바이러스 유사 입자 (VLP)를 활용한 비침습적 CRISPR RNP 전달 기반 마우스 유전자변형 모델 제작 기술 개발

- 특수 장비 없이도 다양한 유전자변형 모델 제작이 가능

(왼쪽부터)

정태영 박사과정 학생(고려대학교 의과대학 대학원), j9t2y9@naver.com, 공동 제1저자

윤다은 박사과정 학생(고려대학교 의과대학 대학원), ekidmes@naver.com, 공동 제1저자

김솔빈 박사과정 학생(서울대학교 수의과대학 대학원), kkssbb007@snu.ac.kr, 공동 제1저자

양지윤 박사과정 학생(고려대학교 의과대학 대학원), yunej7132@naver.com, 공동 제1저자

성제경 교수(서울대학교, 수의과대학), snumouse@snu.ac.kr, 공동 교신저자

김경미 교수(서울대학교, 수의과대학), kyoungmi_kim@snu.ac.kr, 공동 교신저자

연구 요약>
유전자 변형 생쥐 모델 (Genetically Engineered Mouse Models, GEMMs)은 생명과학 및 의생명연구 전반에 걸쳐 질병 기전 규명, 약물 반응 평가, 유전자 기능 분석 등을 위한 핵심 도구로 활용되어 왔다. 최근에는 CRISPR/Cas9 시스템이 도입되면서 유전체 편집 효율이 크게 향상되었으나, 여전히 미세주입(microinjection)이나 전기천공 (electroporation)과 같은 물리적 전달 방식은 고가의 장비와 고도의 숙련 기술을 필요로 하며, 배아 손상의 위험도 존재하는 등 연구자 접근성 및 실험 재현성에 제약이 있었다.

본 연구에서는 이러한 기존 기술의 한계를 극복하고자, 바이러스 유사 입자 (Virus-like Particles, VLPs)를 이용한 비침습적 CRISPR-RNP 전달 기술 (CRISPR-VIM, CRISPR-VLP-induced mutagenesis)을 새롭게 개발하였다. 이 기술은 Cas9 또는 base editor (ABE, CBE) protein과 sgRNA가 결합된 형태의 ribonucleoprotein (RNP) 복합체를 VLP에 포장한 후, 생쥐 수정란과 단순히 공배양 (co-culture)함으로써 유전자 편집을 유도할 수 있다. 이를 통해 기존 방식과 달리 물리적 조작 없이도 높은 효율과 정확도로 생쥐 모델 제작이 가능해졌다.

연구팀은 VLP를 통한 SpCas9 또는 ABE8e 전달을 통해 Plin1, Tyr, Gata3 등 다양한 유전자를 표적하여 knockout, point mutation, knock-in 등 다양한 편집 형질을 유도하였다. 특히 Plin1 유전자의 knockout을 통해 얻은 생쥐 개체는 체내 지방조직 내에서의 단백질 발현 변화와 대식세포 침윤 증가 등의 표현형 변화를 보였으며, F1 및 F2 세대에서도 안정적으로 유전형이 전달됨을 확인하였다. 또한 Tyr 유전자의 A-to-G 치환을 통해 히말라얀 표현형 (H420R 변이)을 유도함으로써, 본 기술이 단순한 편집을 넘어 질병 모델 생성에도 활용 가능함을 입증하였다.

특히, 본 기술은 기존 생쥐 수정란뿐만 아니라 체외수정(In Vitro Fertilization, IVF) 조건에서도 적용 가능하며, 다양한 단계(정자 전처리, 수정 직후, 배양기 동안 등)에 따라 유전자 편집 효율을 비교 분석하였다. 이 결과, 수정 이후 배양 과정에서 VLP를 처리하는 방식이 배아 발달에 가장 영향을 주지 않으면서도 높은 편집 효율을 보였으며, 이는 향후 대규모 생쥐 모델 제작의 생산성 향상에도 큰 기여를 할 수 있음을 시사한다.

그림 2. 체외 수정 조건에 바이러스 유사 입자 (VLP)를 활용한 비침습적 CRISPR RNP 전달 적용에 따른 마우스 모델 제작(왼쪽) 및 표현형 분석(오른쪽)

또한, 본 연구에서는 adeno-associated virus (AAV)를 이용한 homology-directed repair (HDR) 기반 knock-in 전략과의 병행 적용을 통해, Kcnq4 유전자에 humanized exon을 도입하는 knock-in 모델 생쥐 제작에도 성공하였다. 이러한 결과는 본 기술이 단순한 유전자 제거 (knockout) 뿐만 아니라, 정밀한 유전자 삽입 (knock-in)에도 적합한 플랫폼임을 보여준다.

끝으로 연구진은 SpCas9, ABE, CBE 등 다양한 편집 도구를 조합한 다중 편집 전략 (double, triple, quadruple editing)을 적용하여 최대 4개의 유전자를 동시에 조절하는 실험도 수행하였다. 이러한 다중 편집 능력은 복합 질환 모델이나 기능성 분석 연구에 있어 중요한 기반 기술이 될 수 있다.

본 연구의 핵심 기여는, 복잡한 물리적 조작 없이도 고효율, 고정밀 편집이 가능한 범용형 마우스 모델 제작이 가능한 유전자 편집 플랫폼을 확립한 데 있다. 이 기술은 향후 중대형 동물모델 확장, 맞춤형 유전질환 연구, 약물 반응 예측 모델링 등 다양한 분야에 널리 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 나아가 CRISPR 기술의 임상 응용을 위한 비바이러스성, 안전한 전달 기술 개발 측면에서도 중요한 전환점을 제시하는 성과라 할 수 있다.

논문제목, 페이지번호, 발행년도:

An innovative approach using CRISPR-ribonucleoprotein packaged in virus-like particles to generate genetically engineered mouse models. Nat Commun. 2025 Apr 11;16(1):3451.

논문URL: https://doi.org/10.1038/s41467-025-58364-7