이종 단백질 기능적 과생산을 위한 유전자 재설계 :

동의 코돈(synonymous codon)을 활용한 번역속도조절

전남대학교 김근중 교수, 임호동 박사과정

1. 개요
대용량/고속 차세대 유전체 분석기법의 발달과 유전자 합성비용의 감소로 인해 의약이나 산업분야에 활용가치가 큰 고부가 단백질이나 대사물질의 발굴(mining)과 생산에 필요한 제반 여건이 마련되어지고 있다. 근본적으로, 대사물질도 단백질인 효소활성의 결과물임으로, 이들 자원개발의 선결요건은 고수율로 기능성 단백질을 대량으로 확보하는 일일 것이다. 하지만 재조합 단백질의 발현에는 수많은 변수가 상존하고 있기 때문에 예기치 못한 원인으로 인해 이종숙주에서의 재조합 단백질 과생산은 해결해야할 많은 난제들이 남아 있다. 공학적인 관점에서 살펴보면, 많은 변수에 의한 예측 불가능한 실패는, 생체내에서 단백질을 생산하고 관리(QC)하는데 이용하는 발현논리나 품질관리 방법, 그리고 다양한 생물리화학적 변수에 대응하는 생리기작들을 제대로 이해하지 못하고 있는 것이 가장 큰 이유일 것이다. 따라서 생체내의 발현논리나 생리기작에 근거해 숙주의 스트레스를 줄이며 발현품질을 보장받을 수 있는 새로운 재조합 단백질 대량생산 기술이 지속적으로 요구되고 있다. 이러한 목적에 부합하는 가장 효율적인 접근법은 발현논리나 품질제어, 생리기작을 고려한 발현유전자의 재설계일 것이다.

이종숙주에서 재조합 단백질의 생산을 증가시키기 위한 유전자 재설계의 주요 접근 방법 중 하나는, 코돈 최적화(codon optimization)와 같이 종간에 다른 빈도(선호도에 따른)로 존재하는 동의 코돈을 대체 도입하는 것이다. 단백질 번역속도의 증가에 주안점을 두고 있는 일방적인 최적화 (비선호코돈을 선호코돈으로 변경)와 달리, 최근에는 번역속도의 감소나 가속과 같은 새로운 발현논리에 근거한 유전자 재설계 기술들이 시도되고 있다. 유전자 내 동의코돈의 치환은 번역되는 아미노산 서열을 변경시키지 않고 암호화된 단백질의 생합성 속도와 효율을 조절할 수 있다. 본 글에서는 번역속도 조절을 위한 동의코돈 활용 유전자 재설계에 대한 일반적인 접근방법을 논의하고, 재조합 단백질 생산수율 향상과 기능적 발현의 다양한 측면에 대한 동의코돈 치환효과에 관련한 최근 연구동향을 기술하였다.