<h1>체내 지속성에 중요한 시알산</h1><p>당단백질에 부착된 당사슬의 말단에는 시알산이 캡핑 (capping)되며, 혈액 내에서 당단백질의 수명을 결정하는 주요인자로 작용한다. 특히, 당사슬의 말단을 캡핑하는 역할을 하는 시알산이 제거되고 말단에 갈락토스가 노출되면 간에 존재하는 비시알산당단백질 (asialoglycoprotein) 수용체에 의해 해당 단백질이 제거된다. 이 수용체는 당사슬에 결합하는 특성을 가진 렉틴의 일종으로 1970 년대에 이를 발견한 Ashwell 교수의 이름을 따서 Ashwell 수용체로 불리기도 한다. 당사슬 말단의 시알산 캡핑의 여부는 당단백질 의약품의 체내 지속성을 결정하기 때문에 이에 관한 많은 연구들이 진행되었지만, Ashwell 수용체가 인체 내에서 실제로 수행하는 역할에 대한 단서가 밝혀진 것은 극히 최근의 일이다. 2008년 UCSD의 Marth 교수 연구팀은 Ashwell 수용체가 병원균 감염에 의해서 유발된 패혈증에서 생존율을 높여주는 역할을 수행한다는 사실을 발표하였다. 패혈증을 유발하는 모델 세균으로 폐렴구균 (Streptococcus pneumoniae)을 Ashwell 수용체가 결손된 Knockout 생쥐에 감염시키면, 세균의 표면에 있는 시알산 절단효소 (neuraminidase, NanA)가 혈소판과 von Willebrand factor (VWF)의 시알산을 제거하면서 패혈증의 무서운 합병증인 “파종성 혈관내 응고 (disseminated intravascular coagulation, DIC)"가 높은 비율로 유도되었다. 하지만, 정상 생쥐에서는 Ashwell 수용체가 시알산이 제거된 혈소판과 VWF를 효과적으로 제거하면서 DIC를 감소시켜 생존 확률을 크게 높여주었다.</p><p>이와 같이 간에 존재하는 Ashwell 수용체는 시알산이 부가되지 않고 갈락토스로 끝난 당사슬이 부착된 당단백질들을 혈액에서 빠르게 제거하는 역할을 한다. 하지만, 당사슬의 말단이 갈락토스로 끝나는 경우에만 체내 지속성이 짧아지는 것은 아니며, 만노스나 GlcNAc으로 끝나는 경우에도 체내 지속성이 짧아진다고 보고되어 있다. 혈액에 존재하는 만노스 수용체와 만노스 결합 렉틴 등이 만노스와 GlcNAc에 결합해서 빠른 속도로 해당 당단백질을 혈액에서 제거한다. 유사하게 세망내피계 (reticuloendothelial system)를 통해서도 만노스와 GlcNAc을 말단에 가진 당단백질이 제거되기도 한다.</p><p>대표적인 바이오블록버스터인 EPO는 신장에서 만들어지는 조혈인자로서 악성 빈혈환자와 만성 신부전 환자 등에 사용되는데, EPO의 체내 지속성은 시알산 부가 정도에 매우 민감하게 반응한다. 설치류에서 실험한 바에 따르면 정상적으로 시알산이 부가된 EPO는 5 ~ 6 시간의 체내 반감기를 갖는 반면, 시알산이 제거된 EPO는 2 분 이내의 체내 반감기를 갖는다. 특히, GlcNAc 두 개가 연결된 두 개의 안테나 구조 (bi-antennary)의 당사슬에 비해서 4 개의 안테나 구조 (tetra-antennary)에 시알산이 부가된 경우에 체내 활성이 높으며, 체내 지속성도 더 긴 것으로 나타났다. EPO는 시알산 함량이 높을수록 체내 지속성이 더 길게 나타나는데, 이는 EPO와 EPO 수용체와의 결합을 약화시키는 덕분에 혈액에서 제거되는 속도가 감소하기 때문이다. 암젠은 이를 이용하여 오리지널 EPO 제품인 Epogen의 차세대 제품으로 2개의 당질화 위치를 더 도입하여 시알산 함량을 크게 증가시킨 Aranesp를 개발하여 성공적으로 상용화하였다. Aranesp는 시알산 함량의 증가 덕분에 수용체와의 결합력이 감소하였으며, in vivo 효능을 유지한 채로 체내 반감기가 3 배 증가하여 환자의 편의성이 증대되었다. Aranesp는 2001년에 처음 시장에 도입된 이래 매출이 급성장하여 Epogen과 Procrit와 같은 기존 오리지널 제품들을 제치고 베스트셀러 제품으로 등극하여 당사슬 공학이 재조합 단백질 의약품의 성능 향상에 효율적인 전략임을 입증해 주는 대표적인 사례가 되었다.</p><p>인체에 주로 존재하는 시알산은 \( N \)-acetylneuraminic acid (Neu5Ac)이며, 인간을 제외한 다른 포유류에서 일정 부분 관찰되는 \( N \)-glycolylneuraminic acid (Neu5Gc)는 거의 관찰되지 않는다. Neu5Ac는 당화 전구체인 CMP-Neu5Ac로 활성화된 후에 CMP-Neu5Ac hydroxylase (CMAH) 효소에 의해서 CMP-Neu5Gc로 전환된다. 이 CMAH 유전자는 침팬지와 인류의 공통 조상에서 침팬지가 갈라지고 난 이후, 뇌 용적의 팽창이 일어나기 직전인 2 백 80 만 년 전 무렵에 6 번째 엑손 (exon)에서 \( 92 ~ \mathrm{bp} \) 의 DNA가 결손되는 돌연변이가 발생해서 비활성화 된 것으로 추정된다. 따라서, 대부분의 포유류와 침팬지 등의 영장류들도 합성하는 Neu5Gc를 인류와 이미 멸종한 네안데르탈인만이 합성하지 못하기 때문에 이를 비인간 시알산 (non-human sialic acid)라고 부르기도 한다. 하지만, 육류와 우유를 섭취 함으로써 이 비인간 시알산을 체내에 흡수할 수 있기 때문에 소량이지만 인체 내에도 Neu5Gc가 존재하며, 암 등의 이상 조직에 많이 분포한다. 이러한 이유로 인체 내에는 Neu5Gc를 항원으로 인식하는 항체들이 존재하여, 시알산으로 Neu5Gc가 부가된 재조합 단백질이 인체 내에 주입되었을 때 면역 반응의 문제를 유발할 소지가 있다. 동물세포인 CHO 세포도 Neu5Gc를 합성할 수 있는 능력을 가지고 있으나 무혈청 배지에서 재조합 단백질을 발현하는 경우에는 단백질에 부가되어 있는 Neu5Gc의 양은 매우 미미한 수준으로 관찰된다. 하지만, 혈청 배지를 사용하는 경우나 배양 조건에 따라서는 때때로 이 양이 증가하게 되는 데 이 경우 Neu5Gc에 대한 면역 반응 때문에 체내에서 단백질이 빨리 제거되기도 한다.</p>
당단백질 의약품이 체내에 얼마나 지속되는지를 결정하는 것은 무엇이야?
당사슬 말단의 시알산 캡핑의 여부