RNA

생명의 중심 설계자: RNA의 구조와 기능, 그리고 의학적 혁명

1. RNA란 무엇인가: 생명 현상의 핵심 분자

생명의 유전 정보가 담긴 청사진으로 DNA(디옥시리보핵산)는 널리 알려져 있다. 하지만 이 청사진의 정보가 실제로 생명 현상을 일으키는 단백질로 만들어지기까지, 보이지 않는 곳에서 쉴 새 없이 움직이는 핵심 분자가 있다. 바로 RNA(리보핵산)이다. RNA는 DNA의 유전 정보를 세포의 단백질 생산 공장으로 전달하고, 단백질 합성을 직접 돕고, 심지어 유전자 발현을 조절하는 등 생명 유지에 필수적인 다채로운 역할을 수행하는 팔방미인 분자다.

RNA의 정의와 기본 구성 요소

RNA는 DNA와 마찬가지로 뉴클레오타이드(nucleotide)라는 단위체가 길게 연결된 고분자 물질이다. 각각의 뉴클레오타이드는 세 가지 기본 요소로 구성된다.

1. 리보스(Ribose): 5개의 탄소 원자로 이루어진 오탄당(C5​H10​O5​)으로, RNA 구조의 뼈대를 형성한다.
2. 인산기(Phosphate group): 인산기는 리보스 당과 번갈아 연결되어 ‘당-인산 골격(sugar-phosphate backbone)’을 만든다. 이 골격은 마치 책의 척추처럼 RNA 가닥의 전체적인 구조를 지탱한다. 뉴클레오타이드들은 5′ 탄소와 3’ 탄소 사이를 잇는 인산다이에스터 결합(phosphodiester bond)을 통해 사슬처럼 연결된다.
3. 질소 염기(Nitrogenous base): RNA에는 네 종류의 염기가 있다. 아데닌(Adenine, A), 구아닌(Guanine, G), 사이토신(Cytosine, C), 그리고 우라실(Uracil, U)이다. 이 염기들은 당-인산 골격에 매달려 있으며, 유전 정보를 담고 있는 글자와 같다.

DNA가 주로 이중나선 구조를 이루는 것과 달리, RNA는 대부분 단일 가닥(single-stranded)으로 존재한다. 이러한 단일 가닥 구조는 RNA가 자유롭게 접혀 다양한 3차원 입체 구조를 형성하게 하는 결정적인 특징이다. 마치 한 줄의 실이 복잡한 매듭을 만들 수 있듯이, RNA는 특정 기능에 최적화된 복잡한 형태로 접힐 수 있으며, 이는 RNA가 촉매나 조절 분자로서 기능하는 데 필수적이다.

RNA와 DNA: 생명의 두 가지 핵산, 결정적 차이점

RNA와 DNA는 생명의 유전 정보를 다루는 핵산이라는 점에서 공통점을 가지지만, 구조와 기능에서 세 가지 결정적인 차이를 보인다. 이러한 차이는 각 분자가 세포 내에서 맡은 고유한 역할을 완벽하게 수행하도록 진화한 결과다.

1. 당의 종류 (Sugar): RNA는 리보스(ribose)를, DNA는 디옥시리보스(deoxyribose)를 당으로 사용한다. 디옥시리보스는 리보스의 2번 탄소(2′)에 붙어있는 수산기(-OH)에서 산소 원자 하나가 제거된 형태다. 이 작은 차이가 분자의 안정성에 막대한 영향을 미친다. 리보스의 2′ 수산기는 화학적으로 반응성이 높아 RNA를 DNA보다 불안정하게 만든다.
2. 염기 구성 (Base Composition): RNA는 아데닌(A), 구아닌(G), 사이토신(C), 우라실(U)의 네 가지 염기를 사용한다. 반면 DNA는 우라실 대신 타이민(Thymine, T)을 사용한다. 염기쌍 형성 시, DNA에서는 아데닌이 타이민과(A-T), 구아닌이 사이토신과(G-C) 결합하는 반면, RNA에서는 아데닌이 우라실과(A-U) 짝을 이룬다.
3. 구조 (Structure): RNA는 일반적으로 단일 가닥이지만, DNA는 두 개의 가닥이 서로를 감싸는 안정한 이중나선(double helix) 구조를 형성한다.

이러한 구조적 차이는 두 분자의 기능적 차이로 직결된다. DNA의 이중나선 구조와 디옥시리보스 당은 화학적 안정성을 극대화하여 유전 정보를 손상 없이 영구적으로 보관하는 ‘마스터 청사진’ 역할에 최적화되어 있다. 반면, RNA의 단일 가닥 구조와 반응성 높은 리보스 당은 분자를 더 유연하고 일시적으로 만든다. 이는 RNA의 불안정성이 결함이 아니라, 오히려 핵심적인 기능임을 시사한다. 세포는 특정 단백질이 필요할 때만 일시적으로 유전 정보를 복사해 사용하고, 임무가 끝나면 신속하게 폐기해야 한다. RNA의 이러한 ‘일회용 작업 지시서’와 같은 특성은 세포가 환경 변화에 맞춰 유전자 발현을 정밀하게 조절하는 데 필수적이다. 즉, 분자 수준에서 ‘형태는 기능을 따른다(form follows function)’는 원리가 명확하게 드러나는 것이다.

2. RNA의 다양한 유형과 전문화된 역할

세포 내에서 RNA는 단일한 분자가 아니라, 각기 다른 전문화된 임무를 수행하는 다양한 유형의 ‘분자 전문가’ 집단으로 존재한다. 이들은 마치 잘 조직된 팀처럼 협력하여 DNA의 유전 정보를 최종 산물인 단백질로 변환하고, 그 과정을 정밀하게 조절한다. 가장 대표적인 세 가지 유형은 전령 RNA(mRNA), 전달 RNA(tRNA), 리보솜 RNA(rRNA)이며, 이 외에도 수많은 작은 RNA들이 조절자로서 활약한다.

전령 RNA (mRNA): 유전 정보의 우편배달부와 mRNA 백신

전령 RNA(messenger RNA, mRNA)는 이름 그대로 DNA에 저장된 유전 정보를 단백질 합성 장소인 리보솜으로 전달하는 ‘메신저’ 역할을 한다. DNA의 유전 정보는 핵 안에 안전하게 보관되어 있는데, mRNA는 이 정보 중 특정 단백질을 만드는 데 필요한 부분만 정확히 복사(전사, transcription)하여 핵 밖 세포질로 운반한다. 리보솜에서는 mRNA의 염기 서열이 세 개씩 짝을 이룬 ‘코돈(codon)’이라는 단위로 읽히며, 각 코돈은 특정 아미노산을 지정한다.

이러한 mRNA의 자연적인 기능은 현대 의학에 혁명을 가져왔다. mRNA 백신 기술은 바로 이 원리를 응용한 것이다. 과학자들은 바이러스의 특정 단백질(예: 코로나19 바이러스의 스파이크 단백질)을 만드는 유전 정보를 담은 합성 mRNA를 만들어 지질 나노 입자(LNP)에 포장하여 인체에 주입한다. 그러면 우리 몸의 세포들이 이 mRNA를 받아들여 바이러스 단백질을 스스로 생산하게 된다. 면역계는 이 단백질을 외부 침입자로 인식하고 항체를 형성하는 등 방어 체계를 구축하여, 실제 바이러스가 침입했을 때 신속하게 대응할 수 있도록 훈련받는다.

전달 RNA (tRNA): 아미노산 전문 운반책

전달 RNA(transfer RNA, tRNA)는 mRNA의 유전 암호(코돈)와 단백질의 구성 단위(아미노산)라는 두 개의 다른 언어를 연결하는 ‘분자 번역가’ 또는 ‘어댑터’다. tRNA는 약 76~90개의 뉴클레오타이드로 이루어진 비교적 작은 RNA로, 특정 부위에서 염기쌍을 형성하여 평면적으로는 클로버 잎(cloverleaf) 모양의 2차 구조를, 입체적으로는 ‘L’자 형태의 3차 구조를 형성한다.

tRNA의 한쪽 끝에는 ‘안티코돈(anticodon)’이라는 세 개의 염기 서열이 있어 mRNA의 특정 코돈과 상보적으로 결합한다. 다른 쪽 끝인 3’ 말단에는 특정 아미노산이 부착된다. 단백질 합성 과정(번역, translation)은 다음과 같은 정교한 단계로 진행된다.

1. 아미노산 장전: ‘아미노아실-tRNA 합성효소(aminoacyl-tRNA synthetase)’라는 효소가 특정 아미노산을 인식하고, 그에 맞는 tRNA에 정확하게 부착시킨다. 이 과정을 ‘tRNA 충전(charging)’이라고 한다.
2. 리보솜 진입 및 코돈 인식: 아미노산이 부착된 tRNA는 리보솜의 A 자리(aminoacyl site)로 들어와 자신의 안티코돈을 mRNA의 코돈과 결합시킨다.
3. 펩타이드 결합 형성: 리보솜은 P 자리(peptidyl site)에 있는 성장 중인 폴리펩타이드 사슬을 A 자리의 tRNA에 있는 새로운 아미노산으로 옮겨 펩타이드 결합을 형성한다. 이 반응은 리보솜의 rRNA에 의해 촉매된다.
4. 이동 및 방출: 리보솜이 mRNA를 따라 한 코돈만큼 이동하면, 아미노산을 전달한 빈 tRNA는 E 자리(exit site)를 통해 리보솜을 빠져나가 재활용된다.

여기서 단백질 합성의 정확성을 보장하는 이중 안전장치가 존재한다. 리보솜은 tRNA에 어떤 아미노산이 붙어 있는지는 확인하지 않고, 오직 코돈-안티코돈의 결합만을 확인한다. 진짜 품질 관리는 그 이전에 일어난다. 바로 아미노아실-tRNA 합성효소가 아미노산과 tRNA를 짝지어주는 단계다. 이 효소는 특정 아미노산과 그에 해당하는 모든 tRNA를 놀라울 정도로 정확하게 인식하며, 일부는 잘못 부착된 아미노산을 제거하는 교정(proofreading) 기능까지 갖추고 있다. 이처럼 ‘합성효소에 의한 1차 검증’과 ‘리보솜에 의한 2차 검증’이라는 이중 확인 시스템 덕분에 세포는 오류 없는 단백질을 생산할 수 있다.

리보솜 RNA (rRNA): 단백질 합성 공장의 핵심 엔진

리보솜 RNA(ribosomal RNA, rRNA)는 세포 내에서 가장 풍부한 RNA로, 전체 RNA의 약 80%를 차지한다. rRNA는 단백질과 결합하여 리보솜(ribosome)이라는 거대한 분자 기계를 구성하는 핵심 구조물이자 기능적 중심이다. 리보솜은 크고 작은 두 개의 소단위체(prokaryotes: 50S, 30S; eukaryotes: 60S, 40S)로 이루어져 있으며, rRNA는 이 구조의 뼈대를 형성한다.

rRNA의 가장 중요한 역할은 단백질 합성과정에서 아미노산들 사이에 펩타이드 결합(peptide bond) 형성을 촉매하는 것이다. 즉, rRNA는 유전 정보를 담고 있지는 않지만 효소처럼 화학 반응을 촉진하는 ‘리보자임(ribozyme)’으로 작동한다. 이는 생명의 초기 형태에서는 단백질 효소 없이 RNA만으로도 생명 현상을 유지했을 수 있다는 ‘RNA 세계 가설’을 뒷받침하는 강력한 증거가 된다.

조절자로서의 작은 RNA들: miRNA, siRNA, 그리고 유전자 침묵

과거에는 단백질을 암호화하지 않는 RNA를 ‘쓰레기(junk)’로 여기기도 했지만, 이제는 이들이 유전자 발현을 정교하게 조절하는 핵심 조절자임이 밝혀졌다. 대표적인 비암호화 RNA(non-coding RNA, ncRNA)로는 마이크로RNA(microRNA, miRNA)와 작은 간섭 RNA(small interfering RNA, siRNA)가 있다.

이들은 약 22개의 뉴클레오타이드로 이루어진 작은 RNA 분자로, 전사 후 단계에서 유전자 발현을 억제하는 ‘유전자 침묵(gene silencing)’ 현상을 일으킨다. 이 과정은 RNA 간섭(RNA interference, RNAi)이라고 불리며, 그 기작은 다음과 같다.

1. 세포 내에서 긴 이중 가닥 RNA 전구체가 ‘다이서(Dicer)’라는 효소에 의해 잘려 miRNA나 siRNA가 된다.
2. 이 작은 이중 가닥 RNA는 ‘RISC(RNA-induced silencing complex)’라는 단백질 복합체에 결합한다.
3. RISC는 이 작은 RNA 가닥 중 하나를 ‘가이드’로 사용하여, 이와 상보적인 염기 서열을 가진 mRNA를 찾아낸다.
4. 목표 mRNA를 찾으면, RISC는 그 mRNA를 절단하여 분해하거나, 번역 과정을 억제하여 단백질이 만들어지지 못하게 한다.

miRNA와 siRNA의 주된 차이점은 표적의 특이성이다. siRNA는 보통 하나의 특정 mRNA만을 완벽하게 표적하여 매우 특이적으로 유전자를 침묵시키는 반면, miRNA는 여러 종류의 mRNA에 부분적으로 결합하여 수백 개의 다른 유전자 발현을 동시에 미세하게 조절할 수 있다. 이러한 자연적인 유전자 조절 메커니즘은 질병 유전자를 선택적으로 억제하는 새로운 치료법 개발에 영감을 주었다.

3. RNA의 핵심 생물학적 기능

RNA의 다양한 유형들은 각자의 전문화된 역할을 통해 생명 현상의 근본적인 정보 흐름을 관장한다. DNA에 암호화된 유전 정보가 어떻게 기능적인 단백질로 발현되는지를 설명하는 분자생물학의 중심 원리부터, 유전 정보의 다양성을 폭발적으로 증가시키는 RNA 스플라이싱에 이르기까지, RNA는 모든 과정의 중심에 서 있다.

중심 원리(Central Dogma): DNA에서 단백질로의 정보 흐름

분자생물학의 중심 원리(Central Dogma)는 1958년 프랜시스 크릭(Francis Crick)에 의해 처음 제안된 이론으로, 생명체 내 유전 정보의 흐름이 일정한 방향성을 가진다는 것을 설명한다. 이 원리의 핵심은 정보가

DNA → RNA → 단백질의 순서로 흐른다는 것이다.

1. 복제(Replication): DNA는 스스로를 복제하여 유전 정보를 다음 세대로 전달한다.
2. 전사(Transcription): DNA의 유전 정보가 RNA(특히 mRNA) 형태로 복사된다.
3. 번역(Translation): mRNA에 담긴 정보가 리보솜에서 단백질로 번역된다.

이 중심 원리는 생명 현상의 기본 틀을 제공하지만, 절대적인 법칙은 아니다. 예를 들어, HIV와 같은 레트로바이러스(retrovirus)는 역전사 효소(reverse transcriptase)를 이용하여 자신의 RNA 유전 정보를 숙주 세포의 DNA로 역전사(reverse transcription)시킨다. 이러한 예외는 중심 원리의 복잡성을 더해주지만, 대부분의 생명체에서 정보가 흐르는 주된 경로는 여전히 DNA에서 RNA를 거쳐 단백질로 이어진다.

단백질 합성의 주역: 전사(Transcription)와 번역(Translation)

단백질 합성은 중심 원리의 두 핵심 과정인 전사와 번역을 통해 이루어진다. 이 과정에서 앞서 설명한 RNA 삼총사(mRNA, tRNA, rRNA)가 각자의 역할을 수행하며 완벽한 협업을 보여준다.

• 전사(Transcription): 핵 안에서 RNA 중합효소가 DNA 이중나선을 풀고, 그중 한 가닥을 주형으로 삼아 상보적인 mRNA 가닥을 합성하는 과정이다. 이는 DNA라는 거대한 도서관에서 필요한 페이지만 복사하는 것과 같다.
• 번역(Translation): 세포질로 나온 mRNA가 리보솜에 결합하면 번역이 시작된다. 리보솜(rRNA와 단백질 복합체)은 mRNA의 코돈을 순서대로 읽어 들인다. 이때 tRNA가 코돈에 맞는 아미노산을 정확히 운반해오면, 리보솜은 이 아미노산들을 펩타이드 결합으로 연결하여 긴 단백질 사슬을 만든다.

이처럼 전사와 번역은 RNA 분자들이 유기적으로 상호작용하며 유전 암호를 물리적인 기능 분자인 단백질로 바꾸는, 생명의 가장 경이로운 과정 중 하나다.

유전자 재단사: RNA 스플라이싱(Splicing)과 단백질 다양성 확보

진핵생물의 유전자는 단백질을 암호화하는 부분인 ‘엑손(exon)’과 암호화하지 않는 부분인 ‘인트론(intron)’이 섞여 있는 형태로 구성된다. DNA가 전사되면 인트론과 엑손이 모두 포함된 미성숙 RNA(pre-mRNA)가 만들어진다. 이 pre-mRNA가 기능적인 단백질을 만들기 위해서는 불필요한 인트론을 제거하고 엑손들만 정확하게 이어 붙이는 과정이 필요한데, 이를 **RNA 스플라이싱(RNA splicing)**이라고 한다. 이 정교한 ‘재단’ 작업은 ‘스플라이소좀(spliceosome)’이라는 거대한 RNA-단백질 복합체에 의해 수행된다.

RNA 스플라이싱의 진정한 묘미는 **선택적 스플라이싱(alternative splicing)**에 있다. 이는 하나의 pre-mRNA에서 어떤 엑손을 포함하고 어떤 엑손을 제외할지를 조합하여 여러 종류의 성숙한 mRNA를 만드는 과정이다. 예를 들어, A-B-C-D라는 엑손을 가진 유전자에서 A-B-C 조합의 단백질과 A-C-D 조합의 단백질을 각각 만들 수 있다.

이 선택적 스플라이싱은 생물학적 복잡성을 설명하는 핵심 열쇠 중 하나다. 인간의 유전체에는 약 2만 5천 개의 단백질 암호화 유전자가 있지만, 실제 인체에는 9만 개가 넘는 다양한 단백질이 존재한다. 이러한 ‘유전자 수의 역설(G-value paradox)’은 바로 선택적 스플라이싱을 통해 설명될 수 있다. 제한된 수의 유전자를 가지고 ‘엑손 조합’이라는 방식으로 정보의 활용도를 극대화하여 엄청난 수의 단백질을 생성하는 것이다. 이는 고등생물이 적은 유전자로도 복잡한 생명 현상을 유지할 수 있게 하는 매우 효율적인 진화적 전략이며, 인간 유전자의 95% 이상이 선택적 스플라이싱을 겪는 것으로 알려져 있다.

4. RNA의 탄생과 가공: 합성 및 처리 과정

RNA는 세포 내에서 필요에 따라 끊임없이 생성되고 가공되며 분해된다. 이 역동적인 과정의 중심에는 DNA의 유전 정보를 RNA로 옮겨 적는 핵심 효소인 RNA 중합효소가 있다. 또한, 생명의 양대 축인 원핵세포와 진핵세포는 RNA를 합성하고 처리하는 방식에서 근본적인 차이를 보이며, 이는 각 세포의 구조와 생활 방식에 깊이 연관되어 있다.

RNA 중합효소(Polymerase): DNA 청사진을 복사하는 효소

RNA 중합효소(RNA polymerase)는 DNA 가닥을 주형(template)으로 사용하여 상보적인 RNA 가닥을 합성하는, 즉 전사 과정을 촉매하는 핵심 효소다. 이 효소는 전사의 세 단계인 개시, 신장, 종결 전반에 걸쳐 주도적인 역할을 한다.

1. 개시(Initiation): RNA 중합효소는 유전자의 시작 부위 근처에 있는 특정 DNA 서열인 ‘프로모터(promoter)’를 인식하고 결합한다. 결합 후, 효소는 DNA 이중나선을 국소적으로 풀어 단일 가닥의 주형을 노출시킨다.
2. 신장(Elongation): 효소는 DNA 주형 가닥을 따라 이동하면서, 주형의 염기 서열에 상보적인 리보뉴클레오타이드를 하나씩 순서대로 가져와 연결하며 RNA 사슬을 길게 만들어나간다.
3. 종결(Termination): RNA 중합효소가 유전자의 끝을 알리는 ‘종결 서열(terminator sequence)’에 도달하면 RNA 합성을 멈추고, 새로 만들어진 RNA 가닥과 DNA 주형으로부터 분리된다.

진핵생물은 기능에 따라 세 종류의 RNA 중합효소를 가지고 있다. RNA 중합효소 I은 rRNA를, RNA 중합효소 II는 mRNA를, 그리고 RNA 중합효소 III는 tRNA와 같은 작은 RNA들을 주로 합성한다.

원핵세포와 진핵세포: 전사 과정의 근본적 차이

원핵세포(박테리아 등)와 진핵세포(동물, 식물 등)는 세포 구조의 차이만큼이나 RNA 합성 및 처리 과정에서도 뚜렷한 차이를 보인다.

이러한 차이의 근본적인 원인은 세포 구조에 있다. 핵막이 없는 원핵세포에서는 DNA와 리보솜이 모두 세포질에 존재하기 때문에, mRNA가 합성되는 도중에 리보솜이 달라붙어 번역을 시작하는 ‘전사-번역 짝물림(coupling)’이 가능하다. 이는 원핵생물이 환경 변화에 매우 신속하게 대응하여 필요한 단백질을 즉시 만들어낼 수 있게 하는 생존 전략이다.

반면, 핵막으로 유전 물질을 보호하는 진핵세포에서는 전사(핵)와 번역(세포질)이 공간적으로, 그리고 시간적으로 분리되어 있다. 이 분리는 단순히 물리적인 장벽 이상의 의미를 가진다. 전사가 끝난 후 번역이 시작되기까지의 ‘지연 시간’은 진핵세포에게 복잡하고 정교한 유전자 조절을 수행할 ‘기회의 창’을 제공한다. 이 시간 동안 세포는 pre-mRNA에 5′ 캡과 3’ 폴리-A 꼬리를 붙여 RNA의 안정성을 높이고 번역 효율을 조절하며, 무엇보다 선택적 스플라이싱을 통해 단 하나의 유전자로부터 다양한 단백질을 만들어내는 경이로운 정보 처리 능력을 발휘한다. 결국, 진핵세포의 복잡성은 전사와 번역 과정의 분리라는 구조적 혁신 위에 세워진 것이라 할 수 있다.

5. 의학의 패러다임을 바꾸는 RNA 기술

수십 년간 축적된 RNA에 대한 기초 과학적 이해는 이제 인류의 건강과 질병 치료 방식을 근본적으로 바꾸는 혁신적인 기술로 꽃피우고 있다. 특히 mRNA 백신과 RNA 간섭(RNAi) 치료제는 RNA가 가진 무한한 잠재력을 증명하며 의학의 새로운 패러다임을 열고 있다.

mRNA 백신: 팬데믹을 통해 증명된 혁신적 기술

mRNA 백신은 RNA 기술이 얼마나 빠르고 강력하게 인류의 보건 위기에 대응할 수 있는지를 보여준 대표적인 사례다. 기존 백신이 약화되거나 비활성화된 바이러스 또는 바이러스의 단백질 조각을 직접 주입하는 방식이었던 반면, mRNA 백신은 질병을 일으키는 병원체의 특정 항원(예: SARS-CoV-2의 스파이크 단백질)을 만드는 ‘설계도(mRNA)’를 우리 몸에 전달하는 방식을 취한다.

이 합성 mRNA는 지질 나노 입자(LNP)라는 미세한 지방 방울에 싸여 세포 안으로 안전하게 전달된다. 세포 내로 들어간 mRNA는 세포의 단백질 생산 공장인 리보솜을 이용하여 설계도에 따라 항원 단백질을 생산한다. 우리 몸의 면역계는 이 단백질을 외부 침입자로 인식하고 항체를 생성하는 등 강력한 면역 반응을 유도한다. 이 과정을 통해 실제 바이러스에 노출되지 않고도 안전하게 면역력을 획득하게 된다.

mRNA 백신 기술의 가장 큰 장점은 개발 속도와 유연성이다. 바이러스 자체를 배양할 필요 없이 유전 정보만 있으면 신속하게 백신을 설계하고 대량 생산할 수 있다. 코로나19 팬데믹 당시 전례 없는 속도로 백신이 개발될 수 있었던 것도 바로 이 덕분이다. 또한, mRNA는 우리 몸의 DNA가 있는 핵으로 들어가지 않으며 수일 내에 자연적으로 분해되므로 유전 정보를 변형시킬 위험이 없다.

RNA 간섭(RNAi) 치료제: 질병 유전자를 침묵시키는 정밀 타격

RNA 간섭(RNAi)은 세포가 가진 본연의 유전자 조절 메커니즘을 활용하여 질병을 치료하는 정밀 의료 기술이다. 이 기술은 특정 유전자의 발현을 ‘침묵’시키는 작은 간섭 RNA(siRNA)를 약물로 사용하는 방식이다.

질병을 유발하는 특정 단백질이 과도하게 생성되는 경우, 그 단백질의 설계도에 해당하는 mRNA를 표적으로 하는 siRNA를 합성하여 환자에게 투여한다. 이 siRNA는 세포 내 RNAi 기구를 활성화하여 표적 mRNA를 찾아내 분해함으로써, 질병 단백질의 생성을 원천적으로 차단한다. 마치 특정 스팸 메일(질병 mRNA)을 차단하는 필터(siRNA)를 설치하는 것과 같다.

RNAi 치료제의 가장 큰 강점은 염기 서열 상보성에 기반한 높은 특이성이다. 전통적인 약물이 단백질의 3차원 구조에 맞는 ‘열쇠’를 찾는 방식이라면, RNAi 치료제는 유전 정보인 ‘서열’을 직접 표적하므로 매우 정밀한 타격이 가능하다. 이미 파티시란(Patisiran), 기보시란(Givosiran) 등 여러 RNAi 치료제가 희귀 유전 질환 치료제로 승인받았으며, 주로 간에서 발현되는 유전자를 표적으로 한다. 현재는 간 이외의 다른 조직으로 siRNA를 효과적으로 전달하는 기술과 잠재적인 오프타겟 효과(off-target effect)를 최소화하는 연구가 활발히 진행 중이며, 심혈관 질환, 대사 질환 등 다양한 질병에 대한 임상시험이 진행되고 있다.

암, 희귀질환, 그리고 미래: RNA 치료제의 무한한 가능성

RNA 기술은 전통적인 약물 개발의 패러다임을 ‘하드웨어’ 중심에서 ‘소프트웨어’ 중심으로 전환시키고 있다. 기존 신약 개발이 특정 단백질 구조(하드웨어)에 맞는 화합물을 수없이 스크리닝하는 방식이었다면, RNA 치료제는 질병 유전자의 서열 정보(소프트웨어)만 알면 그에 맞는 치료제를 신속하게 설계할 수 있는 ‘플랫폼 기술’이다. 전달체인 LNP(하드웨어)는 그대로 두고, 그 안에 담는 RNA 서열(소프트웨어)만 바꾸면 다양한 질병에 대응할 수 있다.

이러한 패러다임 전환은 의학의 여러 분야에서 무한한 가능성을 열고 있다.

• 맞춤형 암 치료: 환자 개개인의 종양 세포가 가진 고유한 돌연변이(신생항원, neoantigen) 정보를 담은 mRNA 암 백신을 만들어, 면역계가 자신의 암세포만을 정밀하게 공격하도록 훈련시킬 수 있다. 2024-2025년 흑색종, 췌장암 등에서 긍정적인 임상 결과가 발표되며 큰 기대를 모으고 있다.
• 희귀 유전 질환 치료: 특정 단백질이 없거나 제 기능을 못해 발생하는 유전 질환에 대해, 정상 단백질을 암호화하는 mRNA를 주입하여 부족한 단백질을 보충하는 ‘단백질 대체 요법’이 가능하다.
• 차세대 기술: 유전자를 영구적으로 바꾸지 않고 RNA 단계에서 일시적으로 오류를 수정하는 RNA 편집(RNA editing) 기술이나, 선형 RNA보다 안정성이 훨씬 높은 **순환 RNA(circular RNA)**를 활용한 치료제 등 차세대 RNA 기술들이 임상 단계에 진입하며 새로운 지평을 열고 있다.

이러한 RNA 치료제 시장은 폭발적인 성장이 예상되며, 2028년에는 약 26조 원 규모에 이를 것으로 전망된다. 국내 기업들 역시 코로나19 백신 개발 경험을 바탕으로 다양한 질병에 대한 RNA 기반 치료제 및 백신 개발에 적극적으로 나서고 있다. 2025년 초 기준으로 전 세계적으로 1,100건 이상의 RNA 치료제 임상이 진행 중이며, 이는 RNA 기술이 미래 의학의 핵심 동력이 될 것임을 명백히 보여준다.

6. RNA 연구의 역사: 위대한 발견의 연대기

오늘날 우리가 목격하고 있는 ‘RNA 혁명’은 하루아침에 이루어진 것이 아니다. 이는 지난 한 세기에 걸쳐 수많은 과학자들의 끈질긴 탐구와 위대한 발견이 쌓아 올린 지식의 탑이다. RNA라는 분자의 정체를 밝히고 그 무한한 가능성을 탐색해 온 여정은 과학적 진보가 어떻게 이루어지는지를 보여주는 한 편의 서사시다.

초기 발견부터 노벨상 수상까지: RNA 연구의 주요 이정표

RNA 연구의 역사는 DNA와의 차이점을 규명하는 것에서부터 시작되었다.

• 1930-50년대: 초기 생화학 연구를 통해 RNA와 DNA가 각각 다른 종류의 당(리보스와 디옥시리보스)을 가지며, RNA는 알칼리에 불안정하다는 화학적 특성이 밝혀졌다.
• 1961년: 시드니 브레너, 프랑수아 자코브 등은 mRNA가 DNA의 유전 정보를 리보솜으로 전달하는 ‘전령’임을 실험적으로 증명하며, 중심 원리의 핵심 고리를 밝혔다.
• 1965년: 로버트 홀리(Robert Holley) 연구팀이 최초로 tRNA의 전체 염기 서열을 규명했다. 이 업적은 유전 암호가 어떻게 아미노산으로 번역되는지를 분자 수준에서 이해하는 결정적인 계기가 되었고, 홀리는 이 공로로 1968년 노벨 생리의학상을 수상했다.
• 1977년: 진핵생물의 유전자가 불연속적인 구조(인트론과 엑손)로 이루어져 있으며, RNA 스플라이싱을 통해 인트론이 제거된다는 사실이 발견되었다. 이는 ‘하나의 유전자가 하나의 단백질을 만든다’는 기존의 통념을 뒤엎는 충격적인 발견이었다.
• 1982년: 토머스 체크(Thomas Cech)와 시드니 올트먼(Sidney Altman)이 RNA 분자 자체가 효소처럼 화학 반응을 촉매할 수 있다는 사실, 즉 ‘리보자임’을 발견했다. 이 발견으로 RNA가 유전 정보 저장과 촉매 기능을 모두 수행할 수 있음이 증명되었고, 두 과학자는 1989년 노벨 화학상을 수상했다.
• 1998년: 앤드루 파이어(Andrew Fire)와 크레이그 멜로(Craig Mello)가 RNA 간섭(RNAi) 현상을 발견했다. 이들은 이중 가닥 RNA가 특정 유전자의 발현을 특이적으로 억제한다는 것을 보여주었고, 이는 유전자 기능 연구와 질병 치료에 새로운 길을 열었으며, 2006년 노벨 생리의학상 수상으로 이어졌다.
• 2023년: 커털린 커리코(Katalin Karikó)와 드루 와이스먼(Drew Weissman)이 mRNA 백신 개발을 가능하게 한 핵심 기술, 즉 mRNA의 염기(유리딘)를 변형하여 면역 반응을 회피하고 단백질 생산 효율을 높이는 방법을 개발한 공로로 노벨 생리의학상을 수상했다.

RNA 세계 가설(RNA World Hypothesis): 생명의 기원에 대한 해답인가?

생명의 기원에 대한 가장 큰 수수께끼 중 하나는 ‘닭이 먼저냐, 달걀이 먼저냐’의 문제와 유사하다. 유전 정보(DNA)와 기능 수행(단백질) 중 무엇이 먼저 생겨났을까? DNA는 정보를 저장하지만 스스로 복제하거나 기능을 수행할 수 없고, 단백질은 복잡한 기능을 수행하지만 유전 정보를 담고 있지 않다.

**RNA 세계 가설(RNA World Hypothesis)**은 이 딜레마에 대한 가장 설득력 있는 해답을 제시한다. 이 가설은 태초의 생명체가 DNA나 단백질이 아닌, RNA에 기반을 두었을 것이라고 주장한다. RNA는 DNA처럼 유전 정보를 저장할 수 있는 동시에, 리보자임처럼 단백질 효소의 기능도 수행할 수 있기 때문이다. 즉, RNA는 ‘정보’와 ‘기능’을 모두 가진 유일한 분자로서, 스스로 복제하고 진화하며 원시 생명 활동을 이끌었을 것이라는 이론이다.

이 가설을 뒷받침하는 강력한 증거는 현대 세포에서도 발견된다. 모든 세포의 단백질 합성 공장인 리보솜의 핵심 촉매 부위가 단백질이 아닌 rRNA로 이루어져 있다는 사실은 RNA가 생명의 중심이었던 시대의 ‘살아있는 화석’으로 여겨진다. 또한, 2024년 발표된 연구에서는 특정 RNA 효소가 다른 기능성 RNA를 정확하게 복제하고, 그 과정에서 돌연변이를 통해 새로운 변이를 만들어내는, 즉 분자 수준의 다윈적 진화가 가능함을 실험적으로 보여주었다.

물론, RNA 세계 가설이 모든 것을 설명하지는 못하며, RNA와 단백질(펩타이드)이 처음부터 함께 진화했다는 ‘RNA-펩타이드 세계’와 같은 대안적 가설도 활발히 연구되고 있다. 하지만 RNA가 생명 탄생의 중심에 있었다는 아이디어는 여전히 가장 유력한 시나리오로 남아있다.

현대 RNA 연구의 최전선: 순환 RNA(circRNA)와 RNA 편집 기술

RNA 연구는 과거의 발견에 머무르지 않고 지금도 끊임없이 새로운 영역을 개척하고 있다. 현대 RNA 생물학의 최전선에서는 기존에 알려지지 않았던 새로운 유형의 RNA와 그 기능이 속속 밝혀지고 있다.

• 순환 RNA(Circular RNA, circRNA): 대부분의 RNA가 선형(linear) 구조인 것과 달리, 양 끝이 공유 결합으로 연결된 고리 모양의 RNA다. 이 구조 덕분에 circRNA는 분해 효소에 매우 강해 일반적인 선형 RNA보다 훨씬 안정적이다. 세포 내에서 다른 RNA나 단백질의 활동을 조절하는 스펀지 역할을 하는 것으로 알려져 있으며, 높은 안정성 덕분에 차세대 치료제 및 질병 진단 마커로 큰 주목을 받고 있다.
• RNA 편집(RNA Editing) 기술: DNA 서열 자체를 영구적으로 바꾸는 유전자 편집과 달리, RNA 편집은 세포의 유전 정보 원본은 그대로 둔 채, 그 복사본인 RNA 단계에서 특정 염기를 바꾸거나 수정하는 기술이다. CRISPR 시스템 등을 활용하여 특정 RNA 서열을 정밀하게 바꿀 수 있으며, 효과가 일시적이기 때문에 영구적인 유전자 변형에 대한 안전성 우려를 피할 수 있다. 통증, 염증과 같은 질환이나 일시적인 단백질 기능 조절이 필요한 경우에 유용한 치료 전략으로 떠오르며, 이미 임상 시험 단계에 진입한 기술도 있다.

이처럼 RNA의 세계는 여전히 미지의 영역으로 가득하며, 새로운 발견들은 생명 현상에 대한 우리의 이해를 심화시키고, 인류가 질병을 정복하는 데 새로운 무기를 제공할 것이다.

7. 더 깊은 탐구를 위한 자료

자주 묻는 질문 (FAQ)

Q1: mRNA 백신이 제 DNA를 바꿀 수 있나요? 아니요, 바꿀 수 없다. mRNA 백신에 포함된 mRNA는 세포의 핵 안으로 들어가지 않으며, 우리 몸의 DNA와 상호작용하거나 통합되지 않는다. mRNA는 세포질에서 단백질을 만드는 데 잠시 사용된 후 수일 내에 자연스럽게 분해되어 사라진다.

Q2: RNA는 왜 DNA보다 덜 안정적인가요? 두 가지 주된 이유가 있다. 첫째, RNA의 당인 리보스는 2번 탄소에 화학적으로 반응성이 높은 수산기(-OH)를 가지고 있어 분해되기 쉽다. 반면 DNA의 디옥시리보스는 이 자리에 산소가 없어 더 안정적이다. 둘째, RNA는 주로 단일 가닥 구조로 존재하여 분해 효소의 공격에 더 쉽게 노출된다. DNA는 안정한 이중나선 구조로 유전 정보를 보호한다.

Q3: 우리 몸에는 유전자보다 단백질 종류가 훨씬 더 많은 이유는 무엇인가요? 가장 주된 이유는 ‘선택적 스플라이싱(alternative splicing)’ 때문이다. 하나의 유전자로부터 전사된 미성숙 RNA(pre-mRNA)에서 엑손(단백질 암호화 부위)들을 다양한 방식으로 조합하여 여러 종류의 성숙한 mRNA를 만들 수 있다. 그 결과, 하나의 유전자에서 구조와 기능이 다른 여러 단백질이 만들어질 수 있어 단백질의 다양성이 폭발적으로 증가하게 된다.

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