차세대 유전자 침묵 치료, 'RNAi' 치료제 플랫폼에 대해

• 최병철 박사의 노벨드럭 인사이트
• 2000년대부터 siRNA 기반 RNA 간섭(RNAi) 치료제 개발 본격화
• 질병의 근원을 표적하는 질병 수정형 치료제로서 가능성 제시

핵산 치료제는 구성 성분에 따라 DNA 기반 약제와 RNA 기반 약제로 구분되며, RNA 기반 약제는 안티센스 올리고뉴클레오티드(antisense oligonucleotide, ASO), 유전자 발현을 억제하는 소형 간섭 RNA(small interfering RNA, siRNA), 마이크로RNA(miRNA), 메신저 RNA(mRNA), 그리고 아프타머(aptamer) 등이 있다.

이 중 siRNA는 합성된 이중가닥 RNA(double-stranded RNA, dsRNA)로서, 센스 가닥(sense strand)과 안티센스 가닥(antisense strand)으로 구성되며, 일반적으로 19~25 염기쌍의 길이를 가지고 있다. 이 중 안티센스 가닥은 RNA 유도 침묵 복합체(RNA-induced silencing complex, RISC) 내에서 특정 mRNA를 인식하고 절단하는 가이드 역할을 한다.

이러한 siRNA를 기반으로 하는 RNA 간섭(RNAi) 치료제의 개발은 2000년대 초반부터 본격적으로 시작되었으며, 약 20년에 걸친 기술 축적과 전달 플랫폼의 발전을 통해 상용화 단계에 도달하였다. 2018년, 트랜스사이레틴(transthyretin, TTR) 매개 가족성 아밀로이드 다발신경병증(hATTR) 치료제 파티시란(Patisiran)이 미국 FDA로부터 최초로 승인을 받으며 siRNA 기반 치료제의 상업화가 본격화되었다.

이후 다양한 GalNAc conjugate(갈낙 접합체) 기반의 siRNA 치료제들이 연이어 FDA 승인을 획득하였다. 주요 승인 약제로는 2019년 급성 간성 포르피린증(acute hepatic porphyria, AHP) 치료제 기보시란(Givosiran), 2020년 원발성 옥살산뇨증 1형(primary hyperoxaluria type 1, PH1) 치료제 루마시란(Lumasiran), 2021년 고지혈증 치료제 인클리시란(Inclisiran), 2022년 hATTR 치료제 브루시란(Vutrisiran)이 있다.

또한 2023년에는 PH1 치료제로 네도시란(Nedosiran), 2025년에는 A형 및 B형 혈우병 환자(항응고 인자 억제제 보유 여부와 무관)의 예방 치료제로 피투시란(Fitusiran)이 승인되었다.

이러한 siRNA 기반 RNA 간섭(RNAi) 치료제 플랫폼은 암, 바이러스 감염, 유전성 대사질환 등 다양한 질환의 병태생리를 직접 조절할 수 있는 차세대 정밀의학 전략으로 주목받고 있으며, 이는 단순한 유전자 발현 억제를 넘어, 특정 병인 단백질의 발현을 선택적으로 차단함으로써 질병의 근원을 표적하는 질병 수정형(disease-modifying) 치료제로서의 가능성을 제시하고 있다.

RNA(Ribonucleic acid, 리보핵산)는 무엇인가? 핵산은 생명체의 유전 정보를 저장하고 전달하는 데 핵심적인 역할을 하며, 그중 RNA는 진핵세포와 원핵세포 모두에서 유전자 발현 및 세포 내 조절 과정에 필수적인 고분자 생체분자로서, DNA와 함께 분자생물학의 센트랄 도그마(central dogma)를 구성하는 주요 요소이다.

RNA는 주로 DNA의 유전 정보를 단백질로 전달하는 전령(messenger)의 역할로 인식되어 왔으나, 다양한 연구 결과에 따라 RNA는 단순한 정보 매개체를 넘어 효소적 기능, 유전자 발현 조절, 구조적 지지, 면역 조절 인자 등 폭넓은 생물학적 기능을 수행하는 분자로 밝혀졌다. 이에 따라 RNA는 단백질과 동등하거나 그 이상으로 기능적 다양성을 지닌 핵심 생체분자로 평가되고 있다.

RNA는 리보오스를 포함한 단일가닥 핵산으로 구성되며, DNA와 달리 염기로 우라실(uracil)을 포함하고, 2′-탄소 위치에 하이드록시기(2′-OH group)를 갖는 리보오스를 지닌다. 이러한 구조적 특성은 RNA에 높은 구조적 유연성과 화학적 반응성을 부여하여, 다양한 입체 구조를 형성하고 특정 단백질이나 다른 핵산과 선택적으로 결합하며, 심지어 효소적 반응을 촉매할 수 있는 생화학적 기반이 된다.

실제로 RNA는 염기 서열에 의한 상보적 결합 외에도 루프(loop), 헤어핀(hairpin), 스템(stem), 벌지(bulge), 가상매듭(pseudoknot) 등 복잡한 이차 및 삼차 구조를 형성하며, 이를 통해 단백질-리간드 상호작용, 효소 활성, 핵-세포질 간 수송, 세포 내 위치 특이적 기능 수행 등에 관여한다.

RNA는 유전자 발현 조절, 세포분화, 세포주기, 세포사멸, 스트레스 반응, 면역 조절 등 거의 모든 생리적·병리적 현상에 직·간접적으로 관여하며, DNA로부터 유래된 정보를 전달하는 역할외에도 전사(transcription)와 번역(translation) 간의 연결을 매개하고 유전자 발현의 정밀한 조절자로 작용한다.

특히 진핵세포에서는 RNA가 전사 후 변형(post-transcriptional modification), 스플라이싱(splicing), RNA 편집(RNA editing), 핵-세포질 수송(nuclear export), 안정성 조절, 국소화(localization) 등 유전자 발현을 다양한 수준에서 정교하게 조절한다

하지먼 RNA의 기능 이상은 다양한 질환의 발병과 밀접하게 연관되어 있다. 즉 RNA의 안정성 혹은 조절 기전이 교란되면 특정 단백질의 비정상적 발현이 초래되며, 이는 암, 신경퇴행성 질환, 심혈관 질환, 자가면역 질환 등 다양한 병태생리적 상태를 유발하거나 악화시킬 수 있다.

최근 연구에 따르면 RNA의 구조적 변이, 염기서열 돌연변이, 또는 RNA-단백질 상호작용의 이상은 질환의 새로운 병인으로 부상하고 있으며, RNA 수준에서의 진단 및 치료 접근은 생명과학의 주요 연구 영역으로 부각되고 있다.

RNA에는 어떤 종류가 있는가? RNA는 그 기능에 따라 여러 유형으로 분류된다(Figure 1). 가장 기본인 형태는 전령 RNA(messenger RNA, mRNA)로, DNA의 유전 정보를 복사하여 리보솜으로 전달하며 단백질 합성에 직접 관여한다. 전이 RNA(transfer RNA, tRNA)는 아미노산을 리보솜으로 운반하는 역할을 하며, 리보솜 RNA(ribosomal RNA, rRNA)는 리보솜의 구조적 및 촉매적 핵심 요소로 기능한다.

이 외에도 최근에는 유전자 발현을 정밀하게 조절하는 비번역 RNA(non-coding RNA)들이 주목받고 있다. 예를 들어, 소간섭 RNA(small interfering RNA, siRNA), 마이크로 RNA(microRNA, miRNA), 긴 비암호화 RNA(long non-coding RNA, lncRNA) 등은 세포 내 유전자 조절 네트워크의 핵심 조절자로 작용한다.

1. mRNA(messenger RNA, 전령 RNA) mRNA가 전달하는 유전 정보는 염기의 종류, 배열, 그리고 길이에 의해 결정된다. DNA는 아데닌(A), 구아닌(G), 시토신(C), 티민(T)의 네 가지 염기로 구성되어 있는 반면, RNA는 티민 대신 우라실(U)을 포함한다. 유전 정보는 이러한 염기의 조합으로 구성되며, RNA 중 mRNA는 전사(transcription) 후 모든 처리가 완료된 형태로, 5′-cap 구조와 poly(A) tail(폴리 A 꼬리)을 갖추고 있으며, 스플라이싱(splicing)도 완료된 상태이다.

mRNA는 DNA의 유전 정보를 기반으로 리보솜에서 단백질을 합성할 때 번역 서열(translation sequence)로 작용하므로, 세포 내에서 mRNA의 발현 수준을 조절하는 것은 생명 현상을 통제하는 데 매우 중요하다.

성숙한 mRNA는 긴 poly(A) tail을 가지며, 이 아데닌 꼬리는 mRNA의 분해를 방지하고 안정적인 기능 수행을 돕는다. 그러나 시간이 지나면 탈아데닐화(deadenylation) 효소에 의해 이 꼬리는 점차 짧아지게 되고, 이는 mRNA 분해의 신호로 작용한다. 반면, mRNA의 말단에 혼합 꼬리(mixed tail)가 형성될 경우, 이는 아데닌 꼬리의 제거 과정을 방해하여 mRNA의 분해를 억제하고 안정성을 높이는 것으로 알려져 있다. 따라서 혼합 꼬리는 mRNA의 생존을 유지하는 데 중요한 조절 요소로 작용한다.

2. ncRNA(non-coding RNA, 비암호화 RNA) 센트럴 도그마에 따르면, 단백질을 암호화하지 않는 RNA는 비암호화 RNA(non-coding RNA, ncRNA)로 분류된다. 비록 ncRNA는 단백질을 직접 생성하지는 않지만, 전사 후 조절(post-transcriptional regulation) 및 후성유전학(epigenetic) 기전에 관여하는 중요한 조절자로 밝혀지고 있다.

ncRNA는 기능적 역할에 따라 크게 하우스키핑 비암호화 RNA(housekeeping ncRNA)와 조절 비암호화 RNA(regulatory ncRNA)로 나뉘며, 그 길이에 따라 다시 분류된다. 일반적으로 200개 이하의 뉴클레오타이드(nucleotide)로 구성된 경우를 작은 ncRNA(small ncRNA 또는 short/medium ncRNA)라 하고, 200개 이상의 뉴클레오타이드를 포함할 경우 긴 ncRNA(long non-coding RNA, lncRNA)로 분류된다. 이들은 기능, 전사 후 가공, 상호작용 양상 등에 따라 더욱 세분화된다.

1) Housekeeping ncRNA(하우스키핑 비암호화 RNA) ① tRNA(transfer RNA, 운반 RNA) tRNA는 단백질 합성 과정에서 mRNA의 코돈(codon)에 상보적으로 결합하는 안티코돈(anticodon)을 가지고 있으며, 해당 코돈에 대응하는 아미노산을 리보솜으로 운반하는 역할을 한다. 즉, mRNA의 코돈을 해독하여 해당 아미노산을 정확히 리보솜에 전달하고, 폴리펩타이드 사슬의 신장(elongation) 과정에 기여함으로써 단백질 합성의 핵심 요소로 작용한다.

tRNA는 전사된 직후 바로 기능하는 것이 아니라 pre-tRNA라는 전구체 형태로 먼저 생성된다. 이 pre-tRNA는 5′ 말단과 3′ 말단에 불필요한 염기 서열을 포함하며, 일부는 안티코돈 고리(anticodon loop)에 인트론(intron)을 포함하기도 한다. 성숙한 tRNA는 이러한 전사 후 가공 과정을 통해 구조적으로 안정화되고 생물학적 활성을 갖춘다.

② rRNA(ribosomal RNA, 리보솜 RNA) rRNA는 리보솜의 핵심 구성 요소로, 다양한 리보솜 단백질과 결합하여 기능적 리보솜 복합체를 형성한다. 리보솜은 세포 내 단백질 생합성의 중심 기구이며, rRNA는 전체 세포 내 RNA의 약 80%를 차지할 정도로 풍부하게 존재한다.

rRNA는 단순한 구조적 지지체에 그치지 않고, 촉매적 기능까지 수행한다. 특히, 리보솜의 대단위 서브유닛(large subunit)에 존재하는 rRNA는 펩티딜전이효소(peptidyl transferase)로 작용하여 아미노산 사이의 펩타이드 결합 형성을 촉진한다. 이는 RNA 자체가 효소 활성을 수행하는 대표적 예로, rRNA가 리보자임(ribozyme)으로 기능함을 보여준다.

2) Regulatory ncRNA(조절 비암호화 RNA) 인간 유전체는 약 30억 개의 염기쌍(base pairs)으로 구성되어 있으나, 이 중 약 1% 정도만이 단백질을 암호화하는 유전자로 기능하는 것으로 오랫동안 여겨져 왔다. 이러한 전통적인 관점을 검증하고 유전체의 기능적 요소를 체계적으로 규명하기 위해 시작된 국제적 연구가 바로 ENCODE(Encyclopedia of DNA Elements) 프로젝트이다.

ENCODE 프로젝트를 통해 밝혀진 핵심 사실은, 과거에 ‘쓰레기 DNA(junk DNA)’ 혹은 ‘암흑 물질(dark matter)’로 간주되었던 비암호화 영역이 실제로 생화학적 활성 및 생물학적 기능을 수행한다는 점이다. 이는 ncRNA가 단순한 유전 정보의 부산물이 아니라, 유전자 발현을 정밀하게 조절하는 중요한 조절자(regulator)로 기능할 수 있음을 의미한다.

특히, 차세대 염기서열 분석기법(NGS) 등 기술의 발전으로 유전체 전체의 전사(transcription) 양상을 정밀하게 분석할 수 있게 되었고, 그 결과 유전체의 실제 전사 비율이 단 1%가 아니라 약 80%에 이른다는 사실이 밝혀졌다. 이는 유전체의 대부분이 기능적 목적을 가지고 의도적으로 전사된다는 점을 시사한다.

이러한 발견은 ncRNA, 특히 조절 비암호화 RNA(regulatory ncRNA)의 중요성을 부각시켰으며, 이들은 전사 후 조절, 염색질 구조 변형, 유전자 발현 억제 및 활성화, 세포 분화, 그리고 항상성 유지 등 다양한 생명 현상에 핵심적인 역할을 수행하는 것으로 밝혀졌다.

① Small ncRNA(sncRNA, 작은 비암호화 RNA) a. miRNA(microRNA, 마이크로 RNA) miRNA는 RNA 간섭(RNA interference, RNAi)과 유사한 기전을 따르는, 자연적으로 존재하는 유전자 발현 조절 메커니즘이다. 현재까지 인간에서 수백 종의 miRNA가 확인되었으며, 전체적으로는 50,000종 이상이 존재할 것으로 추정된다.

miRNA는 일반적으로 약 22개의 염기로 구성된 짧은 단일가닥 RNA이며, 표적 mRNA와 부분적으로 상보적인 염기서열을 인식하여 결합한다. 이를 통해 mRNA의 번역을 억제하거나 분해를 유도함으로써 유전자 발현을 음성 조절(negative regulation)한다.

miRNA는 특히 개체 발생, 세포 분화, 세포 주기 조절, 세포사멸, 암 억제 또는 촉진 등 다양한 생명현상의 조절자로 기능하며, 이의 이상 발현은 암, 심혈관 질환, 신경계 질환 등 여러 병태생리학적 상태와 밀접한 관련이 있는 것으로 알려져 있다.

b. siRNA(small interfering RNA, 소간섭 RNA) siRNA는 보통 인위적으로 합성된 긴 이중가닥 RNA(dsRNA)를 세포 외부에서 도입한 후, 세포 내에서 ATP-의존성 RNase인 Dicer에 의해 절단되어 생성되는 길이 21~23 염기쌍의 짧은 dsRNA이다.

siRNA는 성숙한 miRNA(mature miRNA)와 구조적으로 유사하나, 기원과 기능적 특성에서 차이를 보인다. 특히 표적 mRNA와의 염기서열 상보성에 있어서 뚜렷한 차이가 있다. siRNA는 표적 mRNA와 완전한 상보성을 이루어 정확한 표적 유전자만을 선택적으로 억제하는 반면, miRNA는 일반적으로 불완전한 상보성을 바탕으로 여러 유전자의 번역을 동시에 조절할 수 있다.

이러한 차이로 인해 siRNA는 고특이적 유전자 침묵(specific gene silencing)에 적합하며, miRNA는 보다 광범위한 유전자 조절(global regulation)에 기여하는 특성을 가진다.

c. snRNA(small nuclear RNA, 작은 핵 RNA) snRNA는 주로 핵 내에서 pre-mRNA의 스플라이싱(splicing)에 관여하는 짧은 RNA 분자이다. 대표적으로 U1, U2, U4, U5, U6 등의 snRNA가 스플라이스좀(spliceosome)이라는 RNA-단백질 복합체(RNP complex)를 형성하여, 인트론(intron)의 제거 및 엑손(exon)의 연결에 필수적인 역할을 수행한다.

snRNA는 mRNA 성숙 과정에서 엑손-인트론 경계의 인식과 절단을 통해 유전자 발현의 정밀한 조절을 수행하는 핵심 인자로 기능한다.

d. snoRNA(small nucleolar RNA, 작은 인 RNA) snoRNA는 주로 세포핵 내 핵소체(nucleolus)에 존재하는 RNA로, rRNA의 성숙 및 가공에 핵심적인 역할을 한다. snoRNA는 pre-rRNA(전구체 리보솜 RNA)와 상보적인 염기서열을 바탕으로 결합하여, 특정 위치의 염기를 화학적으로 변형하거나 절단 위치를 안내한다.

snoRNA의 주요 기능은 rRNA 염기에 대해 2′-O-메틸화(2′-O-methylation) 또는 위우리딘(pseudouridine)으로의 전환을 유도한다. 이러한 변형은 rRNA의 구조적 안정성과 리보솜 기능에 매우 중요하다. 또한 snoRNA는 pre-rRNA가 정확한 위치에서 절단되도록 도와줌으로써, 최종적으로 기능을 갖춘 성숙한 rRNA의 형성에 기여한다.

② long ncRNA(lncRNA, 긴 비암호화 RNA) lncRNA는 단백질을 직접 암호화하지 않지만, 포유류 전사체(transcriptome) 내에서 비교적 풍부하게 존재하며 세포 기능에 다양한 방식으로 기여한다. 특히, lncRNA는 염색질 구조 조절 효소(chromatin-modifying enzyme)를 모집하거나 그 활성을 조절함으로써, 표적 유전자의 전사 활성 조절에 관여하는 것으로 잘 알려져 있다.

lncRNA의 생물학적 기능은 크게 세 가지 기전으로 요약될 수 있다. 첫째, 시스(cis) 또는 트랜스(trans) 위치에서 전사 조절자(transcriptional regulator)로 작용하여, 인접 유전자의 발현을 직접 조절하거나, 떨어진 위치에 존재하는 유전자에 영향을 미친다.

둘째, RNA 가공(splicing 등) 과정이나 전사 후(post-transcriptional) 조절, 또는 단백질 활성을 조절하는 기능을 수행한다. 이 경우 lncRNA는 특정 단백질 또는 RNA와 상호작용함으로써 기능적 복합체를 형성하거나, 조절자의 기능을 매개하는 플랫폼으로 작용한다.

셋째, 일부 lncRNA는 핵 내 도메인(nuclear domain)의 구조적 구성에 기여하여, 세포핵 내 공간적 조직화와 기능적 구획화를 조절하는 역할을 수행한다. 이는 핵 내 RNA-단백질 복합체 형성과 같은 고차원적인 구조적 조절과 연관된다.

lncRNA는 일반적으로 조직 또는 세포 유형 특이적인 발현 양상을 보이며, 단일 세포당 평균적으로 1개 미만의 사본만 검출되는 경우가 많다. 그러나 특정 조직이나 핵의 특정 구획에서는 높은 수준으로 발현되어, 기능적 다양성과 세포 간 복잡성을 더욱 증가시키는 요인으로 작용한다.

특히, lncRNA는 개체 발생, 세포 분화, 노화, 스트레스 반응 등 다양한 생리적 과정뿐 아니라, 암의 발생 및 진행과 같은 병리적 현상에서도 중요한 조절 인자로 기능함이 밝혀지면서, 분자생물학 및 암 연구 분야에서 활발한 주목을 받고 있다.

RNA 침묵(RNA silencing)은 어떤 현상인가? 생명체 내에서 유전자 발현은 정교한 조절 기전에 의해 통제되며, 이러한 조절은 개체의 발생, 항상성 유지, 외부 자극에 대한 반응, 병리적 상태에서의 적응 등 다양한 생물학적 과정에 핵심적인 역할을 한다. 이 가운데 유전자 침묵(gene silencing)은 특정 유전자의 발현을 억제하거나 완전히 차단하는 생물학적 현상이다.

유전자 침묵(Gene silencing)에는 전사 시 유전자 침묵(transcriptional gene silencing, TGS)와, 전사 후 유전자 침묵(post-transcriptional gene silencing, PTGS)이 존재한다. 이 중 TGS는 일반적으로 DNA 메틸화(DNA methylation), 히스톤 변형(histone modification), 이질 염색질 형성(heterochromatinization) 등의 후성유전학적 메커니즘에 의해 매개되며, 유전자 접근성을 구조적으로 차단함으로써 발현을 억제한다.

RNA 침묵(RNA silencing)은 유전자 침묵의 하위 개념으로, 주로 RNA 분자에 의해 매개되는 전사 후 유전자 침묵(PTGS) 기전을 지칭한다. RNA 침묵은 1990년대 후반, 식물과 동물, 곰팡이 등 다양한 진핵생물에서 확인되었으며, 진화적으로 보존된 염기서열 특이적 유전자 조절 기전으로 기능한다.

RNA 침묵의 중심에는 짧은 비암호화 RNA 분자들, 즉 siRNA, miRNA, piRNA가 있으며, 이들은 각각 고유한 기원과 작용 기전을 통해 표적 mRNA의 발현을 억제한다.

miRNA는 내인성 전사체로부터 유래하며, 개체의 발달, 세포 분화, 세포 주기, 세포사멸 등 생리적 과정뿐만 아니라 암, 심혈관 질환, 신경계 질환 등의 병태생리적 상태에서 정밀한 유전자 조절자로 기능한다.

siRNA는 외부에서 유래된 dsRNA에 의해 형성되며, 실험적 유전자 침묵 기법이나 RNA 간섭 기반 치료제에 직접적인 유전자 억제 도구로 활용되고 있다.

piRNA는 주로 생식세포에서 발현되며, 트랜스포존 억제, 유전체 안정성 유지, 세포 계통 유지 등 특수한 기능을 수행한다.

RNA 침묵은 다양한 진핵생물에서 보편적으로 나타나며, 바이러스 감염에 대한 방어 기전, 전이 요소 억제, 비정상적 전사체 제거 등 세포 수준의 품질관리 및 유전체 보호 시스템으로 작용한다. 이러한 점에서 RNA 침묵은 단순한 유전자 억제를 넘어 생물학적 균형과 유전체 기능 유지의 핵심 축으로 간주된다.

최근 RNA 침묵 기전은 치료 표적 및 플랫폼 기술로도 활발히 연구되고 있으며, siRNA 기반 치료제, antisense oligonucleotide(ASO) 기술 등은 RNA 침묵 원리를 기반으로 개발된 RNA 기반 정밀 의약품으로 발전하여 다양한 질환에서 임상적으로 응용되고 있다.

RNA 간섭(RNA interference, RNAi)은 어떤 현상인가? RNAi는 1998년 Andrew Fire와 Craig Mello가 예쁜꼬마선충(Caenorhabditis elegans)을 대상으로 한 실험에서 처음 보고한 현상으로, 외부에서 도입된 이중가닥 RNA(dsRNA)가 세포 내 특정 mRNA를 인식하고 이를 선택적으로 분해함으로써 유전자 발현을 억제하는 고유의 생물학적 기전이다. 이 발견은 유전자 발현 조절에 대한 이해를 근본적으로 전환시켰으며, 두 연구자는 해당 업적으로 2006년 노벨 생리의학상을 수상하였다.

RNA 침묵은 유전자 발현 억제를 유도하는 상위 개념이고, 그 중 RNAi는 기전이 명확히 규명되고 약물화 가능성이 높은 대표적인 하위 경로에 해당한다. RNAi는 염기서열 특이적 방식으로 작용하여, 표적 유전자의 발현을 정밀하게 제어할 수 있는 장점을 지니며, 바이러스 방어, 전이인자 억제, 후성유전 조절, 발생 및 분화 조절 등 다양한 생물학적 과정에 기여한다.

특히 RNAi는 유전자 기능 연구, 질병 모델링, 표적 유전자 억제를 통한 치료제 개발 등 기초연구 및 임상분야 모두에서 응용 가능성이 높은 기술로 주목받고 있으며, siRNA 기반 치료제는 이러한 RNAi 원리를 임상에 성공적으로 도입한 대표적인 예로 평가되고 있다.

소간섭 RNA(small interefering RNA, siRNA)는 무엇인가? siRNA는 RNAi 현상을 매개하는 대표적인 dsRNA로, 특정 mRNA의 발현을 염기서열 특이적으로 억제하는 기능을 수행한다. siRNA는 miRNA와 달리 전사산물의 절단(cleavage)을 직접 유도하는 강력한 침묵 효과를 나타낸다.

이는 특히 바이러스 유전체, 종양 특이 유전자, 병리적 유전자 돌연변이 등을 표적으로 하는 데 적합하다. 이러한 특이성과 효능을 바탕으로 siRNA는 유전자 기능 연구뿐 아니라 질병 치료를 위한 유전자 기반 약물 플랫폼으로 빠르게 발전하고 있다.

하지만, siRNA는 그 자체의 불안정성, 세포막 투과성 부족, 면역 자극 가능성 등의 한계도 지니고 있어, 이를 극복하기 위한 다양한 전달 시스템(delivery system) 개발이 병행되고 있다. 특히, 갈낵(GalNAc) 기반 간세포 표적 전달 시스템은 siRNA 치료제의 성공적 상용화에 핵심적인 기술로 평가된다.

RNAi는 외부 또는 내부에서 유래된 dsRNA에 의해 유도되며, siRNA는 RNAi 경로의 핵심 매개체로 작용한다. siRNA는 RNAi이라 불리는 다단계 과정을 통해 유전자 발현을 억제하는 데 핵심적인 역할을 한다(Figure 1).

첫 번째 단계, dsRNA의 세포 내 유입과 Dicer에 의한 절단 siRNA는 주로 외인성 또는 인공적으로 도입된 dsRNA의 절단에 의해 생성된다. 일단 dsRNA가 세포 내로 유입되면 세포질(cytoplasm)에서 작용을 시작한다. 자연 상태에서는 긴 dsRNA 또는 전구체(pre-siRNA)가 Dicer라는 RNase III 계열의 효소에 의해 절단되어 siRNA가 생성된다. 그러나 합성 siRNA는 21~23개 염기쌍의 짧은 이중가닥 RNA로 구성되며, 이미 Dicer 가공 단계를 생략한 형태로 설계되어 있다.

두번째 단계, RNA 유도 침묵 복합체(RNA-induced silencing complex, RISC) 형성과 가이드 스트랜드 선택 세포질 내에서 siRNA는 RISC와 결합하게 된다. RISC는 Argonaute(AGO) 단백질을 핵심으로 하는 다단백 복합체이며, siRNA는 이 복합체에 의해 가이드 가닥(guide strand)와 패신저 가닥(passenger strand)로 분리된다. 이 과정에서 AGO2는 패신저 가닥을 제거하거나 분해하며, 가이드 가닥만이 RISC에 안정적으로 결합된다. 가이드 가닥은 이후 표적 mRNA의 염기서열을 인식한다.

세 번째 단계, mRNA 인식 및 절단(유전자 침묵 유도) 가이드 가닥이 결합된 활성화된 RISC는 세포질 내에 존재하는 상보적 염기서열을 가진 mRNA를 탐색한다. siRNA와 표적 mRNA가 완전한 상보성을 이루는 경우, AGO2의 엔도뉴클레아제 활성이 유도되어 표적 mRNA를 특정 위치에서 절단(cleavage)하게 된다. 절단된 mRNA는 이후 세포 내 핵산 분해효소에 의해 빠르게 분해되며, 이는 궁극적으로 해당 유전자의 단백질 발현 억제로 이어진다.

이러한 유전자 침묵은 염기서열 특이적이며, 시간적으로 수 일에서 수 주 이상 지속될 수 있으며, 반복 투여 시 누적 효과를 기대할 수 있다. 또한, siRNA는 번역 후 단계에 작용하기 때문에, 단백질 발현을 정밀하게 조절할 수 있는 장점이 있다.

RNA 기반 치료제(RNA-based therapeutics)란 무엇인가? RNA 기반 치료제는 특정 유전자 또는 병리적 단백질의 발현을 직접적으로 조절하거나, 필요한 단백질을 체내에서 직접 합성하도록 유도함으로써 질병의 원인 자체를 정밀하게 조절할 수 있는 치료 전략이다. 이러한 치료제는 RNA의 구조적 및 기능적 다양성에 따라 여러 유형으로 분류된다.

대표적인 RNA 기반 치료제에는 단백질 생성을 직접 유도하는 mRNA 치료제, 특정 mRNA를 분해하거나 스플라이싱을 조절하는 ASO, RNAi 기전을 통해 유전자 발현을 억제하는 siRNA 및 miRNA 유사체, 특정 단백질에 선택적으로 결합하여 기능을 저해하는 RNA 압타머(aptamer) 등이 있다.

이들 치료제는 유전자 수준의 정밀한 조절이 필요한 질환에서 특히 유효성이 크며, 암, 유전질환, 감염병, 대사질환 등 다양한 분야에서 치료 효과가 확인되고 있다.

RNA 기반 치료제의 가장 큰 강점은 염기서열 상보성에 기반한 높은 표적 특이성과 설계의 유연성이다. 환자의 유전 정보나 발현 프로파일에 따라 맞춤형으로 표적을 설계할 수 있으며, 기존의 항체나 저분자 화합물로는 접근이 어려운 내재적 유전자 조절 단계에 직접 개입할 수 있다는 이점이 있다.

그러나 RNA 분자의 구조적 불안정성, 면역 자극 가능성, 세포 내 전달의 어려움은 여전히 극복해야 할 중요한 과제로 남아 있다. 이를 해결하기 위해 지질 나노입자(lipid nanoparticle, LNP), 갈낙(GalNAc) 접합체, 엑소좀(exosome), 바이러스 벡터 등 다양한 전달 기술이 병행 개발되고 있으며, RNA 분자 자체에 대한 화학적 변형 연구 또한 활발히 진행 중이다.

RNAi 기반 치료제(RNA interference-based therapeutics)란 무엇인가? RNAi는 짧은 dsRNA 조각이 세포 내 RNA 유도 침묵 복합체(RISC)에 의해 가이드되어, 상보적인 서열을 갖는 표적 mRNA를 절단함으로써 유전자 발현을 억제한다. 이 과정은 고도로 염기서열 특이적인 방식으로 이루어지며, 세포 내에서 자연스럽게 일어나는 중요한 방어 및 조절 기전이다.

RNAi 기반 치료제는 병리적 유전자의 발현을 직접적으로 차단함으로써, 단백질 생성 자체를 근본적으로 억제할 수 있는 전략이다. 이는 기존의 단백질 표적 저해제들이 개입하기 어려운 전사 후(post-transcriptional) 단계에 개입할 수 있다는 점에서 근본적으로 다른 치료 접근법을 제공한다. 특히 유전자 과발현 또는 독성 단백질의 생성이 질병의 주요 병태기전인 경우에 매우 적합하며, 유전질환, 암, 간질환, 감염병 등 다양한 질환에서 임상적 적용이 활발히 진행되고 있다.

RNAi 기반 치료제는 작용 기전에 따라 크게 세 가지로 구분된다. 첫째, siRNA는 화학적으로 합성된 짧은 dsRNA로, 표적 mRNA에 대해 높은 서열 특이성을 갖는다. GalNAc(갈낙) 기반 간 표적화 기술, 리포솜 또는 지질나노입자(LNP) 기반 세포 내 전달 기술을 활용하여 체내 적용이 가능하며, 현재 대부분의 RNAi 치료제가 이 플랫폼을 기반으로 한다.

둘째, shRNA(short hairpin RNA)는 플라스미드나 바이러스 벡터를 통해 세포 내에서 안정적으로 발현되며, 지속적인 유전자 억제를 유도하는 구조이다. 주로 세포를 체외에서 조작하는 ex vivo 유전자 치료 전략에 활용된다.

셋째, miRNA 유도체는 내인성 microRNA의 기능을 모방하거나 경쟁적으로 억제하여, 보다 광범위한 유전자 네트워크를 조절하는 방식으로 개발 중이다. 이는 특정 유전자뿐 아니라 관련된 다수의 유전자를 동시에 조절할 수 있는 장점이 있다.

따라서 RNAi 기반 치료제는 유전자 수준에서의 정밀 제어, 고특이성, 그리고 효율적인 발현 억제라는 특성을 지니며, 기존의 저분자 화합물이나 단백질 기반 치료제와는 차별화되는 생물학적 전략을 제공한다.

실제로 Givosiran, Lumasiran, Inclisiran 등은 각각 급성 간성 포르피린증(AHP), 원발성 옥살산뇨증 1형(PH1), 고지혈증 등의 적응증으로 다수 국가에서 시판 승인을 획득하였으며, 이는 RNAi 기술이 실용적인 치료 플랫폼으로 진입했음을 보여주는 중요한 이정표가 되었다.

GalNAc-siRNA란 무엇인가? siRNA는 분자량이 작고 음전하를 띠는 친수성 분자로서 세포막을 자발적으로 통과하기 어려우며, 혈중에서 RNase에 의해 쉽게 분해되는 한계를 지닌다. 이러한 점에서 siRNA의 안정적이고 표적 특이적인 전달은 치료 효과를 극대화하기 위해 반드시 극복되어야 할 과제이다.

이에 따라 다양한 siRNA 전달 시스템(delivery vector)이 개발되어 왔으며, GalNAc conjugate, 지질 나노입자(lipid nanoparticle, LNP), 고분자 기반 전달체 등 다양한 전달 플랫폼이 개발되고 있으며, 이들은 siRNA의 생체 내 안정성 및 조직 특이적 투과성을 개선하는 데 중요한 역할을 하고 있다.

이 중 약물을 세포 표면 수용체 리간드와 결합시키는 방식(GalNAc conjugate)은 표적 약물 전달을 위한 유망한 경로로 보고되고 있다. 이러한 수용체는 특정 세포 유형에만 발현되며, 일부 질환에서는 특정 장기나 조직에서 과발현된다.

3방향 GalNAc(triantennary GalNAc)은 siRNA의 안티센스(antisense) 사슬 3′ 말단과 결합하여 GalNAc-siRNA conjugate를 형성한다. siRNA는 화학적으로 직접 합성할 수 있으며, 또는 효소 전사로 얻어진 긴 이중가닥 RNA를 세포질 RNase III 엔도뉴클레아제인 Dicer의 작용으로 절단하여 21~23 nt 길이의 siRNA를 생성할 수 있다. 이 siRNA는 3′ 말단에 두 개의 돌출된 뉴클레오타이드, 5′ 말단에 인산기, 그리고 가운데에 19 nt의 상보적인 이중가닥 영역을 가진다.

따라서 siRNA와 GalNAc을 결합시켜 피하 주사로 투여하면, GalNAc-siRNA conjugate가 ASGPR(Asialoglycoprotein receptor)에 결합되고, 이어 ASGPR 매개 세포 내 유입(endocytosis)을 통해 세포 내로 들어가게 된다(Figure 2).

GalNAc은 간세포 이외의 조직에서는 거의 발현되지 않는 수용체에 대한 높은 결합 친화성을 가지므로, siRNA 분자의 간 특이적(targeted delivery to hepatocytes) 전달을 가능하게 한다.

GalNAc-siRNA의 작용 기전은? GalNAc-siRNA의 작용 기전의 핵심은, GalNAc-siRNA conjugate가 간세포 표면의 수용체(asialoglycoprotein receptor, ASGPR)에 선택적으로 인식되고 전달된다는 점에 있다. siRNA는 본래 음전하를 띠고 분자량이 큰 친수성 분자로서, 세포막을 자발적으로 통과하기 어렵다. 하지만 GalNAc으로 변형된 siRNA는 간세포에 특이적으로 발현되는 ASGPR를 통해 표적 조직으로 선택적 전달될 수 있으며, 효율적인 세포 내 유입도 가능하게 된다.

ASGPR은 간소엽(liver lobule) 내 간 실질세포(hepatocyte)의 혈관사이 공간(hepatic sinusoid space) 표면에 주로 발현되는 수용체로, GalNAc-siRNA conjugate가 체내에 주입되면 GalNAc-siRNA-ASGPR 복합체는 세포 내로 유입되어 엔도솜(endosome) 내에서 분리된다. 이후 siRNA는 엔도솜으로부터 방출되고, GalNAc은 분해되어 제거된다. ASGPR을 포함한 소포는 다시 세포막과 융합되어 간세포 표면으로 되돌아가 수용체 순환(recycling)을 마친다.

엔도솜에서 방출된 siRNA는 헬리케이스(helicase)에 의해 이중가닥 구조가 풀리고, 안티센스 가닥(antisense strand)은 Ago2 단백질을 포함한 다양한 효소들과 함께 RISC를 형성한다. RISC는 표적 mRNA와 상보적인 염기서열에 결합하며, Ago2는 안티센스 가닥의 5′ 말단에서 10번째와 11번째 염기 사이의 인산다이에스터 결합(phosphodiester bond)을 절단하여 mRNA를 분해하고 유전자 발현을 억제한다(Figure 3).

siRNA 기반 RNAi 치료제 플랫폼의 특장점은? RNAi은 dsRNA의 존재에 의해 유도되는 유전자 침묵 현상으로, 세포 내에서 특정 mRNA를 선택적으로 분해함으로써 유전자 발현을 전사 후 수준에서 억제하는 고도로 보존된 생물학적 기전이다. RNAi 기전의 핵심 실행 인자인 siRNA는 염기서열 상보성에 기반하여 표적 mRNA를 인식하고 절단함으로써, 병리 단백질의 발현을 효과적으로 차단할 수 있다.

이러한 기전을 치료 전략에 응용한 siRNA 기반 RNAi 플랫폼은 기존의 단백질 중심 치료제와는 차별화된 분자적 기전을 바탕으로 정밀하고 지속적인 유전자 억제를 가능하게 하며, 새로운 치료 패러다임으로 주목받고 있다.

siRNA 기반 플랫폼의 가장 큰 장점 중 하나는 높은 표적 특이성(target specificity)이다. siRNA는 21~23개의 염기쌍으로 구성된 짧은 dsRNA 분자로, 염기서열 상보성에 따라 특정 mRNA만을 선택적으로 인식하여 작용하므로, 오프타깃(off-target) 효과를 최소화할 수 있다. 여기에 2'-O-methyl, 2'-fluoro 등의 화학적 변형을 적용하면 분해 저항성과 면역자극 회피 능력이 향상되어, 약물의 안전성과 유효성을 동시에 확보할 수 있다.

또한 siRNA는 단백질 구조 정보에 의존하지 않고 유전자 염기서열 정보만으로 설계가 가능하기 때문에, 기존 저분자 화합물이나 단백질 기반 치료제들이 접근하기 어려운 ‘undruggable’ 표적(예: 비구조 단백질, 비효소 단백질 등)에 대해서도 유효하게 작용할 수 있다. 특히 단백질 생성 이전 단계인 mRNA 수준에서 병리 유전자의 발현을 차단하기 때문에, 병리 단백질의 생성 자체를 원천적으로 억제할 수 있다는 점에서 치료의 근본적 접근이 가능하다.

siRNA 치료제는 일반적으로 한 번의 투여로 수 주에서 수개월간 지속적인 유전자 억제 효과를 유도할 수 있어, 만성질환 치료에서 약물 순응도 향상과 투여 횟수 감소라는 측면에서도 큰 장점을 제공한다.

특히 GalNAc-siRNA 전달 플랫폼은 간세포 표면에 특이적으로 발현되는 ASGPR에 선택적으로 결합함으로써 고도의 간 특이성을 확보하면서도 피하주사가 가능하다는 점에서, 임상적 실용성과 접근성이 뛰어나다.

siRNA 기반 RNAi 치료제 플랫폼의 문제점과 해결책은 무엇인가? siRNA 기반 RNAi 치료제는 유전자 발현을 정밀하게 조절할 수 있는 혁신적 플랫폼이지만 그 임상적 활용과 적용 범위를 넓히는 데에는 여전히 해결해야 할 중대한 제약이 존재한다. 이러한 한계는 약물의 물리화학적 특성, 전달 효율, 표적 조직 선택성, 면역 반응, 그리고 장기 안전성 측면에서 다양하게 나타난다.

첫째, siRNA는 상대적으로 불안정한 고분자 음전하 물질로서, 체내에서 효소적 분해에 매우 취약하다. 자연 상태의 siRNA는 혈중에서 수 분 이내에 빠르게 분해되며, 조직으로 도달하기 전에 대부분 소실된다. 이러한 문제는 여러 화학적 변형을 통해 일부 개선되고 있으나, 여전히 체내 안정성과 전달 효율 간의 균형 조절은 중요한 과제로 남아 있다.

둘째, siRNA는 세포막을 통과하기 어려운 물리적 특성을 가지고 있어, 전달 시스템에 대한 의존성이 매우 크다. GalNAc-siRNA 및 LNP-siRNA와 같은 플랫폼은 간세포 표적화에는 성공하였지만, 중추신경계, 심장, 폐, 근육 등 간 이외 조직으로의 선택적 전달은 여전히 기술적으로 제한적이다. 특히 혈관뇌장벽(BBB)과 같은 생리학적 장벽은 siRNA의 중추신경계 질환 치료 적용을 어렵게 하는 근본적 한계로 작용한다.

셋째, siRNA는 본질적으로 면역 자극 가능성을 내포한다. siRNA 분자는 Toll-like receptor 3, 7, 8 등에 의해 인식되어 인터페론 반응 및 선천면역 경로를 활성화할 수 있으며, 이는 약물의 안전성과 내약성에 문제를 유발할 수 있다. 특히 반복 투여 시 면역 반응의 축적 또는 과민반응 발생 가능성은 장기 치료에 대한 제한 요소로 작용할 수 있다. 이러한 면역학적 문제는 화학적 안정화 및 설계 최적화를 통해 일부 완화되고 있으나, 특정 환자군에서는 여전히 우려 요소로 간주된다.

넷째, siRNA 기반 RNAi는 유전자 발현을 일방적으로 억제(silencing)하는 방식이므로, 표적 유전자의 기능이 완전히 제거되는 것이 항상 바람직하지 않을 수 있다. 일부 유전자는 생리적 항상성 유지에 부분적으로 기여하므로, 과도한 억제가 예기치 않은 부작용이나 대체 경로 활성화를 유발할 수 있다. 특히 하나의 유전자가 다양한 기능을 수행하는 경우(pleiotropy), 정밀한 용량 조절과 억제 수준의 모니터링이 필수적이다.

마지막으로, siRNA 기반 치료제는 아직까지 국소 투여나 ex vivo 적용이 제한적이며, 전신 투여를 기본으로 하기 때문에 조직 특이성, 투여 용량, 약물 반감기, 약물 상호작용 등에 대한 정밀한 약물동력학적 이해가 요구된다. 또한 생산 비용이 상대적으로 높고, 대규모 상업화 과정에서의 제조 일관성 및 품질 관리도 반드시 고려해야 할 요소이다.

결론적으로, siRNA 기반 RNAi 치료제 플랫폼은 고유의 치료적 강점에도 불구하고, 약물 전달, 조직 선택성, 면역 자극성, 장기 안전성, 비용 구조 등 다양한 기술적 제약에 직면해 있다. 이러한 한계는 siRNA 분자 설계 기술과 전달 플랫폼, 임상 개발 전략의 지속적인 고도화를 통해 극복 가능할 것으로 보인다.

다음 편부터 ① 기보시란(Givosiran) ② 루마시란(Lumasiran) ③ 인클리시란(Inclisiran) ④ 브루시란(Vutrisiran) ⑤ 네도시란(Nedosiran) ⑥ 피투시란(Fitusiran) 등의 순으로 게재될 예정이다.

참고문헌 1. Giuseppe Cammarata, et al. “Emerging noncoding RNAs contained in extracellular vesicles” Ther Adv Med Oncol 2022, Vol. 14: 1–20 2. Synthesis of GalNAc-siRNA Conjugates(출처: Front. Pharmacol., 14 December 2022). 3. Lei Zhang et al. “The therapeutic prospects of N-acetylgalactosamine-siRNA conjugates“ Front. Pharmacol., 14 December 2022. 3. Vinod Khatri et al. ”Design Synthesis and Biomedical Applications of Glycotripods for Targeting Trimeric Lectins“ Eur J Org Chem Volume 26, Issue 9 March 1, 2023. 4. Katyayani Tatiparti et al. “Review siRNA Delivery Strategies: A Comprehensive Review of Recent Developments” Nanomaterials 2017, 7, 77, 5. Ogochukwu Amaeze et al. “The absorption, distribution, metabolism and elimination characteristics of small interfering RNA therapeutics and the opportunity to predict disposition in pregnant women” Drug Metabolism and Disposition 53 (2025) 100018. 6. 기타 인터넷 자료