨진, 유전자 발현을 조절하는 새로운 기능성 RNA 엘리먼트를 발굴할 필요성이 높습니다.

• RNA 안정성이나 단백질 번역 효율을 획기적으로 높일 수 있는 신규 조절 엘리먼트를 찾아낸다면, mRNA 백신, 유전자 치료제 등 다양한 바이오 의약품의 성능을 개선할 수 있습니다.

• 본 발명은 이러한 필요에 따라 대량의 바이러스 서열 데이터를 체계적으로 스크리닝하여, RNA 안정성 또는 mRNA 번역을 증가시키는 신규 조절 엘리먼트를 발굴하는 고효율 방법을 제공합니다.

구현 방법

기술의 원리

• 본 발명은 대량의 바이러스 유전체 서열 조각들을 리포터 유전자(예: 루시페라아제)의 3' 비번역 영역(UTR)에 삽입한 라이브러리를 제작하여 RNA 안정성 및 번역 효율을 동시에 스크리닝하는 것을 핵심 원리로 합니다.

• 스크리닝을 통해 발굴된 핵심 조절 엘리먼트 'K5'는 숙주 세포의 TENT4 단백질과 상호작용하여 mRNA의 폴리(A) 꼬리 길이를 늘리고 안정성을 높이는 '혼합 테일링(mixed tailing)'을 유도하여 단백질 발현을 증가시킵니다.

• 이 과정에서 이전에 알려지지 않았던 숙주 인자 'ZCCHC2'가 K5 엘리먼트와 TENT4 사이를 연결하는 핵심 어댑터 단백질로 작용함을 규명하였습니다.

구체적인 구현 방법

1. 바이러스 게놈을 일정 크기(예: 130nt)로 조각내는 '타일링(tiling)'을 통해 복수의 올리고뉴클레오티드를 제조합니다.

2. 각 올리고뉴클레오티드를 리포터 유전자의 3' UTR에 포함하는 벡터의 풀(pool)을 제조합니다.

3. 제조된 벡터 풀을 세포 내에 도입(형질감염)합니다.

4. 세포로부터 DNA와 RNA 또는 유리 mRNA와 무거운 폴리솜(Heavy polysome)을 분리하여 각 올리고뉴클레오티드별로 RNA 안정성(Log2(RNA/DNA))과 번역 효율(Log2(HP/유리 mRNA)) 값을 구합니다.

5. 미리 설정된 기준값(RNA 안정성 > 0.5, 번역 효율 > 0.2)을 초과하는 올리고뉴클레오티드를 최종 조절 엘리먼트로 선별합니다.

기술의 장점

• AAV 벡터에서 유전자 발현을 약 3배 향상시켜, 기존에 널리 사용되던 WPRE 엘리먼트(약 2배 증가)보다 뛰어난 성능을 보입니다.

• 합성 mRNA(IVT mRNA)에 적용 시 단백질 발현의 지속 시간을 획기적으로 늘려 mRNA 치료제 및 백신의 효능을 개선할 수 있습니다.

• 대량 처리(high-throughput) 스크리닝 방식을 통해 방대한 바이러스 유전체 정보로부터 유용한 조절 엘리먼트를 신속하고 효율적으로 발굴할 수 있습니다.

• 플라스미드, AAV, 렌티바이러스, 합성 mRNA 등 다양한 유전자 전달 플랫폼에서 일관된 활성을 보여 범용성이 매우 높습니다.

실험 및 결과

실험의 목적

본 연구의 목적은 인간을 감염시키는 광범위한 바이러스의 유전체 정보를 체계적으로 탐색하여, RNA의 안정성을 높이거나 단백질 번역 효율을 증진시키는 새로운 기능성 조절 RNA 엘리먼트를 대량으로 발굴하고 그 작용 기전을 규명하는 것입니다.

실험 방법 및 과정

1. 라이브러리 구축: 143종의 대표 인간 바이러스 유전체로부터 91,101개의 올리고뉴클레오티드 라이브러리를 설계 및 제작하여 루시페라아제 리포터 플라스미드의 3' UTR에 클로닝하였습니다.

2. 고효율 스크리닝: 구축된 플라스미드 풀을 인간 대장암 세포주(HCT116)에 형질감염시킨 후, 차세대 염기서열 분석(NGS)을 통해 RNA 안정성(RNA/DNA 비율 측정)과 번역 효율(폴리솜 프로파일링)을 동시에 분석했습니다.

3. 후보 엘리먼트 검증: 스크리닝에서 상위 활성을 보인 16개의 후보(K1-K16)를 개별적으로 클로닝하여 루시페라아제 발현 증가 효과를 검증했습니다.

4. 작용 기전 연구: 가장 강력한 활성을 보인 K5 엘리먼트를 중심으로 돌연변이 분석, 폴리(A) 테일 길이 분석(Hire-PAT, TAIL-seq), RNA-단백질 상호작용 분석(RaPID, Co-IP), 유전자 녹아웃 실험 등을 통해 상세한 작용 기전을 규명했습니다.

실험 결과

스크리닝을 통해 RNA 안정성을 높이는 245개, 번역을 증진시키는 535개의 신규 조절 엘리먼트를 발굴했습니다. 이 중 가장 강력한 후보 중 하나인 eK5는 기존 상용 엘리먼트인 WPRE보다 우수한 유전자 발현 향상 효과를 보였습니다.

주요 조절 엘리먼트의 유전자 발현 향상 효과 비교 (AAV 벡터)

활용 방안 및 기대효과

활용 방안

• mRNA 백신 및 치료제: 합성 mRNA의 3' UTR에 삽입하여 mRNA의 안정성과 단백질 생산량을 증대시켜 백신의 효능을 높이고 투여량을 줄일 수 있습니다.

• 유전자 치료제: AAV, 렌티바이러스 등 바이러스 벡터 기반 유전자 치료제에 적용하여 치료 단백질의 발현을 극대화하고 치료 효과를 향상시킬 수 있습니다.

• 단백질 의약품 생산: 동물세포 기반의 항체 및 재조합 단백질 의약품 생산 공정에서 발현 벡터에 적용하여 생산 수율을 높일 수 있습니다.

기대효과

• 기술적 파급효과: 지금까지 미개척 영역이었던 방대한 바이러스 유전체로부터 유용한 유전 자원을 발굴하는 새로운 패러다임을 제시합니다.

• 산업적 기대효과: 차세대 바이오 의약품인 mRNA 치료제 및 유전자 치료제의 기술적 한계를 극복하고, 효능과 가격 경쟁력을 확보하여 관련 산업의 성장을 견인할 수 있습니다.

• 경제적 기대효과: 고효율 유전자 발현 기술을 통해 바이오 의약품의 생산 비용을 절감하고, 국산 기술 기반의 혁신 신약 개발에 기여할 수 있습니다.

시장 동향

시장 규모 및 성장 전망

RNA 기반 치료제 시장은 매우 역동적으로 성장하고 있습니다. 글로벌 mRNA 백신 및 치료제 시장은 2024년 547억 달러에서 연평균 16.8% 성장하여 2029년에는 1,189억 달러에 이를 것으로 전망됩니다. 이러한 성장은 희귀 질환을 넘어 만성 질환, 암, 감염병 등 다양한 분야로 RNA 기술의 적용이 확대되고 있기 때문입니다.(출처)

주요 플레이어 및 경쟁 환경

mRNA 기술 시장은 COVID-19 팬데믹을 계기로 급성장했으며, 현재 모더나(Moderna)와 같은 선두 주자를 필두로 치열한 경쟁이 펼쳐지고 있습니다. 최근에는 기술력을 확보하기 위한 대형 제약사들의 적극적인 M&A 및 라이선스 계약이 활발하게 이루어지고 있으며, 이는 기술의 가치와 시장의 성장 가능성을 보여주는 중요한 지표입니다. 아래는 최근의 주요 기술 거래 사례입니다.

주요 mRNA 관련 기술 거래 사례

산업 동인 및 기회 요인

1. 지속적인 연구 개발 및 전략적 파트너십 확대: 기술 혁신을 가속화하고 새로운 치료 영역을 개척하기 위한 기업 간 협업과 투자가 활발히 이루어지고 있습니다.(출처)

2. 만성 및 감염성 질환의 증가: 기존 치료법으로 해결하기 어려운 질병에 대한 새로운 대안으로 RNA 기술이 주목받으며 관련 시장 수요가 증가하고 있습니다.(출처)

3. 기술 플랫폼의 발전: 자가 증폭 RNA, 원형 RNA, RNA 편집 등 차세대 기술의 발전이 RNA 치료제의 안정성과 효율성을 높이며 새로운 기회를 창출하고 있습니다.(출처)

4. 규제 승인 및 투자 증가: 코로나19 백신의 성공적인 상용화 이후 mRNA 기반 제품에 대한 규제 당국의 승인이 증가하고 있으며, 정부 및 민간 투자가 확대되고 있습니다.(출처)