13강 / 20강

mRNA 서열 설계 — 캡부터 폴리A까지

제8장 「m7G 캡과 IgE 신호 펩타이드를 달고, 뒤에는 MITD와 polyA 꼬리를」

표적 셋이 정해졌습니다. 이제 그것을 mRNA 한 가닥으로 만들어야 합니다.

학생들이 여기서 가장 크게 놀랍니다. 실을 내용은 아주 짧습니다.

SVDGQVYIP    (9)
RAHSSHLKSIP  (11)
VVVGAGGVGK   (10)
------------------
합계 30 글자

그런데 실제 구조체는 천 글자가 넘습니다. 나머지는 전부 "이걸 어떻게 다루라" 는 지시서입니다.

고등학생택배 상자에서 물건은 아주 작다

실제로 전달할 내용은 30 글자입니다. 아미노산 30개.

그런데 완성된 mRNA 는 700 글자가 넘습니다.

나머지 670 글자는 뭔가요

포장과 배송 지시서입니다.

택배로 치면	mRNA 에서
안에 든 물건	에피토프 3개 (30글자)
"여기서부터 뜯으세요"	Kozak 서열
받는 사람 주소	신호 펩타이드 · MITD
"취급 주의" 스티커	캡 · UTR · polyA

택배 상자가 물건보다 큰 건 이상한 일이 아닙니다. 안전하게 도착시키는 데 필요한 것이니까요.

mRNA 가 풀어야 하는 네 가지 공학 문제

이야기가 이 넷을 그대로 적어 놓았습니다. 백신 설계의 전부가 여기 들어 있습니다.

	문제	이 구조체의 답	강
1	면역원성 — 주입된 mRNA 를 세포가 외래 위협으로 보고 즉시 분해한다	N1-메틸슈도유리딘 · 캡	15강
2	안정성 — RNase 가 어디에나 있어 상온에서 수 분이면 사라진다	UTR · polyA · 캡 · LNP 포장	13·17강
3	전달 — 음전하 RNA 는 음전하 세포막을 못 지나간다	LNP	16~18강
4	발현 — 들어가도 번역이 잘 안 되면 단백질이 모자란다	Kozak · 코돈 최적화 · UTR	13·14강

13강은 2와 4, 즉 서열로 푸는 문제를 다룹니다.

고등학생네 가지 문제가 이 강의 전체의 목차다

mRNA 를 약으로 쓰려면 넘어야 할 산이 딱 넷입니다. 이 강의 20강이 사실 이 네 문제를 푸는 이야기입니다.

문제	쉽게 말하면	해결한 강
면역원성	몸이 침입자로 보고 부순다	15강 (변형 U)
안정성	가만 둬도 몇 분이면 녹는다	13·17강
전달	세포 안에 못 들어간다	16~18강 (LNP)
발현	들어가도 단백질이 조금만 만들어진다	13·14강

왜 이렇게 어려운가

RNA 는 원래 세포 안에서 몇 분 쓰고 버리는 물질이기 때문입니다. 오래 살도록, 밖에서 안으로 들어가도록 설계된 물질이 아니에요. 원래 용도와 다르게 쓰려니 네 개의 산이 생긴 겁니다.

구조체를 앞에서부터

5'cap - 5'UTR - Kozak - SP - [에피토프 x3, GPGPG] - MITD - stop - 3'UTR - polyA

토막	이야기의 선택	하는 일
5' 캡	m7G 캡 유사체	번역 개시 인자(eIF4E)가 붙잡는 손잡이. 동시에 "나는 자기 RNA다" 는 신분증
5' UTR	사람 HBB (베타글로빈)	번역 개시가 잘 되는 것으로 오래 검증된 앞머리
Kozak	`GCCACCATGG`	리보솜이 스캔하다 "여기서 시작" 이라고 알아보는 신호
SP (신호 펩타이드)	IgE 신호 펩타이드	만들어지는 단백질을 소포체로 보내라는 우편번호
에피토프 ×3	SVDGQVYIP · RAHSSHLKSIP · VVVGAGGVGK	실제 화물. 30 글자
링커	`GPGPG`	에피토프 사이를 느슨하게 이어 서로 방해하지 않게 한다
MITD	MHC I trafficking domain	만든 단백질을 MHC class I 경로로 밀어 넣는다
3' UTR	사람 AES + mtRNR1	mRNA 를 오래 살게 한다
polyA	A 를 120개	꼬리. 짧아질수록 분해가 다가온다 — 수명 타이머

GPGPG 링커 — 다섯 글자가 하는 일

에피토프 셋을 그냥 이어 붙이면 문제가 생깁니다. 이음매에서 없던 서열이 생기기 때문입니다.

...VYIP | RAHS...   ->   이음매 9글자: YIPRAHSSH
                              (원래 단백질에 없던 서열)

이 가짜 서열이 우연히 MHC 에 잘 붙으면, 면역계가 존재하지도 않는 표적을 공격하도록 배웁니다. 낭비이고, 운이 나쁘면 자기 단백질과 비슷해 자가면역이 됩니다.

GPGPG 는 글라이신과 프롤린만으로 되어 있습니다. 프롤린은 사슬을 꺾고 글라이신은 자유롭게 흔들립니다. 그래서 이 다섯 글자는 구조를 만들지 않고, 프로테아솜이 자르기 쉽고, MHC 에 잘 붙지도 않습니다. 일부러 아무 일도 안 하도록 고른 서열입니다.

고등학생GPGPG — 일부러 아무 일도 안 하게 만든 다섯 글자

에피토프 셋을 그냥 붙이면 문제가 생깁니다.

...VYIP + RAHS... → 이음매에 YIPRAHSSH 라는 원래 없던 9글자가 생깁니다.

이게 왜 위험한가

이 가짜 9글자가 우연히 MHC 접시에 잘 실리면? 면역계가 세상에 존재하지도 않는 표적을 공격하도록 배웁니다. 낭비이고, 운이 나쁘면 자기 몸의 단백질과 비슷해서 자가면역이 됩니다.

그래서 사이에 끼우는 게 GPGPG

글자	성질	효과
P (프롤린)	사슬을 꺾음	구조가 안 생김
G (글라이신)	아주 말랑함	자유롭게 흔들림

이 다섯 글자는 모양도 안 만들고, 접시에 잘 실리지도 않고, 잘 잘립니다. 일부러 아무 일도 안 하도록 고른 서열이에요.

설계에서 가장 어려운 것 중 하나가 '아무 일도 안 하게 만들기' 입니다

MITD — 이 구조체에서 가장 낯선 토막

보통 세포가 자기가 만든 단백질은 MHC class I 로 갑니다. 그런데 이 구조체에는 신호 펩타이드(IgE SP) 가 붙어 있어 단백질이 소포체로 갑니다. 소포체로 간 단백질은 보통 분비되거나 막에 박힙니다 — MHC I 경로가 아닙니다.

MITD 는 그 흐름을 되돌립니다. MHC class I 분자 자신의 막관통·세포질 꼬리 부분을 가져다 붙인 것이라, 그 꼬리에 붙은 신호가 단백질을 MHC I 이 다니는 길로 끌고 갑니다.

📮

SP (앞에 붙임)

"소포체로 보내라"

🏷️

MITD (뒤에 붙임)

"MHC I 경로로 태워라"

🎯

함께

항원제시 효율이 올라간다. BioNTech 의 신생항원 백신에서 쓴 방식

이야기의 13장에서 "C-말단의 MITD가 폴리에피토프를 프로테아솜 분해 경로로 진입시켰다" 라고 나오는 대목이 이겁니다. 19강에서 그 여정을 처음부터 다시 따라갑니다.

실을 것은 30 아미노산(=90 염기)인데 구조체는 700 염기가 넘습니다.

Python 브라우저에서 실행

# 구조체를 실제로 조립해 보고, 이음매에서 생기는 가짜 서열을 세어 봅니다.
epi = ["SVDGQVYIP", "RAHSSHLKSIP", "VVVGAGGVGK"]

def build(linker):
    return linker.join(epi)

def junction_9mers(seq, epi):
    # 각 에피토프 안에 완전히 들어가지 않는 9글자 = 이음매에서 새로 생긴 것
    out = []
    for i in range(len(seq) - 8):
        w = seq[i:i+9]
        if not any(w in e for e in epi):
            out.append(w)
    return out

for linker, name in ((" ", "링커 없음(그냥 이어붙임)"), ("GPGPG", "GPGPG 링커")):
    L = "" if linker == " " else linker
    s = build(L)
    j = junction_9mers(s, epi)
    print(f"{name:28s} 길이 {len(s):3d}  이음매 9-mer {len(j):3d}개")
    print("   예:", ", ".join(j[:4]))
print()
print("링커를 넣어도 이음매 서열은 생깁니다. 다만 GP 가 많이 섞여")
print("MHC 홈에 잘 안 앉고, 프로테아솜이 그 자리를 잘 자릅니다.")
print()
print("전체 구조체 길이 어림:")
parts = [("5'UTR(HBB)", 50), ("Kozak", 10), ("IgE SP", 60),
         ("에피토프+링커", len(build("GPGPG"))*3), ("MITD", 90),
         ("stop", 3), ("3'UTR(AES+mtRNR1)", 300), ("polyA", 120)]
tot = 0
for nm, nt in parts:
    tot += nt
    print(f"   {nm:22s}{nt:>5} nt")
print(f"   {'합계':22s}{tot:>5} nt   -- 화물 90 nt 를 배달하려고 이만큼이 붙습니다")

고등학생위 코드가 방금 무슨 일을 했나요

두 가지를 했습니다.

① 에피토프를 링커 있이/없이 이어 붙이고, 이음매에서 새로 생긴 9글자를 세었습니다.
② 구조체 전체 길이를 토막별로 더했습니다.

토막	길이
실제 화물 (에피토프)	약 90 염기
3' UTR	약 300 염기
polyA	120 염기
전체	700 염기 넘음

여기서 알아 둘 것

링커를 넣어도 이음매 서열은 여전히 생깁니다. 0 이 되지 않아요. 다만 GP 가 많이 섞여서 덜 위험한 서열이 될 뿐입니다.

설계에서 문제를 완전히 없애는 일은 드뭅니다. 대개는 줄이는 것입니다.

🤔 확인 문제

에피토프 사이에 GPGPG 같은 링커를 넣는 가장 중요한 이유는?

🤔 확인 문제

이 구조체에서 신호 펩타이드(SP)와 MITD 를 함께 쓴 이유로 가장 알맞은 것은?