유전자 ‘정지 신호’를 우회한 engineered tRNA, 낭포성 섬유증 모델에서 CFTR 기능 회복

토론토대가 이끈 연구팀이 낭포성 섬유증의 한 원인인 **난센스 돌연변이(nonsense mutation)**를 우회하는 비바이러스성 RNA 전략을 개발했다. 난센스 돌연변이는 단백질을 만드는 유전 정보에 예정에 없던 ‘정지 신호’를 삽입해, 세포가 단백질을 끝까지 만들기 전에 번역을 멈추게 하는 오류다.

연구팀은 CFTR 유전자의 DNA를 직접 편집하는 대신, 이 잘못된 정지 신호를 읽고 넘어가도록 설계한 **억제 tRNA(suppressor tRNA·sup-tRNA)**를 세포에 전달했다. 그 결과 기관지 상피세포, 생쥐 모델, 환자 유래 낭포성 섬유증 오가노이드에서 전체 길이 CFTR 단백질 생산과 관련 채널 기능이 회복됐다. 다만 이번 결과는 전임상 연구에 해당하며, 사람에게 효과와 안전성이 입증된 치료법은 아니다. 1

CFTR 단백질이 중간에 끊기면 생기는 문제

난센스 돌연변이가 생기면 리보솜은 메신저 RNA의 지시를 따라 단백질을 만들다가 조기 종결 코돈에서 멈춘다. CFTR에서는 이로 인해 염소 이온 통로로 기능할 수 있는 온전한 단백질이 거의 만들어지지 않거나 전혀 만들어지지 않을 수 있다.

이 점은 현재 사용되는 낭포성 섬유증 치료제와 관련해 중요하다. CFTR 조절제는 세포가 만들어낸 CFTR의 접힘, 세포 내 이동, 채널 활성을 개선하는 약물이다. 하지만 조기 정지 신호 때문에 완전한 단백질 자체가 충분히 만들어지지 않는다면, 조절제만으로 문제를 완전히 보완하기 어렵다. 이번 연구는 따라서 CFTR 난센스 돌연변이를 가진 환자 가운데 기존 조절제에 충분히 반응하지 못할 수 있는 환자군을 겨냥한다. 12

난센스 돌연변이는 유전성 질환의 약 11%를 유발하는 것으로 추정된다. 동일한 유형의 번역 오류가 여러 유전자에서 나타나는 만큼, 안전한 ‘읽기 통과(readthrough)’ 기술은 낭포성 섬유증 외의 질환에도 적용될 가능성이 있다. 2

억제 tRNA는 어떻게 돌연변이를 우회하나

일반적인 tRNA는 단백질 합성 과정에서 메신저 RNA의 코돈을 인식하고 해당 아미노산을 리보솜에 전달한다. 연구팀은 CFTR 메신저 RNA에 생긴 조기 종결 코돈을 인식하도록 tRNA의 안티코돈을 설계했다.

이 억제 tRNA가 잘못된 정지 신호에 도달하면 종결 대신 아미노산을 삽입한다. 그러면 리보솜은 번역을 계속해 전체 길이 CFTR 단백질을 만들 수 있다. 즉 DNA 염기서열을 고치는 방식이 아니라, 단백질 생산 과정에서 잘못 삽입된 ‘정지 표지판’을 우회하는 접근이다. 14

이 RNA는 유전체를 영구적으로 바꾸는 것을 목표로 하지 않기 때문에 효과가 일시적이다. 임상 개발에 성공하더라도 반복 투여가 필요할 가능성이 크며, 실제 투여 간격은 체내에서 얼마나 오래 작용하는지와 반복 투여의 안전성에 따라 결정될 전망이다.

화학적 변형이 해결한 여러 병목

변형하지 않은 억제 tRNA는 여러 한계를 안고 있다. 세포 안에서 충분히 오래 안정적으로 남아야 하고, 올바른 아미노산이 결합해야 하며, 조기 종결 코돈을 효율적으로 통과해야 한다. 동시에 선천면역 반응을 과도하게 자극해서도 안 된다.

연구팀은 tRNA에 자연적으로 존재하는 화학적 변형을 특정 위치에 도입했다. 보고된 효과는 tRNA에 아미노산을 결합시키는 아미노아실화 효율 향상, 조기 종결 코돈 읽기 통과 효율 증가, 기능 지속 시간 연장, 선천면역 활성화 감소였다. 다만 공개된 자료는 해당 변형의 정확한 명칭을 밝히지 않았으므로 이를 슈도우리딘과 같은 특정 화합물로 단정해서는 안 된다. 158

이번 설계는 한 가지 문제만 해결한 것이 아니다. 정지 코돈을 통과하더라도 아미노산 결합이 잘 되지 않거나, RNA가 빠르게 분해되거나, 면역 반응을 강하게 일으키는 tRNA라면 치료제로서 가치가 제한적이기 때문이다.

왜 폐에 직접 흡입하는 방식인가

연구팀은 구조가 복잡한 tRNA 화물에 맞춰 지질나노입자(LNP) 제형도 별도로 설계했다. 여러 제형의 전달 성능을 비교한 뒤 선택한 입자를 흡입으로 투여해 RNA가 폐 조직과 기도 세포에 집중되도록 했다. 18

LNP는 치료용 RNA를 세포 안으로 운반하지만 바이러스 벡터를 사용하거나 교정된 유전자를 유전체에 영구적으로 삽입하지 않는 비바이러스성 전달 시스템이다. 앞선 연구에서도 LNP로 전달한 억제 tRNA가 생쥐 모델에서 난센스 돌연변이를 가진 단백질의 기능적 생산을 회복할 수 있다는 결과가 나와, 이번 연구의 화물 맞춤형·폐 표적 설계의 기반이 됐다. 4

세포·동물·환자 유래 모델에서 확인된 결과

화학적으로 변형한 sup-tRNA와 흡입형 LNP를 결합한 치료는 여러 실험 환경에서 CFTR 생산과 채널 기능을 회복시켰다.

• 사람 기관지 상피세포: 조기 종결 코돈의 읽기 통과를 유도해 전체 길이 CFTR 생산을 회복했다.
• 낭포성 섬유증 생쥐 모델: 흡입 투여 물질이 폐에 도달했고, 생쥐에서는 최대 약 40일간 지속되는 활성이 보고됐다. 이는 전임상 결과로, 사람에게 같은 지속 기간이 나타난다고 가정할 수는 없다. 16
• 환자 유래 오가노이드: CFTR 변이 4개를 가진 오가노이드에서 전체 길이 CFTR 생산이 회복됐다. 이 가운데 2개는 난센스 변이였다. 18

오가노이드 실험은 동시에 중요한 한계도 보여줬다. 새로 만들어진 CFTR은 최적의 접힘, 세포막으로의 이동, 채널 활성을 위해 엘렉사카프토르·테자카프토르·이바카프토르 조합인 Trikafta를 추가로 필요로 했다. 적어도 일부 변이에서는 치료 전략이 먼저 단백질 생산을 되살린 뒤, 구조와 기능을 조절하는 것이 될 가능성이 있다. 따라서 이 접근법이 CFTR 조절제를 완전히 대체한다고 보기는 어렵다. 13

다른 유전질환으로 확장할 수 있을까

이론적으로 억제 tRNA는 세 종류의 종결 코돈 각각을 인식하도록 설계할 수 있다. 이는 특정 유전자 하나가 아니라 ‘난센스 돌연변이’라는 변이 유형을 겨냥하는 플랫폼이 될 수 있다는 뜻이다.

그러나 적용이 자동으로 이뤄지는 것은 아니다. 단백질마다 특정 아미노산 치환을 얼마나 허용하는지가 다르고, 조기 정지 지점에서 되살린 단백질이 여전히 잘못 접히거나 안정화 약물을 필요로 할 수 있다. 전달 방식도 장기별로 달라진다. 폐 흡입에 최적화한 LNP가 간, 근육, 뇌, 신장에 그대로 효과적으로 도달한다고 볼 수 없으며, 각 장기에 맞는 나노입자와 투여 경로를 새로 개발해야 한다. 34

사람 대상 치료로 가기 전 남은 안전성 과제

임상 적용을 위해서는 다음과 같은 질문에 답해야 한다.

• 억제 tRNA가 정상적인 종결 코돈까지 의도치 않게 읽고 넘어가지는 않는가?
• 번역 과정의 변화로 유해한 오프타깃 단백질이나 잘못된 아미노산 치환이 생기지는 않는가?
• 반복 흡입 투여가 장기간 안전하고 효과적인가?
• 약물이 폐 전체에 얼마나 넓게 퍼지며, 얼마나 오래 작용하는가?
• LNP나 RNA가 염증 또는 다른 면역 반응을 유발하지 않는가?

외부 보도에서는 생쥐에서 용량에 따른 염증 가능성과 흡입형 LNP 접근법 전반의 호흡기 안전성 문제도 지적됐다. 따라서 임상적으로 확립된 치료로 평가되기 전까지는 이러한 위험을 면밀히 검증해야 한다. 613

이번 연구의 핵심 성과는 tRNA 화학과 장기 표적 전달을 결합했다는 데 있다. 연구팀은 읽기 통과 효율, 기능 지속성, 아미노산 결합, 내약성을 개선하는 동시에 흡입을 통해 화물을 폐로 보냈고, 그 결과 전임상 및 환자 유래 모델에서 의미 있는 CFTR 생산과 기능을 회복시켰다.

다음 단계는 이 효과가 사람에서도 안전하고 반복 가능하며 예측 가능한 방식으로 재현되는지 확인하는 것이다. 또한 CFTR 변이별로 Trikafta 같은 조절제 또는 다른 단백질 안정화 약물과의 병용이 필요한지도 추가로 밝혀야 한다.