ASO 치료제와 Antisense RNA

직전에 작성한 RNAi 치료제 기전에 이어서...

RNAi 치료제 기전 뜯어보기

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Antisense RNA & ASO (Antisense Oligonucleotides)

siRNA와 RNAi 치료제를 보다보면 Antisense RNA라는 개념이 나온다.

siRNA와 헷갈릴 수 있는데 Antisense RNA는 단백질을 만드는 어떤 RNA 서열의 상보적인 RNA 사슬이다. 반면 siRNA는 Antisense strand 와 Sense strand가 결합한 짧은 dsRNA이다. 이 Antisense strand (Passenger Strand)는 AGO2 단백질 등과 결합해 RISC를 형성하고, Sense strande(Guide Strand)는 세포질 내에서 분해된다. 

이 Antisense RNA, 즉 어떤 mRNA에 상보적인 RNA 가닥을 이용한 치료방법도 있는데 이를 ASO, Antisense Oligonucleotide라고 한다. siRNA가 RNA Induced Silencing Complex(RISC)을 형성하여 mRNA의 침묵 및 절단을 유도하는 것과 다르게 ASO는 다른 방식으로 작용한다.  

(a) RNASEH1을 이용해 mRNA의 분해를 유도하거나 (b) 잘못된 Splicing을 유도하거나 (c) AUG start codon에 결합해 mRNA 해석의 시작을 막거나 하는 방식이다. 

현재 승인된 약품으로는 (A)와 (B) 방식의 약들이 존재한다. 

(A) Gapmer ASO 치료제: DNA기반의 Gap의 좌우에 RNA와 비슷한 LNA(Locked Nucleic Acid)를 둘러, 특정 mRNA 부분에 강한 친밀도로 결합하게 한다. 이때 DNA gap과 RNA가 결합한 RNA-DNA Duplex는 RNASEH1에게 인식되어 분해되게 된다. 대표적인 치료제로 가족성 고콜레스테롤혈증 치료제인 Mipomersen,  면역저하 환자의 망막염 치료제로 승인받은 Formivirsen, 유전성 신경병증 치료제인 Inotersen이 있다. 

(B) Steric Block ASO: 이들은 앞의 Gapmer 방식과 다르게 RNA와 결합하더라도 RNA 분해효소와 상호작용하지 않아 RNA가 분해되지 않는다. 이들은 mRNA의 특정 부분과 결합하여 Splicing 과정에서 Spliceosome에 의해 인식되지 않아Exon Skipping 또는 Exon Inclusion을 유도한다. 

("These oligomers are known as “steric blockers” because they act by blocking the ribosome rather than facilitating cleavage of RNA.")

Gene silencing by siRNAs and antisense oligonucleotides in the laboratory and the clinic

원래 아래와 같이 진핵생물에서는 DNA > mRNA로 전사 과정에서 mRNA의 전 단계인 pre mRNA를 거치는데, 이 상태에서는 non-coding RNA인 Intron이 단백질을 코딩하는 Exon과 함께 들어있다. 이때 Intron들을 잘라내고 Exon끼리 이어붙여 Mature mRNA를 만들어내는데 이를 Splicing이라고 한다.  

출처: Khan Academy

이때 특정 Exon이 포함되고 포함되지 않는지 여부에 따라 다양한 단백질이 만들어진다. 이를 Alternative Splicing이라고 한다. 

하여튼 이 종류의 치료제는 고의적으로 Exon의 Inclusion 또는 Skipping을 유도하여 정상 단백질을 만들어 내는 것을 목표로 한다. 대표적으로 Eteplirsen / Exondys 51 이라는 뒤센근이영양증의 치료제가 있다.

뒤센근이영양증 환자들은 유전자 이상으로 세포골격을 형성하는 Dystrophin이라는 단백질의 결핍으로 근육저하증이 발생한다. 단백질 중간에 정상적인 연결이 안되는 것이 문제인데, Exondys 51은 문제가 되는 Exon을 건너뛰어 조금 짧지만 정상적인 기능을 하는 디스트로핀 단백질을 생산할수 있게 한다. 다만 효능이 성공적이지는 못했다고 한다. 

ASO vs siRNA 치료제

두 치료제는 몇 가지 차이점을 가지고 있다.

(1)  ASO는 상대적으로 단일가닥의 4~10kda 크기로 이중가닥의 14kda 크기를 가지고 있는 siRNA에 비해 더 작다. 따라서 상대적으로 투약에 유리함이 있다. ASO는 척수강 내 주사로 중추신경계 투약이 가능하나 siRNA는 제한되는 등의 식이다. 

(2) 또한 mRNA의 해석 과정에 개입하는 것은 맞으나 구체적인 기전이 다르다. ASO는 RISC를 형성하지 않고 단일가닥으로 mRNA 단백질 해석 과정에 개입하고, siRNA는 AGO단백질과 함께 RISC를 형성하여야 한다. 

RNA Aptamer

그 외에 RNA Aptamer라는 방식도 연구중이다. Aptamer는 안정된 3차원적 구조를 유지하며 특정 분자에 강하게 결합할 수 있는 핵산이다. 이를 RNA로 만들겠다는 것이고 RNA를 이용한 표적치료제가 되는 셈이다.