소포체 표적 신호 펩타이드 도입으로 mRNA 백신 항원 발현과 분비 효율 높였다
배경
기존 메신저 리보핵산(messenger RNA, mRNA) 백신 기술은 체내 세포에 특정 항원의 유전 정보를 담은 유전 물질을 전달하여 단백질을 스스로 합성하도록 유도한다. 이 과정에서 항원 단백질의 전체 발현량과 세포 외부로 분비되는 효율은 백신의 예방 효능 및 면역원성을 좌우하는 결정적인 요소로 꼽힌다. 하지만 기존 백신 설계 방식은 타깃 항원 자체의 아미노산 서열 최적화에 주로 집중해왔다. 그 결과 단백질이 세포 내에서 성공적으로 합성된 이후 분비 경로를 타고 이동하는 흐름 자체를 제어하는 데는 뚜렷한 한계를 보였다.
이러한 문제를 해결하기 위해 주목받는 영역이 세포 내 단백질 수송 경로다. 단백질이 세포 내 소포체(Endoplasmic Reticulum, ER)로 이동하도록 안내하는 신호 펩타이드(Signal Peptide, SP)는 단백질 배송의 주소지 역할을 수행한다. 세포질에서 번역 과정을 거쳐 생성된 단백질이 ER을 통과해 세포막 외부로 원활하게 방출되도록 안내하는 이정표 역할을 하는 셈이다. 최근 학계에서는 이 SP를 정밀하게 조작하여 항원의 세포 외 분비 효율을 극대화하려는 시도를 활발히 이어왔다. 이번 연구는 기존의 비효율적인 세포 내 분비 경로를 개선하여 궁극적으로 mRNA 백신의 성능을 한층 강화할 수 있는 새로운 분자 엔지니어링 전략을 제시하고자 시작됐다.
핵심 발견
중국 연구진은 중증급성호흡기증후군 코로나바이러스 2(SARS-CoV-2)의 수용체 결합 도메인(Receptor-Binding Domain, RBD)을 모델 항원으로 설정하고, 인체 내에서 분비가 활발한 대표적인 단백질 유래의 SP 후보군 패널을 설계하여 스크리닝을 수행했다. 분석 대상에는 혈액 내 면역 작용에 관여하는 보체 3(Complement 3, C3)을 비롯하여 체내 면역 반응 조절에 밀접한 인터루킨-12(Interleukin-12, IL-12) 및 인터루킨-20(Interleukin-20, IL-20)의 SP가 고루 포함됐다.
다양한 SP 조합을 실험한 결과 C3, IL-12, IL-20에서 유래한 SP를 결합한 RBD 항원이 대조군과 비교해 항원 발현량과 세포 외 분비량 모두에서 유의미한 상승 수치를 보였다. 연구진은 개량된 SP가 세포 내부에서 구체적으로 어떻게 작용하는지 파악하기 위해 형광 공초점 현미경(Fluorescence Confocal Microscopy) 관찰 기술을 도입해 관찰을 실시했다. 세포 하위 수준에서 일어나는 변화를 정밀 추적하자, 엔지니어링 과정을 거친 SP를 장착한 mRNA가 세포질에서 ER로 이동하는 효율과 표적화 비율이 대조군 대비 비약적으로 증가하는 결과가 도출됐다.
세포 내 수송 최적화 설계를 반영한 이 mRNA 백신 후보물질의 실질적인 유효성은 동물 모델 실험에서도 우수한 효능을 증명해냈다. 마우스에 개량 백신 후보물질을 주입한 뒤 면역 반응을 분석한 결과, 기존 백신을 접종한 마우스 집단보다 훨씬 강력한 체액성 면역 반응과 세포성 면역 반응이 동시에 유도된 것으로 나타났다. 항원의 단순 서열 개량을 넘어 단백질의 세포 내 운송 과정을 최적화하는 접근법이 백신의 전반적인 성능을 끌어올리는 효과적인 열쇠가 될 수 있음을 입증하는 대목이다.
의미와 전망
이번 연구 성과는 mRNA 백신 플랫폼의 한계를 극복하고 발현 및 분비 효율을 높이는 실용적인 유전자 엔지니어링 방법론을 확립했다는 점에서 학술적 의의가 크다. 향후 고농도의 항원 방출이 필수적인 차세대 항암 mRNA 백신 개발은 물론, 특정 단백질 결핍증을 치료하기 위해 체내 단백질 분비량을 정밀하게 조절해야 하는 단백질 대체 요법 치료제 분야로의 기술적 확장이 용이해질 전망이다.
다만 이번 연구는 특정 바이러스 RBD 항원과 제한된 세포주 모델을 중심으로 스크리닝이 진행됐다는 한계를 안고 있다. 향후 다양한 질환별 항원에 적용했을 때도 이와 동일한 수준의 분비 향상 효과가 재현되는지 규명하는 범용성 검증 단계가 필수적으로 요구된다. 아울러 생체 내에서의 장기적인 안전성과 과량의 단백질 발현 및 분비가 유발할 수 있는 세포 독성 여부를 확인하는 후속 검증 절차도 함께 뒤따라야 원활한 상용화 단계에 진입할 수 있을 것으로 보인다. 이번 논문은 학술지 'Acta Biochimica et Biophysica Sinica'에 게재됐으며, 상세한 정보는 PubMed(https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/42550669/)에서 찾아볼 수 있다.
The expression and secretion levels of antigenic proteins are critical determinants of mRNA vaccine efficacy. Signal peptides, which direct protein translocation into the endoplasmic reticulum (ER), have the potential to significantly enhance protein expression and immunogenicity, highlighting their value as engineering tools for mRNA vaccine design. This study adopts the SARS-CoV-2 RBD as a model antigen to screen a panel of signal peptides derived from common secretory proteins. The signal peptides from C3, IL-12, and IL-20 are identified as candidates capable of significantly promoting antigen expression and secretion. Fluorescence confocal microscopy reveals that these signal peptides enhance the targeting of mRNA to the ER at the subcellular level.
이 연구에서 개발된 소포체 표적화 SP 엔지니어링 기술은 향후 mRNA 백신의 생산 효율을 개선하고 접종 용량을 최소화하는 데 유용하게 활용될 수 있다. 기존의 코로나19 백신 등은 충분한 면역 반응 유도를 위해 다량의 유전 물질을 접종해야 했고 이로 인한 발열이나 통증 등 부작용 우려가 상존했다. 그러나 항원의 세포 내 전달 경로를 최적화해 적은 주입량으로도 고효율의 항원 분비를 유도할 수 있다면 환자가 겪는 신체적 부담을 크게 덜어주게 된다. 이는 생산 공정의 단가를 대폭 절감하여 글로벌 백신 보급 격차를 해소하는 실질적인 시나리오로도 이어질 수 있다. 또한 발현 효율 저하로 치료제 개발에 난항을 겪는 암 백신 분야에서 종양 특이적 항원의 분비 속도를 개선하여 환자 맞춤형 면역 항암 요법의 성공 가능성을 한층 높일 핵심 플랫폼으로의 상용화가 기대된다.