배경

프라임 에디팅(Prime Editing, PE)은 DNA 이중가닥을 절단하지 않고 다양한 유전 변이를 유도할 수 있는 정밀 유전자 교정 기술이다. 기존 유전자 가위의 표적이탈(off-target) 효과와 의도치 않은 서열 손상을 최소화하는 강점이 있다. 하지만 큰 분자 크기로 인해 세포 내부 전달이 까다롭다는 한계가 있었다. 아데노부속바이러스(Adeno-Associated Virus, AAV)나 지질나노입자(Lipid Nanoparticle, LNP)가 도입됐으나 면역 반응이나 장기 잔류에 따른 부작용을 유발하곤 했다.

최근 단백질 형태로 교정 물질을 일시 전달하는 엔지니어링된 바이러스 유사 입자(engineered Virus-Like Particle, eVLP)가 대안으로 주목받는다. eVLP는 세포 안에서 빠르게 분해되어 안전하지만, 1회 투여 시 전달 효율이 낮아 대규모 스크리닝에 활용하기에는 유전자 교정 수율이 부족했다.

핵심 발견

캐나다 캘거리 대학교 피에르 비용(Pierre Billon) 교수 연구팀은 eVLP 투여 방식을 개선해 PE 효율을 끌어올린 프라임-브이엘피(Progressive Repeated Infections for Maximized Editing via Virus-Like Particles, PRIME-VLP)를 선보였다. 고농도 단회 투여가 세포에 주는 독성을 완화하고자 저농도(sub-saturating) eVLP를 3일 간격으로 수차례 분할 주입하는 순차 투여 전략을 적용했다.

이 순차 투여 모델은 세포가 교정 도구에 노출되는 빈도를 높여 전체 누적 교정률을 끌어올린다. 인간 신장세포(HEK293T)와 폐암 세포(A549) 등 여러 세포주를 대상으로 분석한 결과, PRIME-VLP는 1회 고농도 투여 대비 1.5~2.9배 높은 유전자 교정 효율을 보였다. 세포 생존율 저하 같은 부작용이 나타나지 않아 안전성도 확보했다.

대규모 유전체 스크리닝으로 확장하고자 연구팀은 결합 구조의 분리를 시도한다. 교정 단백질과 가이드 서열인 프라임 에디팅 가이드 RNA(prime editing guide RNA, pegRNA)를 각각 분리해 전달하는 'pegRNA 제거형 eVLP'를 설계했다. pegRNA 라이브러리가 유입된 세포에 pegRNA가 없는 eVLP를 순차 주입해 안정적인 유전자 교정을 완료했다. 이 시스템으로 종양 억제 유전자인 TP53을 겨냥한 6,000여 개의 pegRNA 라이브러리 검증에 돌입한다. 암 세포주에 약물 넛틀린-3(Nutlin-3)를 처리해 TP53 기능 상실 변이를 추적하자 기존 렌티바이러스 전달 방식보다 2.8배 높은 교정 효율과 우수한 재현성으로 변이 지도를 완성했다.

의미와 전망

PRIME-VLP는 유전자 편집 도구 전달의 한계였던 바이러스 벡터 유래 트랜스진(Transgene)의 유전체 삽입 문제를 해결한다. 기존 렌티바이러스 기반 스크리닝은 시간이 흐르며 유전자 발현이 억제되는 사일런싱(Transgene Silencing) 현상으로 효율이 저하됐다. 반면 eVLP 기반 일시적 전달은 단백질 수준에서 교정 후 소실되어 장기적인 오작동 염려가 없다. 분할 투여 방식을 결합해 고효율 교정을 유지함으로써 질병 모델 설계의 새로운 길을 개척했다.

다만 임상 단계로 진입하려면 체내 전달 기술 연구가 보완되어야 한다. 주로 배양 세포 수준에서 검증된 기술이기에 실제 생체 내(in vivo) 환경에서 순차 투여를 구현할 제어 시스템이 부족하다. 면역계가 eVLP 단백질을 이물질로 인식해 공격할 우려도 존재한다. 향후 나노 전달체와의 융합이나 조직 선택성을 높이는 엔지니어링 기술이 접목되어야 유효한 치료 수단으로 거듭날 것이다.