DICER에 의한 dsRNA 가공의 서열 결정 인자 기술

발명의 배경과 필요성

기술의 배경과 문제점

• DICER는 이중가닥 RNA(dsRNA)를 절단하여 RNA 간섭(RNAi) 현상을 유도하는 핵심 효소입니다.

• 기존 모델에 따르면, DICER는 dsRNA의 말단에서부터 특정 길이를 재는 '분자 자(molecular ruler)'처럼 작동한다고 알려져 있었습니다.

• 하지만 이 모델은 DICER의 복잡한 가공 패턴을 완전히 설명하지 못했으며, dsRNA의 2차 구조 외에 어떤 인자가 기질 특이성에 영향을 미치는지에 대한 연구는 부족한 실정이었습니다.

기술의 필요성

• miRNA의 표적 특이성은 pre-miRNA 가공의 정밀도와 직결되므로, DICER의 절단 위치를 결정하는 정확한 메커니즘을 규명할 필요가 있었습니다.

• RNA 치료제 개발 등 작은 RNA의 생물학적, 치료적 활용을 위해서는 DICER에 의한 dsRNA 가공을 더 강력하고 정밀하게 제어할 수 있는 새로운 기술이 요구되었습니다.

구현 방법

기술의 원리

• 본 발명은 DICER가 dsRNA의 2차 구조뿐만 아니라, 특정 서열을 가진 3-bp 모티프를 인식하여 절단 위치와 효율을 결정한다는 사실을 최초로 규명했습니다.

• 이 특정 모티프는 'GYM 모티프'로 명명되었으며, 이는 3p 가닥의 절단 부위를 기준으로 특정 위치(-1, 0, +1)에 특정 염기(G, Y, M)가 존재할 때 DICER의 가공을 강력하게 촉진합니다.

• 각 모티프의 가공 효율은 'GYM 스코어'라는 정량적 지표로 평가하여, 가장 효율적인 서열 조합을 찾아냈습니다.

구체적인 구현 방법

1. 대상 dsRNA 분석: RNA 간섭능을 향상시키고자 하는 대상 dsRNA(야생형 또는 인공 서열) 내의 기존 DICER 절단 부위 모티프를 분석하고 GYM 스코어를 산출합니다.

2. 모티프 치환: 분석된 GYM 스코어보다 더 높은 스코어를 갖는 최적의 DICER 절단 부위 모티프(예: 5'-CGC-3'/5'-GCG-3')로 기존 서열을 치환합니다.

3. 동질적/선택적 가공 조절: 원하는 단일 RNA 생성을 위해서는 특정 위치의 GYM 스코어를 주변보다 월등히 높게 만들고(동질적 가공), 다양한 RNA 생성을 위해서는 주변 위치들의 GYM 스코어를 유사하게(8 미만 차이) 만들어(선택적 가공) 가공 방식을 조절할 수 있습니다.

기술의 장점

• RNA 간섭 효율 증대: 최적의 GYM 모티프를 적용하여 DICER에 의한 dsRNA 가공을 강력하게 촉진하고, 결과적으로 miRNA 및 siRNA 생성을 극대화하여 RNA 간섭 효율을 높입니다.

• 높은 범용성 및 적용 가능성: 본 기술은 DICER에 의한 기질 인식의 통합적이고 보존된 결정 인자로서, pre-miRNA, shRNA, DsiRNA 등 siRNA를 생성하는 모든 기술에 적용 가능합니다.

• 정밀한 가공 제어: GYM 스코어를 조절하여 dsRNA가 단일 종류의 RNA로 균일하게 가공되거나(동질적 가공), 여러 종류의 RNA로 다양하게 가공되도록(선택적 가공) 정밀하게 제어할 수 있습니다.

실험 및 결과

실험의 목적

본 연구는 기존의 '분자 자' 모델로는 설명되지 않던 DICER의 기질 특이성을 결정하는 새로운 서열 인자를 규명하는 것을 목표로 하였습니다. 특히, dsRNA의 특정 서열 모티프가 DICER의 절단 효율과 위치 선택에 미치는 영향을 정량적으로 분석하고자 하였습니다.

실험 방법 및 과정

1. 대규모 병렬 분석 수행: pre-let-7a-1과 pre-miR-374b라는 두 종류의 pre-miRNA를 기반으로, DICER와 상호작용할 것으로 예측되는 특정 영역의 서열을 무작위로 바꾼 수백만 개의 변이체를 합성했습니다.

2. DICER 반응 및 효율 측정: 합성된 변이체 풀을 정제된 인간 DICER 효소와 반응시킨 후, 절단되지 않고 남은 RNA를 시퀀싱하여 각 변이체의 가공 효율을 '절단 점수'로 정량화했습니다.

3. GYM 스코어 도출: 두 pre-miRNA 백본에서 얻은 절단 점수 데이터를 종합하고 정규화하여, 각 3-bp 모티프의 고유한 가공 촉진 능력을 나타내는 'GYM 스코어'를 개발했습니다.

실험 결과

실험 결과, 특정 3-bp 모티프들이 DICER에 의한 가공을 강력하게 촉진하는 것으로 나타났습니다. 아래 표는 상위 1%의 GYM 점수를 갖는 핵산 서열 쌍 중 일부를 나타냅니다.

DICER 절단 부위 모티프 실험 결과 요약 (상위 5개)

활용 방안 및 기대효과

활용 방안

• 고효율 RNA 치료제 개발: shRNA, DsiRNA 등 RNA 간섭 기반 유전자 치료제 설계 시 최적의 GYM 모티프를 도입하여 유전자 억제(knockdown) 효율을 극대화할 수 있습니다.

• 맞춤형 miRNA 설계: 질병 치료나 연구 목적으로 특정 miRNA를 생성하고자 할 때, GYM 스코어를 조절하여 원하는 isomiR(miRNA 이형체)이 정밀하고 균일하게 생성되도록 유도할 수 있습니다.

• 기초 생명과학 연구: 후생동물 전반에 걸쳐 보존된 GYM 모티프의 특성을 이용하여, 다양한 종에서 miRNA의 진화 과정과 기능 다양성을 연구하는 데 활용될 수 있습니다.

기대효과

• 기술적 파급효과: DICER의 기질 선택성에 대한 근본적인 이해를 제공하여, RNA 생물학 분야의 학문적 발전에 크게 기여할 수 있습니다.

• 경제적 파급효과: 보다 효과적이고 부작용이 적은 차세대 RNA 치료제 개발을 가능하게 하여, 관련 제약 및 바이오 산업의 성장을 견인하고 새로운 시장을 창출할 수 있습니다.

• 사회적 파급효과: 기존 치료법으로 접근하기 어려웠던 유전 질환 및 난치성 질환에 대한 새로운 치료 대안을 제시하여 국민 건강 증진에 이바지할 수 있습니다.

시장 동향

시장 규모 및 성장 전망

RNA 치료제 시장은 매우 빠른 속도로 성장하고 있습니다. 특히 본 기술과 직접적으로 관련된 안티센스 및 RNAi 치료제 시장은 2023년 44억 달러에서 연평균 18.2% 성장하여 2032년에는 197억 달러에 이를 것으로 전망됩니다.(출처) 이러한 성장은 감염성 질환, 유전 질환의 증가와 개인 맞춤형 치료에 대한 높은 수요에 기인합니다.

주요 플레이어 및 경쟁 환경

RNAi 치료제 분야는 Alnylam, Novartis, Novo Nordisk와 같은 글로벌 제약사들이 시장을 선도하고 있습니다. 2018년 Alnylam의 'ONPATTRO'가 최초의 RNAi 치료제로 FDA 승인을 받은 이후, 다양한 질환을 대상으로 하는 후속 치료제들이 지속적으로 출시되며 시장이 확대되고 있습니다.(출처) 다음은 상용화에 성공한 주요 RNAi 치료제 목록입니다.

산업 동인 및 기회 요인

1. Undruggable Target 공략 가능: RNA 간섭 기술은 기존 약물로 표적하기 어려웠던 질병 유발 단백질의 약 85%에 해당하는 'Undruggable Target'을 공략할 수 있는 새로운 해법을 제시합니다.(출처)

2. 신약 개발 기간 단축: RNA 기술은 표적 mRNA 서열만 알면 되므로 신약 후보물질 도출 기간이 3~5개월로 매우 짧아 개발 속도가 빠릅니다.(출처)

3. 전달 기술의 발전: 나노입자, 지질 기반 운반체 등 RNA를 표적 세포 및 조직에 효율적으로 전달하는 기술이 발전하면서 치료 효능이 높아지고 적용 가능한 질병 범위가 확대되고 있습니다.(출처)

4. 활발한 투자 및 M&A: 코로나19 mRNA 백신의 성공으로 RNA 기술에 대한 신뢰와 투자가 급증했으며, 글로벌 제약사들을 중심으로 수조 원 규모의 기술이전 및 M&A가 활발하게 이루어지고 있습니다.(출처)