신종 코로나바이러스 감염증(코로나19)을 일으키는 사스코로나바이러스-2(SARS-CoV-2)의 등장 이후 코로나19 관련 소식을 접할 때면 자주 볼 수 있는 용어가 RNA다. 사스코로나바이러스-2는 RNA를 유전자로 지닌 RNA 바이러스라느니, 코로나19 백신은 mRNA 백신이라느니, RNA는 불안정해 변이가 쉽다느니, 구체적인 배경설명 없이 RNA가 자주 등장한다. 그렇다면 도대체 RNA는 어떤 물질이며, DNA와는 무슨 차이가 있을까. 또 생명체에서 어떤 역할을 하고, 왜 불안정해 변이가 쉽게 일어날까?
#RNA와 DNA는 어떤 차이가 있을까 
RNA는 리보핵산(RiboNucleic Acid)의 약자로 DNA(디옥시리보핵산·deoxyribonucleic acid)와 함께 대표적 유전물질이다. 리보핵산은 리보오스(ribose)라고 불리는 당과 인산, 염기로 이루어진다. 반면 디옥시리보핵산은 리보오스가 아닌 디옥시리보오스(deoxyribose)라는 당을 지닌다. DNA는 개개인마다 고유의 유전 정보를 담고 있는 생명의 설계도다. 유전 정보는 우리 몸에 필요한 단백질을 적재적소에 만들기 위한 정보라고 할 수 있다. 단백질은 유전 정보를 실제 발현시키는 물질로 생리현상과 행동을 좌우하는 호르몬을 생성한다. 또한 우리 몸을 구성하는 물질이자 조절‧면역‧대사‧운동 등 생명체의 모든 특성을 결정한다. 단백질을 만드는 과정이 중요한 이유가 여기에 있다.
RNA는 유전 정보를 단백질이 생산되는 세포기관인 리보솜(ribosome)으로 가져가 단백질 생산을 돕는다. 쉽게 말해 단백질이라는 신제품을 만드는 설계자가 DNA라면 설계도를 단백질 생산 공장인 리보솜에 전달하는 역할을 맡는 전달자가 RNA다. 이렇게 유전 정보를 전달하는 매개체 역할을 하는 RNA를 전령(messenger)의 앞 글자를 따서 mRNA라고 부른다. 이밖에 운반자(transfer) 역할을 하는 tRNA, 유전 정보를 활용해 단백질을 만드는 rRNA 등이 있지만 일반적으로 RNA라고 하면 mRNA를 의미한다.
#불안정한 RNA, 백신·치료제 개발의 어려움 
화학 구조를 보면 RNA와 DNA는 매우 흡사하다. 둘을 비교하면 한 곳의 차이를 찾을 수 있는데, RNA의 당인 리보오스에 수산기(-OH)가 붙어있는 곳에, DNA의 당인 디옥시리보오스에는 수소(-H)가 붙어있다. 다시말해 DNA의 디옥시리보오스라는 명칭은 산소(oxy)가 빠졌다는 뜻의 디옥시(deoxy)가 리보오스 앞에 붙은 것이다.
이 지점에서 RNA와 DNA는 중요한 차이를 갖는다. RNA가 갖고 있는 리보오스의 수산기(-OH)는 화학 반응에 적극적이라는 특성이 있는 반면, DNA의 디옥시리보오스는 다른 원소와 잘 반응하지 않는다. 산소(O)가 있으면 불이 활활 잘 타듯이 반응성이 강한 산소를 뼈대에 가진 RNA는 불안정하고 돌연변이가 발생하기 쉽다. 불안정성은다양한 결과를 낳고 새로운 기능을 시험하는 데에는 유리하지만 유전정보를 안정적으로 보관하는 것에는 불리하다. 또한 쉽게 파괴되고 때로는 냉장 보관이 필요해 배송이나 장기간 보관하는 데 비용이 많이 든다. 반대로 산소를 제거한 DNA가 유전 정보의 안정적 보관에 적합하다. 또한 DNA의 경우 유전 정보를 저장하는 핵산이 두 가닥으로 이루어져 있어 RNA보다 더 안정적이다.
이 때문에 RNA 바이러스에서 돌연변이가 일어날 확률은 DNA 바이러스의 수십만 배 이상에 달한다. DNA 바이러스의 경우 백신이나 치료제 개발이 쉬운 편이지만, RNA 바이러스의 경우 백신·치료제 개발에 많은 시간이 걸리는 이유가 여기에 있다. DNA 바이러스에는 천연두, 수두, B형 간염 등이 있고, 코로나19를 비롯해 메르스(MERS·중동호흡기증후군), 사스(SARS), 에볼라, 구제역, 후천성면역결핍증(AIDS) 등이 RNA 바이러스에 속한다. RNA 바이러스인 에볼라의 경우 첫 발병 이후 무려 42년 만인 2019년에 백신이 개발되기도 했다.
#바이러스에서 RNA 안정화 단서를 찾다! 
코로나19 등장 이후 감염병 극복을 위한 바이러스 연구가 활발해지고 있다. 바이러스는 환경에 빠르게 적응하기 위해 다양한 생물학적 메커니즘을 진화시켜왔다. 이러한 바이러스에 대한 연구는 생명과학 발전에 크게 기여했다. 그러나 아직까지 바이러스 연구는 주로 의학적으로나 산업적으로 중요하다고 알려진 극소수의 바이러스에 제한돼있다. 바이러스는 헤아릴 수 없을 만큼 그 종류가 많기 때문에 바이러스를 이용해 DNA와 RNA에 관한 새로운 지식을 얻을 수 있다.
이런 가운데 국내 연구진이 바이러스에서 RNA 안정성과 단백질 생산을 증가시킬 수 있는 기술을 개발해 주목을 모은다. ‘2024년 국가연구개발(R&D) 우수성과 100선’에 선정된 이번 연구 성과는 코로나19 바이러스 종식에 크게 도움이 된 mRNA 백신 등 유전자 치료제 성능을 향상시키는데 활용할 수 있을 것으로 기대된다.
▶ 바이러스에서 찾은 RNA 안정화 기술 ◀
김빛내리 기초과학연구원(IBS) RNA 연구단장(서울대 생명과학부 석좌교수)이 이끄는 연구팀은 수백 종의 바이러스 RNA를 동시에 분석할 수 있는 대량 시퀀싱(유전체 정보를 파악하는 것) 기술을 이용해 바이러스의 RNA 안정성과 단백질 생산을 증가시키는 RNA 염기서열을 발견했다. ‘K5’로 명명한 이 서열을 활용하면 RNA 치료제의 성능을 크게 높일 수 있을 것으로 예상된다.
연구팀은 바이러스가 가지고 있는 RNA 안정화와 단백질 생산에 기여하는 조절 서열을 찾기 위해 모든 바이러스 RNA 서열 정보를 모았다. 그리고 모든 바이러스를 대표할 수 있도록 143종의 대표 바이러스 서열을 선별했다. 이후 같은 길이로 잘라 3만여 개의 절편을 만들고, 세포에 넣어 각각의 바이러스 서열들이 RNA 안정성과 단백질 생산을 증가시킬 수 있는지 분석했다.
#차세대 RNA 치료제 상용화 가능성 
연구팀은 이 스크리닝(선별 연구) 과정을 통해 RNA 안정화와 단백질생산을 증가시키는 조절 서열을 찾아내 RNA 안정화와 단백질 생산 모두에 기여하는 16개 서열의 명칭을 정했다. 그리고 그중 가장 효과가 뛰어난 서열을 찾아내 K5라고 명명하고 이 서열에 대해 상세히 분석했다. K5는 에이치바이러스(Aichivirus)의 3말단 쪽에 위치한 바이러스로 유전체로 단일가닥 RNA를 가진 바이러스다. 전 세계에 널리 퍼져있지만 그동안 약한 장염 정도만 일으키는 병원성을 가지고 있어 거의 연구가 되지 않았다.
연구팀은 K5라고 이름 붙인 서열을 통해 RNA 끝에 기다란 혼합 꼬리가 만들어지는 사실을 확인했다. 혼합 꼬리로 인해 분해 속도가 줄어 RNA가 몸속에 오래 남아 RNA 안정성이 높아진다. 연구팀은 실제 의약품 개발에도 K5 서열을 활용할 수 있는지 확인하기 위해mRNA 백신에 K5 서열을 추가하자 mRNA가 안정화되고 오랫동안 많은 양의단백질을 생산하는 것을 확인했다. 이는 K5 서열을 활용해RNA 치료제의 성능과 상용화 가능성을 높일 수 있음을 보여준다.
김빛나리 단장은 “K5 서열을 이용해 mRNA 백신과 유전자 치료제의안정성과 성능을 높일 수 있을 것”이라며 “이 기술은 항바이러스제와백신 개발 방법에 새로운 접근 방식을 제시해 RNA 기반의 정밀 의학 연구와 치료제 개발에 기여할 수 있는 중요한 과학적 성과로 평가될 수 있다”고 밝혔다. 김 단장은 “특히 mRNA 백신에 K5 서열을 삽입해 안정성을 높이고 단백질 생산량을 증대한 성과는 전염병 상황에서 백신 생산 효율성을 크게 개선할 수 있음을 시사한다”며 “유전자 치료제에 K5 서열을 적용해 전달 효과를 크게 높인 점은 유전자 치료의 적용 범위를 넓히고 다양한 질병 치료에 접근할 수 있는 기회를 제공한다”고 강조했다.
출처: [BRIC Bio통신원] [김연기 편집장의 사이언스토리] 바이러스에서 배운 RNA 안정화 기술, 백신의 미래를 바꾸다, https://www.ibric.org/s.do?EpcCBbnITZ | 
