- KAIST-가톨릭대, mRNA 의약품 성능 높이는 설계 기술 제시...바이오 빅데이터 기반 mRNA ‘5′ UTR’ 서열 설계 원리 제시 - 고령·비만 등 산화 스트레스가 높은 생체 환경에서도 치료 향상 확인 - 차세대 RNA 백신·치료제 개발의 핵심 플랫폼 기술로 활용 기대
가톨릭대학교 윤수빈 박사, KAIST 조형곤 박사과정, 가톨릭대학교 남재환 교수, KAIST 이영석 교수
코로나19 팬데믹 이후 mRNA 백신은 차세대 의약 기술로 주목받고 있다. mRNA 의약품은 세포가 특정 단백질을 만들도록 유전 정보를 전달해 치료 효과를 내는 방식이지만, 고령층이나 비만 환자에서는 효능이 떨어질 수 있다는 한계가 제기돼 왔다. 한국 연구진이 이러한 문제를 해결하기 위해 치료 단백질 생성 효율을 높이는 mRNA 핵심 구간을 새롭게 설계해, 노화·비만 환경에서도 효과가 유지되는 차세대 mRNA 플랫폼을 개발했다.
KAIST(총장 이광형)는 바이오및뇌공학과 이영석 교수와 가톨릭대학교(총장 최준규) 남재환 교수 공동연구팀이 mRNA의 핵심 조절 영역인 ‘5′ 비번역 영역(5′ untranslated region, 5′UTR)*’ 서열을 정밀 설계한 새로운 mRNA 플랫폼을 개발했다고 10일 밝혔다. *5′ 비번역 영역(5′UTR): mRNA에서 단백질 생산을 시작하고 효율을 조절하는 구간으로, 이 부분의 설계에 따라 단백질이 만들어지는 양과 속도가 달라질 수 있음
연구팀은 방대한 생물정보학 데이터를 분석해 다양한 세포 환경에서도 단백질이 더 효율적으로 만들어지도록 하는 5′UTR 서열을 찾아냈다. 이를 적용한 결과, 노화·비만 전임상 모델에서도 단백질 생성과 면역 반응이 크게 향상되는 것을 확인했다.
mRNA는 긴 단일 가닥 RNA 분자로, 우리 몸에 필요한 단백질을 만드는 생산 설계도이다. mRNA는 단백질 생산을 시작하고 속도를 조절하는 5′UTR, 특정 단백질 정보를 담고 있는 단백질 암호화 영역(coding sequence, CDS), mRNA가 세포 안에서 안정적으로 유지되도록 돕는 3′ 비번역 영역(3′UTR), 그리고 안정성을 높여 단백질 생산을 돕는 poly(A) 꼬리 등으로 구성된다.
이 가운데 5′UTR과 3′UTR은 단백질의 종류를 결정하는 부분은 아니지만, 단백질이 얼마나 효율적으로 만들어지는지를 조절하는 중요한 구간이다. 이러한 특징 때문에 이 두 영역들은 백신이나 치료제 등 다양한 mRNA 의약품의 성능을 높이기 위한 핵심 바이오공학 플랫폼 기술로 주목받고 있다.
연구팀은 여러 조직과 세포 환경에서 단백질 생산 능력이 뛰어난 5′UTR 서열을 찾기 위해 대규모 바이오 데이터를 통합 분석했다. 이 과정에서 유전자 활성도를 분석하는 대규모 조직 전사체 분석(RNA-seq), 개별 세포 수준의 유전자 발현을 확인하는 단일세포 전사체 분석(scRNA-seq), 실제 단백질 생성 효율을 측정하는 리보솜 프로파일링(Ribo-seq) 등 다양한 분석 기법을 활용했다.
연구진은 노화나 비만 상태에서는 세포가 스트레스를 많이 받아(산화 스트레스) 단백질을 만드는 능력이 떨어질 수 있다는 점에 주목했다. 이에 새롭게 설계한 mRNA 치료제를 노화·비만 전임상 모델에 적용한 결과, 세포에서 만들어지는 단백질의 생산력과 면역 반응이 기존보다 크게 향상되는 것을 확인했다. 이번 연구는 mRNA 백신뿐만 아니라, 유전자 치료제, 면역 치료제 등 다양한 바이오의약 기술 개발에도 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
KAIST 바이오및뇌공학과 이영석 교수는 “이번 연구는 방대한 생물 데이터를 분석해 mRNA가 단백질을 더 잘 만들도록 하는 설계 방법을 찾아낸 것”이라며 “이 기술은 특히 고령층이나 비만 환자처럼 의약품 효과가 떨어질 수 있는 환경에서도 mRNA 백신과 치료제가 잘 작동하도록 하는 데 중요한 기반이 될 것”이라고 밝혔다.
가톨릭대학교 윤수빈 박사와 KAIST 조형곤 박사과정생이 공동 제1저자로 참여한 이번 연구 결과는 유전자·세포 치료 분야의 세계적 학술지 ‘몰레큘러 테라피(Molecular Therapy, IF=12.0)’에 1월 2일 온라인 게재됐다. (논문명: Designing 5′UTR sequences improves the capacity of mRNA therapeutics in preclinical models of aging and obesity, DOI: https://doi.org/10.1016/j.ymthe.2025.12.060)
한편 이번 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단 우수신진연구 및 바이오의료개발사업, 식품의약품안전처 감염병 대응 혁신기술 지원연구, 한국보건산업진흥원 감염병 예방 치료 기술개발사업의 지원을 받아 수행됐다.
그림1. 생물정보학을 활용한 mRNA 의약품 설계 및 검증 모식도 [사진=KAIST]
연구 추가 설명
논문/저널/저자 Designing 5′ UTR sequences improves the capacity of mRNA therapeutics in preclinical models of aging and obesity (2026) Subin Yoon*, Hyeonggon Cho*, Jisun Lee, Sunghyun Ha, Suyeon Lee, Yu-Sun Lee, Youngran Cho, Dahyeon Ha, Ayoung Oh, Seonghyun Lee, Dahee Jeong, Jun Cho, Sang-In Park, Jae-Hwan Nam†, Young-suk Lee† *공동제1저자, †교신저자
연구내용 보충설명 ￭ 기존 mRNA 치료제의 5′ UTR 서열은 주로 문헌 기반으로 알려진 서열을 활용하거나, 단일 세포주에서 검증된 서열을 사용하고 있다. 그러나 세포 수준에서의 성능이 실제 치료 효능으로 이어지기 위해서는 동물 모델에서의 확장 검증이 필수이며, 동물 모델에서도 역시 투여 경로, 조직 환경, 생리 상태 등에 따라 mRNA의 작동성이 크게 달라질 수 있다. 그럼에도 불구하고 기존 동물 실험 검증 연구는 대부분 4–12주령의 젊은 마우스에 국한되어 수행되어 왔으며, 노화나 비만 등 다양한 생체 환경에서의 안정적 작동 여부는 충분히 검증되지 못했다. ￭ 본 연구는 이러한 한계를 극복하기 위해, 세포–동물 간 간극을 고려한 통합 데이터 분석을 기반으로, 범용적으로 적용 가능성이 높은 5′ UTR 후보군을 발굴및 서열 최적화하여 그 효능을 체계적으로 검증했다. 사람과 마우스 유래 RNA-seq, scRNA-seq, Ribo-seq, CLIP-seq 등 다양한 바이오 빅데이터를 통합 분석함으로써 종 및 모델 차이에 따른 편향을 최소화했으며, HeLa, Nor10, Hepa1-6, HEK293A 등 여러 세포 모델에서 작동성과 기전을 검증했다. 또한, 다양한 투여 경로를 적용하고, 노화 및 비만 등 서로 다른 전임상 모델에서 동물 실험을 수행하였다.
연구 이야기
[성과 차별점] ￭ 기존 5′ UTR 설계 연구는 발현 증가 자체에 주로 집중해 왔으며, 그 기전적 근거에 대한 분석은 제한적이었다. 이로 인해 해당 서열의 확장성, 범용성, 안정성은 명확히 규명되지 않았다. 본 연구는 다중오믹스 데이터 통합 분석과 세포 및 동물 실험을 통해, 새로 설계한 5′ UTR의 기능이 LARP1 및 LARP4과 같은 단백질 인자에 의해 조절되며, 산화스트레스 조건에 따라 반응성이 달라질 수 있음을 규명했다. ￭ 기존에 제안된 5′ UTR은 노화 또는 비만 동물 모델에서 효과가 감소하는 한계가 보고된 바 있다. 반면, 본 연구에서 새로 설계한 5′ UTR은 노화·비만 마우스 모델에서도 단백질 발현 효과가 오히려 향상되는 경향을 보였다. 이는 5′ UTR 최적화를 통해 고령층 및 비만 환자 등 다양한 환자 집단에서도 보다 안정적이고 효과적인 mRNA 치료제 및 백신 개발이 가능함을 시사한다.
[향후 연구계획] ￭ 본 연구는 새로 설계한 5′ UTR의 기능이 LARP1/LARP4 결합에 의해 향상됨을 확인했으나, 그 분자적 작용 메커니즘을 명확히 규명하지 못했다. 이에 본 연구진은 해당 기전을 단일 핵산 단위로 규명하고, 자체 개발한 RNA 구조 분석 기법을 접목해 5′ UTR 설계 기술을 고도화하고, 비만을 넘어 다양한 질환 환자를 위한 mRNA 플랫폼을 개발할 계획이다.
출처: [BRIC Bio통신원] 노화·비만에도 잘 작동하는 mRNA 플랫폼 개발, https://www.ibric.org/s.do?QgaLSWCXst
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