RNA ? 내가 정말 모르고 살았구나.. NAT.. 뿌린놈..키운놈.. 먹는놈(1)

뿌린 놈(들)…

인생 살다보면… 씨 뿌리는 사람들 따로 있고, 키우는 사람, 추수하는 사람.. 그리고 먹는 사람들이 다른 것 같다. 억세게 운이 좋아 뿌리고, 키워 추수하고 먹기까지 다 하는 사람들이 간혹 있기는 하지만…

현재 핵산기반 치료제(NAT, Nucleic acid-based therapy) – 안티센트, siRNA, microRNA, 거기다가 요즘은 전통적인 gene therapy까지 포함시키기도 한다-라고 불리는 분야에서도 크게 다르지 않은 듯하다.

Slide1

앞으로의 이야기는 위의 그림을 따라 진행될 것이다.


 

이야기는 1970년대 후반으로 거슬러 올라간다.

1977년 10월에  미국PNAS (Proceedings of the National Academy of Sciences, 우리로 치면 학술원) 에 논문이 하나 발표된다.

Brandeis 대학교에 있는 Dr. Bruce Paterson이라는 사람이 제1저자로 되어 있고, 제목은 “Structural gene identification and mapping by DNA-mRNA bybrid-arrested cell-free translation” 으로 내용은 아래와 같다.

Cell-free translation system에다가 토끼의 베타 글로빈 단백질 만들도록 mRNA를 넣어준 후에 그 mRNA의 특정 서열과 상보적인 DNA 올리고머들을 넣어주었더니… “놀랍게도” 단백질 합성이 정지하더라는 것..

 

Screenshot 2014-08-15 at 07.46.31 오후

지금보면 “너무 당연한게 이런 좋은 학술지에 나오나 싶을 정도의 싱식적인 이야기” 이지만, 당시만 해도 DNA조각이 mRNA에 결합해서 단백질 합성을 멈추게 하는 사실 자체가 놀랍고 신기할 따름이었다.

그리고 약 1년 후 그 유명한 Dr. Paul Zamecnik (당시 하바드의대에 있었음. 그해 은퇴, tRNA를 발견한 사람…. 93세로 사망할 떄까지 연구소를 운영한 사람…이분의 부고 기사를 참고) 가 아래와 같은 제목의 논문을 낸다.

“Inhibition of Rous sarcoma virus replication and cell transformation by a specific oligodeoxynucleotide”

Screenshot 2014-08-15 at 08.05.33 오후

내용은 Bruce Paterson의 실험을 세포에서 한 것으로  “특정 DNA 올리고머를 처리했더니, 그 녀석이 세포로 들어가서 세포에서의 바이러스 증식을 억제하더라는 것이다. 이 DNA는 바이러스의 mRNA의 특정 부위에 상보적인 DNA이다.”는 것이다.

DNA 올리고머가 세포 안으로 들어가서 뭔가 단백질 합성을 억제한다는 놀라운 사실^^

하지만, 아쉽게도 1978년 이 연구논문은 Dr. Zamecnik 교수의 생각과는 달리 학계에 냉소적인 반응을 받으며 야심차게 주문했던 논문 리프린트는 그냥 책상위에 쌓여서… 노랗게 변할 떄까지 있었다고 한다.

Screenshot 2014-08-15 at 08.34.20 오후

1979년에는 당시 오레곤주립대학에 있던 James Summerton이라는 분이 아래와 같은 제목의 논문을 Journal of Theoretical Biology 5월호에 낸다.

Intracellular inactivation of specific nucleotide sequences: A general approach to the treatment of viral diseases and virally-mediated cancers

내용은 바이러스의 유전자에 상보적으로 결합하도록 만들어진 단일가닥의 핵산 조각에 바이러스 유전자와 비가역적으로 화학결합을 하도록 하는 물질을 달아서 세포내로 넣어주면 핵산조각이 바이러스 유전자와 결합한 후 비가역적 화학결합을 통해 바이러스 유전자를 망가 뜨릴 수 잇다는 것… 새로운 “놀라운” 항바이러스제가 될 수 있다.

^^^ 지금으로보면 ADC(Antibody-drug conjugate)와 같은 개념으로 antibody 대신 DNA oligo를 쓰는 것이라고나 할까….

James-Summerton

이 사람 (Dr. James Summerton) 이 1980년도에 회사를 차린다… 이름하여 AntiVirals Inc.. 아마 이회사가 antisense라는 개념을 사업화하기 위해 차려진 최초의 바이오벤처일 것 같다.

[이 회사는 1990년대 초에 전통적인 핵산이 아닌 새로운 구조의 핵산을 만드는데 그게 흔히 알려진  morpholino… 이 회사는 1997년도에  IPO를 하고 회사이름은 AVI BioPharma라고 바꾼다… 그리고 2012년 다시 이름을 Sarepta Therapeutics로 바꾸게 된다. 창업자였던  James Summerton은 1997년 AVI를 나와서 새롭게 만든 morpholino를 만들어주는 용역 회사 겸 공급회사인 Gene Tools, LLC라는 spin-off를 설립한다. 이게 왜 Sarepta가 다른 nucleic-acid based therapy (NAT) 회사들과 달리 morpholino를 사용하는 이유이다]

그 사이 Dr. Zamecnik이 제안한 antisense 개념을 적용하려다보니 자연적인  DNA나 RNA  구조는 핵산가수분해효소들에 노출되어 몸 안에서 금방 잘리는 문제점이 있어서 backbone이 phosphate를 phosphorothioate로 바꾸게 된다.

Dr. Stanley Crooke이라는 전직  Smith Kline and French (나중에 Beecham과 합쳐져서 SmithKline Beecham plc가 된다)의 전직 연구개발 사장이 회사를 나와서 이 새로운 phosphorothioate chemistry 이용하여 1989년 1월에 미국 서부의 Carlsbad (샌디에고 약간 북쪽)에  회사를 설립하니 그 회사가 말도많고 탈도 많은 ISIS 이다. 새로운 회사는 1991년도에 IPO를 하고, phosphorothioate에 기반한 다양한 화학들을 발전시키면서 명실상부하게 antisense와 거의 동의어가 되는 회사로 커간다.  현재도 Stanley 는 회사의 CEO로 있다. 자신이 벌여놓은 일 추스니느라 꼬박 25년을 보내고 있다.

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1989년  ISIS가 설립되자 Dr. Paul Zamecnic도  Hybridon이라는 회사를 1990년도에 설립한다.

[이 회사는 나중에 Idera라는 회사에 인수되면서 현재까지 오고 있다]

이렇게 해서 현재 사용되고 있는 NAT 관련 기술인 phosporothioate와 morpholino chemistry 의 등장이 완료된다

여기서 잠간 화학식을 좀 보자.

Screenshot 2014-08-15 at 06.32.06 오후

자연상태의 핵산은 Ribose 링을 (2번위치 탄소에 수소가 받어 있으면 DNA, OH가 붙어 있으면 RNA) 이용하는 구조이다. 그리고 핵산들간에 연결은 phosphate backbone을 유지하고 있다.

여기서 Phosphorothioate는 backbone의 구조를 바꾼 것이다.  위의 그림처럼, Phosphate에 붙어 있는 산소원자 하나를 인 (S, Sulphur)으로 바꾸는 것이다. 이렇게 되면 핵산가수분해효소에 의한 분해를 막을 수 있다.

여기에다 ISIS 는 ribose 링의 2번위체에 다양한 변화를 주어 1세대, 2세대, 3세대 등의 phosphorothioate 기술을 진화시킨다.

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물론, 여기에 하나 더한다면 Locked Nucleic Acid (LNA라고 간단히 부름) 기술이 저기 유럽 네덜란드에서 개발되고 있거 이 회사가 2003년도에 Santaris라는 회사로 전면에 등장하지만,  이건 좀 생략하고 보기로 하자.  [참고로 최근 Roche가 4.5억불에 Santaris를 인수했다는 소식이 지난주에 났다]

Morpholino 기술은 ribose오각고리를 사용하는 대신 morpholie 6각 구조를 사용하는 것이다. 그리고 Phosphate 구조에서 산소대신 amine을 사용한다. 굉장히 많은 변화이다. 이 morpholino기술은 결합력이 매우 강한 것으로 알려져 있다.

일단 여기까지가 Antisense의 초기 주인공들이 등장하게 되는 과정이다.

간추린다면 최초이 개념적 제시는 1977년도에 Bruce Paterson이 했지만 antisense의 아버지로 추앙받는 사람은 Dr. Paul Zamecnic이다. 그리고 Oregon의 James Summerton 그리고  industry추린 Stanley Crooke 이 등장함으로써 AVI(현재의 Sarepta), Hybridon 그리고  ISIS가 등장한다.

다음 편에서는 각각의 회사들이 어떻게 발전하고, 이러한 ASO chemistry들이 어떻게 siRNA 그리고 miRNA에 적용되는지를 이야기하겠다.

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