질병 진단을 빠르고 정확하게, RNA 바이오마커

질병의 치료 과정에 있어서 가장 선행되어야 할 과정은 무엇일까? 바로 ‘질병의 진단’이다. 이러한 질병의 진단은 ‘진단분자생물학’, ‘진단검사의학’이라는 이름 아래 오랜 역사를 지니고 있는데, 현대에 이르러서 가장 널리 알려진 기술으로는 ‘RT-PCR’이 있다. 하지만, 불과 몇 년 전 코로나 팬데믹 당시 코로나 바이러스를 진단하는 데에 가장 보편적으로 사용되었던 방법이기도 한 PCR 진단은 몇 가지 문제점을 가진다. 보건소에서 코로나 바이러스 검사를 받았던 때를 떠올려 보자. 우리는 전문 기관에 직접 방문하여 오랜 줄을 기다린 뒤 콧속에 기다란 면봉을 넣어 체액을 채취한다. 심지어 검사 2-3일 정도가 지난 뒤에서야 검사 결과를 받아볼 수 있어 그 동안은 마음을 졸이며 기다려야만 했다. 하지만 본 글에서 소개할 ‘RNA 바이오마커’라는 새로운 진단 방식은 이러한 문제를 모두 해결할 수 있다. 현재의 방식보다 저렴하고, 신속하며 정확한 것이다. 따라서, 본 글에서는 진단분자생물학에 대해 간단히 살펴본 후, 현재 그의 최전선에 있는 RNA 바이오마커 진단의 원리 및 우수성, 활용 방안 및 향후 연구 방향에 대해 알아볼 것이다. 

진단분자생물학의 개념 및 정의

진단분자생물학(Molecular Diagnostics)이란 혈액, 소변, 대변, 체액 및 조직 등 각종 인체로부터 채취되는 검체, 특히 액체 상태로 된 검체에서 분자 및 세포 성분을 정확히 검사하여 그 결과를 환자 및 그 환자를 보살피는 의료진에게 전달하는 학문이다. 다시 말해, 진단검사의학에서 이용하는 검체에 대해 그 안에 특정한 DNA 구조나 RNA 구조가 있는지 검사하여, 이를 통해 질환을 정확히 진단하거나 혹은, 질환이 일어나기 전에 먼저 위험성에 대해 진단하고 또한, 치료법의 결정이나 치료 도중의 경과 관찰 등에 사용하는 학문을 말한다. 진단분자생물학에서 사용하는 검사는 결국 특정한 DNA나 RNA를 검출하는 방법으로 DNA 검사, 분자유전검사, 유전자검사 등으로 불리고 있다.

진단분자생물학은 몇 가지 의미를 가지는데, 그 첫째는 질환이 발생하기도 전에 질병의 위험도를 예측하거나, 또는 질환에 감염될 것이라고 확실하게 진단을 내릴 수 있다는 점이다. 뿐만 아니라, 확실한 진단법이 없던 질병의 확진과 감별진단, 그리고 새로운 분류가 가능해지며, 원인이 되는 유전자에 표적 치료 및 치료의 경과 관찰 등에 이용할 수 있다. 

진단분자생물학의 역사 및 응용 분야

진단분자생물학의 역사는 오래되지 않았지만, 그 기초가 되는 핵산과 관련된 학문의 발전은 그전부터 있었다. 진단분자생물학은 그 기초 위에 세워진 응용학문으로 최근 그 발전의 속도가 매우 빨라지고 있다. 1953년, 미국의 분자 생물학자인 제임스 듀이 왓슨(James Dewey Watson)과 영국의 분자생물학자인 프랜시스 해리 컴프턴 크릭(Francis Harry Compton Crick)은 DNA가 이중나선 구조로 이루어졌다고 주장하고 이를 Nature를 통해 발표하였다. 그들은 photo 51이라 불리는 X-ray 회절 이미지를 통해 DNA의 구조를 유추해 냈고, 이는 20세기 중요한 과학 발견 중에서도 가장 손꼽히는 발견이었다. 그들은 이 발견에 대한 공로로 1962년 노벨생리의학상을 수상하기도 했다. 뿐만 아니라 핵산의 전체적 골격이 아닌 하나하나의 벽돌이 되는 뉴클레오티드의 서열을 알아내는 것은 유전체의 정보를 하나하나 해부하는 데에 큰 도움을 주었는데, 인류 최초로 RNA의 서열분석에 성공한 사람은 미국의 생화학자 로버트 윌리엄 할리(Robert William Holley)이다. 그가 주축이 된 그의 팀은 alanine tRNA를 두 가지의 제한효소를 이용해 1964년에 분석해 내는 데 성공하였다. 그의 발견은 유전자와 그 발현과정을 밝히는 데 큰 지식적 뒷받침이 되었으며, 그 공로로 1968년 노벨의학상을 수상하게 되었다.

인간 유전체 프로젝트는 진단분자생물학에 있어 매우 큰 발전을 가져온 중요한 프로젝트였다. 인간 유전체 프로젝트 전에는 각각의 질병의 원인 유전자의 규명을 위해 많은 시간과 노력을 소모하였지만, 1980년대 초에는 순수 분리된 단백질의 분석을 통해 유전자를 발견하였고, 1990년대 들어서는 유전질환 가계에서 유전체 내 여러 위치의 유전 표지자와 질병의 유전양상을 연관 분석하여 유전자를 규명하기 시작하였다. 인간 유전체 프로젝트가 시작되기 전의 방법을 미로에서 지도하나 없이 출구를 찾아 헤매는 것에 비유한다면, 그 이후에는 2003년에 일차적인 결실을 보면서, 의학자들은 사람의 유전체에 대한 기본적 지도를 갖게 되어, 유전체 연구에 더욱 가속도를 가할 수 있게 되었다. 다만, 여기서 말하는 일차적인 결실이란 인간의 유전자 구조에 대해 밝혀졌다는 의미일 뿐, 그 기능에 대해서는 모르는 부분과 밝혀질 부분이 많이 남아있어, 아직 인간 유전체 프로젝트는 끝나지 않았다고 할 수 있겠다.

이러한 진단분자생물학은 혈액종양, 고형종양, 감염질환 등의 진단에서 널리 쓰이는데, 우선 혈액종양에서의 응용부터 살펴보자. 혈액종양의 진단에는 골수검사를 이용한 형태학적 관찰 및 세포화학염색 특성 확인, 유세포분석을 이용한 혈액종양세포의 계열 확인, 염색체 핵형 분석 등의 방법이 주로 이용됐다. 그러나 2001년 WHO 분류법에 ‘AML with recurrent cytogenetic abnormalities’라는 분류체계가 새로이 추가되면서 특정 유전자 변이의 유무가 혈액종양의 진단 분류를 결정짓는 중요한 인자로 등장하였다. 최근 분자유전학적 검사기법의 급속한 발달과 함께 혈액종양의 발생 및 예후와 관련된 유전자에 대한 연구가 더욱 활발히 이루어지고 있다. 유전자 변이에 근거한 새로운 분류법이 제안되고 있고, 의의가 확립된 유전자는 개정 분류체계에 신속히 추가되고 있다. 이를 볼 때 혈액종양에서 분자진단이 차지하는 중요성은 앞으로 더욱 커질 것으로 예상된다. 혈액종양에서 분자유전학적 방법을 이용한 검사는 질환의 진단뿐 아니라 예후 예측, 치료방침 결정 및 치료경과 추적에 이르기까지 혈액종양 전반에 걸쳐 다양하게 활용되고 있다. 다음으로, 고형종양의 경우, 재 암은 현대사회에서 주요 사망원인으로 많은 현대인을 고통받게 하고 있다. 통계청에서 2013년 9월에 발표한 ‘2012년 사망원인 통계’를 보면 전체 사망 원인 1위가 암으로 사망률은 인구 10만 명당 146.5명에 이른다. 2위 심장질환은 10만 명당 52.5명, 3위 뇌혈관질환은 51.1명으로 2위와 3위를 합쳐도 1위에 못 미칠 만큼 큰 수치이다. 현재까지의 연구 결과 암은 세포의 성장과 분화 등을 조절하는 여러 유전자의 이상에 따른 유전 질환이며, 원인 유전자에 대한 다양한 분자진단검사를 진단과 치료에 이용하고 있다. 마지막으로, 감염질환에서의 진단분자생물학을 알아보자면, 분자생물학적 기술들이 발전하면서 미생물의 검출 및 동정, 특성 규명 등에 진단분자생물학이 광범위하게 응용되고 있다. 세균의 경우 항생제에 내성을 보이는 원인 유전자 또는 유전자 돌연변이의 검출이나, 독소의 검출 등에 이용되고 있다. 특히 결핵균의 경우 동정을 위해서는 오랜 기간의 배양이 필요하였으나, 진단분자생물학의 발전으로 조금 더 빠른 진단과 약제내성 정보를 얻을 수 있게 되었다. 바이러스의 경우 감염증의 원인으로 추정되는 종의 DNA 또는 RNA를 검출함으로써 감염증을 진단하거나, 항바이러스제 내성검사 등에 이용되고 있다.

이론적 배경: 센트럴 도그마

RNA 바이오마커에 대해 알아보기 전, 몇 가지 이론적 배경을 살펴보자. 분자생물학의 중심원리 또는 센트럴 도그마는 1958년 프랜시스 크릭이 제안한 개념으로, 1970년 nature에 개정되어 발표되었다. 이 중심원리는 '단백질로 만들어진 정보는 다른 단백질이나 핵산으로 전달될 수 없다'는 의미도 담고 있으며 생명체의 유전 정보가 어떻게 전달되는지를 나타내는데, DNA, RNA, 단백질의 세 유전 물질 사이에서 가능한 전이과정은 전체 9가지가 있고, 중심원리에서는 이것을 일반적인 전이과정(general transfer), 특수한 전이과정(special transfer), 알려지지 않은 전이과정(unknown transfer)의 세 가지로 나눈다. 일반적 전이과정은 대부분의 세포에서 일어나는 것으로 알려진 과정으로, 이 과정에는 기존 DNA에서 새로운 DNA를 생성하는 복제, DNA에서 RNA를 생성하는 전사, 그리고 RNA에서 단백질을 생성하는 번역의 세 가지가 있고, 특수한 전이과정은 과정 자체는 발견되었지만 일반적인 현상은 아닌 것으로, RNA에서 DNA, RNA에서 RNA, DNA에서 단백질을 생성하는 과정이다. 그리고 알려지지 않은 전이과정에는 단백질에서 DNA, RNA, 단백질을 생성하는 과정이 있고, 이 전이과정은 일어나지 않을 것으로 추정된다. 여기서 우리에게 중요한 것은 RNA가 단백질의 형성에 중요한 역할을 한다는 점이다.

[그림1] 센트럴 도그마1

[그림2] 센트럴 도그마 2

이렇게 중요한 RNA에 연관된 질병들은 정말 많은데, 즉 많은 질병의 인자들이 RNA에 인코딩되어 있다는 것이다. 그 예로 바이러스(virus), 박테리아(bacteria), 암(cancer), 자가

면역질환(autoimmune disease)등이 있다.

이론적 배경: 크리스퍼 시스템(CRISPR system)

대부분은 CRISPR-Cas9으로 알고 있겠지만, Cas9만 있는 것은 아니다. CRISPR는 "Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats"의 약자로, 박테리아와 고세균 같은 미생물이 외부 침입 바이러스로부터 자신을 보호하기 위해 사용하는 면역 시스템이다. 이 시스템은 외부 유전자, 특히 바이러스 DNA를 인식하고 절단하는 데 도움을 줍니다. 미생물의 DNA 안에는 CRISPR 서열이 반복적으로 존재하며, 이 반복 구간 사이에는 침입한 바이러스의 유전자 일부가 저장된다. 이를 통해 미생물은 이후 동일한 바이러스가 침입할 때 재빨리 인식하고 방어할 수 있다. CRISPR와 연관된 단백질, 예를 들어 Cas 단백질은 RNA 가이드를 이용해 특정 유전자를 찾아 절단하며, 이 가이드 RNA는 이전에 침입했던 바이러스의 유전자 서열과 일치하는 서열을 포함하고 있어, 침입자의 DNA 또는 RNA를 정확하게 표적화할 수 있다. 다양한 Cas 단백질이 존재하며, 이들은 DNA 또는 RNA를 표적화하고 절단하는 데 관여하는데, 예를 들어, Cas9은 DNA 절단에 특화되어 있고, Cas13은 RNA를 표적화한다.

[그림3] 크리스퍼 시스템

RNA 바이오마커의 원리

앞서 바이러스, 박테리아, 암, 자가면역질환은 RNA와 관련되어 있다고 했듯이, RNA가 얼마나 많이, 또는 적게 발현되는지 아는 것이 단백질이 얼마나 발현되는지 아는 것과 같고, 이는 결국 질병 진단으로 이어질 수 있다. 또, 이것을 알아낼 수 있는 크리스퍼 가위가 RNA를 알아보는 크리스퍼 가위라는 것은 당연하다. 이를 위해서 과학자들은 자연에 존재하는 미생물의 meta gene들을 전부 분석하기 시작하였고, 결국 RNA CRISPR를 찾아내었다. 그것이 바로 CRISPR-Cas13인데요, 이는 RNA - 단백질 복합체로, 가이드 RNA를 들고 다니며, 마음대로 타겟을 프로그래밍 할 수 있다. 이러한 CRISPR-Cas13은 타겟 RNA를 만나게 되면 효소 작용 진행한다. 이는 서열에 관계 없이 무작위 편집 기능이 있는 효소 작용을 하고 있고, 효소 기능이 엄청 세다. 이는 익히 알고 있는 CRISPR-Cas9이 DNA를 자르는 것과 전혀 다른 메커니즘의 작용으로, RNA를 없애버리는 것을 통해 자신을 보호하는데, RNA를 원하는 대로 프로그래밍해서 알아보고, 효소 기능을 신호를 만드는 데에 사용해보자는 아이디어에서 RNA에 발광, 흡광되는 짝을 붙여주어 단백질이 이를 잘라 분리해내면 형광이 나오기 시작하도록 하였다. 바이러스 RNA를 넣어주면 이 단백질에 붙는 순간 이 리포터 RNA가 절단되면서 형광이 시간에 따라서 쭉 증가하게 되는 것이다. 이는 현재의 분자 진단 툴을 대체하기에 아주 혁신적인 툴이라고 할 수 있다.

[그림4] CRISPR-Cas13의 작용

[그림5] RNA 바이오마커의 원리

RNA 바이오마커의 우수성 및 PCR 진단과의 비교

이를 제가 서론에서 언급했던 기존의 RCP 방식과 비교하면 그 우수성을 더 명확하게 알 수 있는데, 아래 표에 나타난 것과 같이, 간편성, 정확도, 속도 등에서 모두 CRISPR-Cas13이 PCR보다 우수함을 알 수 있다. 즉, 기존 PCR의 예민함, RT 도중의 샘플 손실, 속도가 느린 것, 많은 단계를 거쳐야 하는 것, 상당한 비용을 요구하고 어디서든 할 수 없다는 등의 문제점을 모두 해결할 수 있다는 것이다. PCR은 바이러스 RNA를 DNA로 역전사한 후 DNA 복제하여 진단하여 과정이 복잡하고 장비가 비싼 반면, RNA Biomarker는 RNA를 직접 알아보고 바로 발광하여 간단하고 신속하게 진단 가능하고, 테스트튜브 안에서 빛을 내어 바로 진단할 수 있는 현장 진단 툴이기 때문에 휴대폰 형광 리더기 등을 사용하면 들고 다니면서 바이러스 진단을 할 수 있다는 큰 장점이 있다. 물론, 코로나 시기 당시의 신속 항원 검사 키트와 같은 포맷의 키트로도 제작 가능하다.

[그림6] RNA 바이오마커와 PCR 진단의 비교

RNA 바이오마커의 활용 사례 및 향후 연구 방향

일부 질병은 PCR 진단 기술로 진단하기 매우 어렵거나 현지 경제 상황에 따라 매우 가변적이다. 하지만 CRISPR-Cas13은 이러한 문제를 해결하고 신속하고 정확한 다중 검사를 가능하게 한다. 현재 활용되고 있는 몇 가지 사례를 살펴보자. 캄보디아에서 유행하는 아보바이러스는 열대모기를 매개로 하는 바이러스로, 지구온난화에 따라 발현 범위가 점차 넓어지고 있다. 이 뿐만 아니라 Dengue virus, Zika virus, Chikungunya virus, SFTSV 등도 우리에게 심각한 피해를 가져다 줄 수 있다. 현재는 RT-PCR, 신속항원, 항체 키트로 진단을 진행 중이나 정확도가 아주 떨어지고 복잡하며, 중앙병원에서 진행하여 접근성이 낮다는 문제점이 있습니다. 따라서 CRISPR-Cas13을 통한 저렴하고 정확한 다중 검사를 목표로, 뎅기열, 지카 바이러스 등 질병 구분이 가능하고 원하는 특정 바이러스에 대해서 효소에 작용하는 속도가 다르게 설계하는 것을 목표로 연구 진행 중에 있다고 한다. 현재는 하나의 형광 리포터를 넣더라도 발현되는 속도에 따라서 구분할 수 있게 하여 약 10개 가량의 질병을 구분할 수 있다.두 번째 사례는 암이다. 바이러스에 대해서는 Cas13을 사용할 수 있지만 만성질환은 여전히 복잡한 검사를 대체하지 못하고 있는데, 암 환자의 발현 패턴이 일반인과 차이가 나므로 발현 패턴을 측정, 분석해서 질병을 구분할 수 있도록 하는 것을 목표로 연구 진행 중에 있다고 한다. 하지만 발현 패턴, 즉 target RNA가 수십, 수백 개로 늘어나면 이가 어려워지므로 발전이 필요하다고 하며, 현재 알츠하이머, 임신중독 등을 검사할 수 있는 데 까지 도달하였다고 한다. 그렇다면 이렇게 복잡한 질병에 대해서도 진단이 가능해지려면 무엇이 이루어져야 할까? 일단 샘플이 많아야 한다. 과학자들은 기능이 다르고 고유한 타겟을 찾아낼 수 있어야 하므로 자연계에 존재하는 새로운 Cas13을 찾고 성능을 검사하고 어떤 것을 진단할 수 있는지 찾는 중이라고 하며, 이에서 더 나아가 단백질의 언어를 완전히 학습한 뒤에 내가 원하는 단백질, 자연계에 없는 새로운 Cas13을 생성하는 연구 또한 진행중이라고 한다.

글을 마치며

RNA 바이오마커와 CRISPR-Cas13 기술의 발전은 질병 진단 분야에서 새로운 가능성을 개척하고 있다. 기존의 복잡하고 비용이 많이 드는 PCR 방식에 비해 RNA 바이오마커는 간편하고 신속하며, 현장에서도 진단이 가능한 장점을 가지고 있으며, 이를 통해 코로나와 같은 전염병 뿐만 아니라 암, 알츠하이머 등의 질병도 더욱 정밀하게 진단할 수 있는 길이 열리고 있는 것이다. 앞으로 과학자들은 다양한 질병에 적용할 수 있는 새로운 Cas13 변종을 탐구하고, 인공적으로 조합하여 더욱 효율적인 진단 시스템을 개발하는 데 힘쓸 것이며, 이러한 혁신이 지속된다면, 질병 진단의 미래는 더욱 정확하고 신속하며, 나아가 전 세계적으로 보다 많은 사람들에게 접근 가능한 진단 방식을 제공할 수 있게 될 것이다.

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공유경 학생기자 | Chemistry & Biology | 지식더하기

참고자료

[1]   네이버 지식백과 – 진단분자생물학 https://terms.naver.com/entry.naver?cid=44416&docId=2117549&categoryId=44416

[2]   위키백과 – 센트럴 도그마 https://ko.wikipedia.org/wiki/%EC%84%BC%ED%8A%B8%EB%9F%B4_%EB%8F%84%EA%B7%B8%EB%A7%88

[3]   기초과학연구원 과학지식백과 – 바이오 마커, 질병 진단에서 개인맞춤의학까지 https://www.ibs.re.kr/cop/bbs/BBSMSTR_000000000901/selectBoardArticle.do?nttId=12647

[4]   KAIST 바이오및뇌공학과 손성민 교수님 세미나 (2024.07.02)

[5]   Ghorbani, A., Hadifar, S., Salari, R., Izadpanah, K., Burmistrz, M., Afsharifar, A., Eskandari, M. H., Niazi, A., Denes, C. E., & Neely, G. G. (2021). A short overview of CRISPR-Cas technology and its application in viral disease control. Transgenic Research, 30(3), 221–238. https://doi.org/10.1007/s11248-021-00247-w

[6]   Yang, H., & Patel, D. J. (2024). Structures, mechanisms and applications of RNA-centric CRISPR–Cas13. Nature Chemical Biology, 20(6), 673–688. https://doi.org/10.1038/s41589-024-01593-6

[7]   신화희. (2021). 신종 바이러스 감염병 팬데믹 대응을 위한 차세대 진단기술. BT NEWS, 28(1), 46–53.

첨부 이미지 출처

[1]   위키백과 – 센트럴 도그마

[2]   yg YOUR GENOME -How is DNA turned into protein? The Central Dogma of Molecular Biology

[3]   Ghorbani, A., Hadifar, S., Salari, R., Izadpanah, K., Burmistrz, M., Afsharifar, A., Eskandari, M. H., Niazi, A., Denes, C. E., & Neely, G. G. (2021). A short overview of CRISPR-Cas technology and its application in viral disease control. Transgenic Research, 30(3), 221–238. https://doi.org/10.1007/s11248-021-00247-w

[4]   Yang, H., & Patel, D. J. (2024). Structures, mechanisms and applications of RNA-centric CRISPR–Cas13. Nature Chemical Biology, 20(6), 673–688. https://doi.org/10.1038/s41589-024-01593-6

[5]   신화희. (2021). 신종 바이러스 감염병 팬데믹 대응을 위한 차세대 진단기술. BT NEWS, 28(1), 46–53.

[6]   자체 제작

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