mRNA는 무엇일까?

mRNA 백신은 기존 DNA백신을 대체할 새로운 백신으로 과거부터 연구되어왔다가 코로나바이러스-19의 대유행으로 급부상한 백신의 종류이다.

mRNA백신은 어떻게 작동하고, 기존 백신과 무엇이 다를까?

이번 글에서는 mRNA 백신을 이해하기 위한 기본 지식, mRNA에 대해 알아본다.

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mRNA는 Messenger RNA의 줄임말로 단백질 합성을 위해 핵 속의 DNA 정보를 복사해서 핵 밖으로 전달해주는 역할을 한다. ATGC 4개의 염기로 구성된 DNA와 달리 mRNA는 AUGC 염기로 이루어져 있다. 티민 대신 우리실 염기를 가지고 있다. 물론 대응관계는 DNA와 동일하게 AU, GC이다.

 

다음은 DNA가 mRNA로 전사된 예시이다.

DNA:
3'  ACACGTGGATTC  5'
mRNA: 
5'  UGUGCACCUAAG  3'

이때 mRNA와 DNA의 방향이 다른데, 이는 mRNA로 DNA를 전사할 때 DNA의 3'에서 mRNA의 5'을 합성하기 시작해서 DNA의 5'에서 mRNA의 3'을 합성하기 때문이다.

 

mRNA에 염기 3개가 붙으면 하나의 코돈을 이룬다. 하나의 코돈은 하나의 아미노산로 해석되는데, 각각의 코돈이 의미하는 아미노산은 다음과 같다.

mRNA는 5'에서 3'방향으로 읽는다. 즉, 앞이 5'이고, 뒤가 3'이다.

위 테이블을 보면 코돈 AUG는 Met(메싸이오닌)를, AGU와 AGC는 Ser(세린)을 합성한다.

그런데 AUG에는 Start가, UGA, UAA, UAG에는 Stop이 적혀있다. 이들은 각각 개시코돈, 종결코돈이다.

개시코돈인 AUG는 메싸이오닌을 합성함과 동시에 여기부터 mRNA 번역을 시작해야 함을 알리고, 종결코돈은 아무 아미노산도 만들지 않으며, 번역을 여기서 끝내야 함을 알린다.

 

예를 들어 다음 mRNA가 만드는 아미노산은 다음과 같다.

ACCUGAUGUGUAAACUUUCAUAAGGCAUCCAAA
Met-Cys-Lys-Leu-Ser

여기서 초록색으로 표시된 부분은 실제 아미노산으로 번역되는 부분으로 엑손(exon)이라고 한다. 반면 붉은색으로 표시된 부분은 번역되지 않으며 번역 이전에 mRNA 이어 맞추기(mRNA spliing) 과정에서 모두 제거된다. 이러한 부분을 인트론(intron)이라고 한다.

이후 mRNA는 리보솜으로 이동하여 아미노산으로 번역된다.

 

그런데 mRNA가 특이한 게 같은 아미노산을 합성한다고 해서 다른 코돈을 가지는 mRNA 가닥이 같은 역할을 한다고 할 수 없다. 바로 코돈 최적화(Codon Optimization)가 있기 때문이다.

코돈 최적화로 최적화된 mRNA는 그렇지 못한 mRNA에 비해 같은 아미노산은 만들지언정 더 효율적일 수 있다. 코돈 최적화는 다음 방법들이 있다.

 

1. 자주 사용되는 코돈 사용하기 출처
   코돈들 중 같은 아미노산을 뜻하는 것을 동의 코돈(synonymous codons)이라고 한다. 하지만 동의 코돈 등 중에서도 선호되는 몇 가지 코돈을 최적 코돈(optimal codons)이라고 부른다. mRNA를 설계할 때 최적 코돈을 사용하면 번역의 효율을 높일 수 있다.
2. poly-A tail 출처
   mRNA에 길게 A를 늘여붙여놓으면 RNA 합성과정이 더욱 안정될 수 있다.

이 외에도 아미노산 합성이 효과적으로 이루어질 수 있게 하는 여러 최적화 기법이 있고, 이러한 방법으로 몸속에서 mRNA가 잘 합성될 수 있게 할 수 있다. 이것이 왜 중요하냐? 바로 이 기술이 mRNA 백신에 사용될 염기서열이 몸속에서 의도한 대로 작동할 수 있도록 성공 확률을 높여주는 역할을 하기 때문이다.