그림1. Central dogma (DNA→RNA→Protein)
Central dogma는 1958년 크릭이 주장한 가설로 DNA가 담고 있는 유전 정보가 생체 내에서 어떻게 전달되는지 분자 수준에서 밝히기 위해 제안되었습니다. Central dogma에 의하면 DNA의 유전정보는 RNA를 거쳐 단백질로 전달되며 반대 방향으로는 전달되지 않습니다. DNA에서 RNA로 유전정보가 전달되는 transcription(전사)와 RNA에서 단백질이 합성되는 translation(번역)의 과정을 거치게 됩니다.
RNA는 기능에 따라 3가지로 나누는데, 그 중 전사에 관여하는 RNA는 mRNA(messenger RNA)라고 부릅니다. 전사를 간단하게 요약하면 DNA에 적혀있는 유전정보를 mRNA로 옮기는 과정입니다. RNA 중합효소가 관여되며, RNA 중합효소가 DNA의 특정 부위에 붙으면 DNA 두 가닥이 벌어지고 사슬이 풀리게 됩니다. 이 때 RNA 중합효소가 이동하면서 DNA의 염기서열에 상보적으로 염기를 붙이며 mRNA를 생성합니다. 원핵세포의 경우 여기서 전사 과정이 마무리되지만 원핵 세포의 경우 여기서 만들어진 mRNA를 pre-mRNA라고 부르고, 추가적으로 중간에 끼어있는 인트론(intron)을 없애는 스플라이싱(splicing) 과정을 거치게 됩니다.
세포핵 속에서 만들어진 mRNA는 핵 밖으로 나와 리보솜으로 이동합니다. 리보솜에서 mRNA의 염기서열을 단백질의 아미노산 배열로 고쳐 쓰는 translation(번역)이 일어나게 됩니다. mRNA의 정보를 근거로 tRNA (transfer RNA)가 날라오는 아미노산들을 차례대로 연결시켜서 단백질을 합성합니다.
RNA 간섭(intereference, RNAi) 현상은 mRNA의 발현을 조절하는 기능을 수행합니다. microRNA (miRNA)와 small interfering RNA (siRNA)와 같은 두 가지의 작은 RNA 분자가 이러한 현상의 중심에 있습니다. miRNA와 siRNA는 다른 RNA에 결합하여 이들의 활성을 증가시키거나 감소시킬 수 있습니다. 대표적으로 mRNA가 단백질을 발현하는 것을 억제하는 것을 예시로 들 수 있습니다.
그림2. ASO 매커니즘 (좌), siRNA 매커니즘(우)
Antisense oligonucleotide (ASO)는 12~25개의 염기로 합성된 단일 가닥 핵산 중합체로 목표 mRNA에 특이적으로 결합해 단백질 발현을 조절합니다. 또한 ASO는 pre-mRNA에 결합하여 mRNA splicing에 영향을 줄 수 있습니다. ASO가 목표 mRNA에 상보결합을 하면 RNA를 가수 분해하는 Ribonuclease H (RNase H)가 활성화되어 mRNA를 분해하고 단백질 발현을 억제하게 됩니다(그림2).
Small interfering RNA (siRNA)는 ASO와 달리 23~25개의 염기로 구성된 double stranded RNA(dsRNA) 형태의 핵산 중합체입니다. siRNA는 sense 가닥과 antisense 가닥으로 구성되는데 이 중 antisense 가닥은 Argonaute (Argo) 단백질과 결합하여 RISC (RNA-induced silencing complex)를 구성하게 됩니다. 생성된 RISC는 목표 mRNA에 완전히 상보적으로 결합하여 mRNA를 절단하고 단백질 발현을 억제하게 됩니다(그림2).
ASO와 siRNA는 모두 mRNA를 목표로하여 단백질 발현을 억제하기 때문에 기존의 단백질을 직접적으로 목표로하는 약물로 치료 불가능했던 희귀 유전 질환이나 난치성 질환에 대한 대안으로 주목받고 있습니다. 그러나 RNA 치료제가 상용화되기 위해서는 넘어야할 난제들이 남아있다. 첫 번째로 ASO와 siRNA는 모두 25개 미만의 짧은 염기 서열로 구성되기 때문에 목표로 하지 않은 다른 mRNA와 결합하여 부작용을 일으킬 가능성이 있습니다(off-target issue). 이러한 off-target issue는 약물 발굴 단계에서 예측하기 어려워서 대부분의 RNA 치료제들이 FDA 임상에서 탈락하는 원인이 됩니다. 두 번째는 기존의 약물과는 다르게 mRNA를 목표로 하기 때문에 약물이 세포 내부로 안전하게 전달될 필요가 있습니다. 우리 몸안에는 RNA를 분해하는 분해효소들이 동작하고 있어서 RNA 치료제를 안정적으로 우리가 원하는 세포 내부로 전달해줄 수 있는 **전달체 시스템(Drug delivery system)**의 개발이 필요합니다.