RNA ? 내가 정말 모르고 살았구나.. NAT.. 뿌린놈..키운놈.. 먹는놈(4)

먹는 놈(들)…

오늘은 2000년대 이야기이다. 제목은 먹는 놈(들)이지만, 과연 NAT기술이  log phase(초기단계 혹은 정체단계) 단계에서  tipping point (전환점)를 지나서 본격적인 성장단계를 거치고 있는지는 사실 의문이다.

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아래의 그림을 보면 현재 나스닥 및 주요국가의 증권시장에 상장된 공개기업의 시가총액을 기준으로 한 NAT 회사들의 한 단면이다.

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상장되어 있는 NAT 회사들의 시가총액의 합은 $13.3 billion (한화 기준 약 14조원이다) ISIS가 설립된지 25년이 지났지만 아직도 가능성으로 남아 있다고 보아야 한다.

개별기업으로 보면 siRNA를 주로 하는 Alnylam 이 51억불로 가장 많고, 그 다음이 antisense를 주로 하는 ISIS가 42.5억불로 2위이다.  그 다음을 antisense를 이용한 exon-skipping을 주로 하는 Sarepta (원래는 AntiViral Ins –> AVI BioPharma –> 2012년 이름을 Sarepta로 바꿈)가 9.2억불,  siRNA(small interfering RNA)를 주로 하는 Arrowhead Reserch가 7.2억불로 그 뒤를 따르고 있다. miRNA(micro RNA)를 주로 하는 Regulus의 경우 작년에 성공적인 IPO를 하기는 했지만, 아직은 임상제품이 없는 점을 고려하면 3억불의 시가총액이면 준수하다고 봐야 한다.

기업의 역사들을 고려한다면 전통적인 antisense 회사들보다는 siRNA 회사들이 상대적으로 평가를 잘 받고 있다고 봐야겠다.

NAT분야 전체에서 허가를 받은 제품은 전통적인 antisense인 formiversen과 mipomersen 두가지로 모두 ISIS의 제품이다.  그 다음을 따른 것은 antisense이되 exon skipping 기작으로 작용하는 Prosensa의 drisapersen (MDM 치료제) 과 Sarepeta의 eteplirsen이 있다. 그 다음을 siRNA들이 따르고 있다.

여기서부터 키운놈들과는 다른 먹는 놈들 -최소한 먹기를 원하는 놈들-을 좀 보아야 겠다.


앞에서 설명한 phosphorothioate chemistry 나 Morpholino chemistry 등 핵산가수분해효소에 저항성이 있으면서 결합력이 개선되고, 또한 세포투과성이 개선된 변형된 핵산들을 사용하는 치료제들은 몇가지로 구분될 수 있다.  즉, 사용하는 chemistry에 따른 구분이 아닌, 세포내에서의 작용기전에 따른 구분이 몇가지가 된다.

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전통적인 antisense : 주로 phosphorothioate chemistry를 사용하면서 약물의 크기는 다양하지만 30 nt 이하이다. 보통 단일가닥 형태로 주사하게 되고, 그 작용기전은 염기서열이 상보적인 mRNA에 결합해서 DNA:RNA duplex를 형성하고, 이런 DNA:RNA publex만 인지해서 RNA만 자르는 Rnase H에 의해서 mRNA부분이 잘려나가게 유도하는 약물들이다. 개념상으로는 가장 원시적인(?)-초기에 제안된 작용기전의 약물로 현재 ISIS가 주도하면서  mipomersen이 두번째로 2013년도에 FDA 허가를 받았다.

Exon-skipping antisense : 전통적인 antisense가 가공이 끝난 mRNA에서 작용하는 반면 exon-skipping antisense는 splicing이 일어나기 전 상태인 pre-mRNA상의 특정 염기서열 부위에 결합해서 표적으로 하는 엑손이 splicing-in되지 않도록 함으로써 PTC(premature termination codon)을 건너뛰게 하거나 open reading frame (ORF)를 회복시켜주는 작용을 한다. 주로 유전성 희귀질환에 적용되고 있고 Prosensa와 Sarepta가 주도하고 있다. 참고로 Prosensa는 phosphorothioate chemistry를 Sarepta는 morpholino chemistry를 각각 사용한다.

siRNA: 약 21개 nucleotide 길이의 double-stranded RNA 변형체를 넣어주어 두가닥의 RNA 중 하나가 세포내의 RISC (RNA-induced silencing complex)에 결합하고, 이 siRISC -여기서 siRISC라고 하는 이유는 siRNA에 의한 RISC란 뜻으로 microRNA에 의한 RISC인 miRISC와 구분하기 위한 것- 가 siRNA염기서열과 정확하게 상보적인 염기서열을 가진 mRNA에 결합하게 한다… .이렇게 결합되면 siRISC는 해당 mRNA를 endonuclease activity를 이용해서 잘라버린다. 결국 표적으로 하는 mRNA를 줄여준다.

miRNA: microRNA를 이용한 치료제는 원하는 microRNA 혹은 표적으로하는 miRNA와 상보적인 anti-miRNA oligo를 세포내에 넣어줌으로써 약효작용을 낸다. miRNA가 RISC와 결합하고 그 길이가 21nt 전후인것은 siRNA와 동일하지만, siRNA는 특정 하나의 유전자를 표적으로 하고 (최소한 의도는), miRNA는 꽤 많은 유전자를 표적으로 한다 (이건 사람이 의도한게 아니고 microRNA의 기본적인 특징이다). 그래서 최근에는 microRNA가 특정 질환 혹은 상태와 관련이 되는 다양한 유전자의 번역(translation)을 동시에 조절해 준다는 측면에서 복잡한 복합유전자 관여 질환에는 더 적절하다는 평가와 함께 더 많은 주목을 받고 있는 것이 사실이다.

miRNA: 특정 miRNA를 넣어주면 RISC와 결합하여 miRISC를 형성하고, 보통 다수의 유전자의 mRNA의 3’UTR(untranslate region)에 결합함으로써 표적 mRNA의 단백질 생성을 저해한다.

anti-miRNA oligo: miRNA와 상보적인 서열을 가진 핵산으로 세포내에서 표적 miRNA가 RISC와 결합하는 것을 방해 함으로써 해당 miRNA가 단백질 생성을 억제하는  mRNA들이 방해받지 않고 단백질을 생산하도록 해준다.

위에서 알수 있듯이 siRNA나 miRNA는 모두 길이가 21nt  전후로, 세포 내로 주입이 되면 RISC라는 단백질복합체와 결합하여 작용을 한다.  이 부분에 대해서는 꽤나 복잡한 과학적인 이야기를 해야 한다. 바로 여기서부터가 진짜 RNA world가 열리는 시점이다.

[새로운 RNA world는 다음 글에서 주로 과학적인 측면에서 이야기를 하겠다]

여기서 각 접근방법에 따른 장단점을 좀 보겠다.

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4가지 전체에 적용되는 특징은 아래와 같다.

1) 높은 생산단가. phosphorothioate  이건 morpholino이건 아니면 locked nucleic acid이건 생산단가가 매우 높다… 보통 그램(gram)당 수천 $에서 수만 $ 한다. traditional antisense인 mipomersen(Kynamro)의 경우 주당 200mg이면 연간기준으로는 10 그램 정도를 소모하게 되는데 흔히말하는 원료의약품의 원가만 일만불 이상이 된다. 결국 업계 평균적인 원가구조를 대입하면 약가가 최소한 10만불이상이 되어야 한다는 것이다.

2)  표적 장기 분포율과 세포투과율 두가지 측면에서 아직도 제한적이다. 다양한 장기로의 분포가 아직도 제한적이고, 세포투과율이 아직도 아쉽다. [이점은 위의 투여량 200 mg이 인체 내 세포당 분자 몇개에 해당하는지를 계산해보면 알게된다.]

위의 공통적인 단점에 더해서 siRNA 는 세포투과율이 좀더 않좋기 때문에 delivery 가 더 큰 관건이 되고 있다.

Antisense, exon-skipping, 그리고 siRNA는 모두 특정 유전자 하나만을 조절하는 작용기전이다. 이에 비해서 micro RNA는 작으면 수가지 많으면 수백가지의 다른 유전자의 mRNA에 동시에 작용한다.  여기서 siRNA의 고민이 하나 있다. siRNA가 21 nt로 microRNA와 유사하고 RISC에 결합하기 때문에 원하지 않게 마치 microRNA처럼 작용을 해서 원하지 않는 표적유전자들의 mRNA에 대해서 작용을 하는 경우들이 있다.

결국 유전자 특이도라는 측면에서는 antisense 및 exon skipping이 훨씬 우수하다. 하지만, microRNA는 특정 질환 혹은 상태 관련 유전자들을 한꺼번에 조율된 형태(orchestrated manner)로 조절하기 때문에 좀더 조율도면서 광범위한 효과를 얻을 수 있다는 측면에서 장점이 있다. 중간에 낀 것이 siRNA라고 할 수 있겠다.


사실 NAT는 “mRNA 중간에 알박기를 해서 단백질 생산을 방해하겠다”는 아주 단순한 생각으로 시작했는데.. 연구를 해보니 이게 그렇게 간단하지 않다는 것을 알게 되었다. 그 과정에 micro RNA도, siRNA도 그리고 antisense-mediated exon skipping이라는 현상도 모두 알려지게 되었다.

 

지금 필자는 향후 NAT 관련하여 진정한 승자는 antisense-mediated exon skipping과 micro RNA가 좀더 많은 주목을 받으며 광범위한 응용분야를 가지지 않을까 생각한다. 단, 여기서도 NAT 분자의 기본적인 특성 떄문에 (최소한 현재까지는) 특정 장기 (간, 비장 등)에 많이 분포되고 – 거꾸로 말하면 다양한 장기에 분포되기 쉽지 않고- 또 세포투과율이 아직도 개선의 여지가 매우 많은 점…. 그리고 NAT의 생산원가가 상당히 높다는 것 등이 해결되어야 할 것 같다.

이러한 breakthrough는 생물학자들이 할게 아니고 새로운 형태의 화학분자를 만들어야 하는 화학자들 – 특히 유기화학자들의 역할일 것이라 생각한다.

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