RNA 기반 유전자 치료의 진보: 스플라이싱 조절, 나노입자 전달, 마이크로RNA 플랫폼

연구진이 RNA 기반 유전자 치료의 새로운 진전을 보고했다. 여기에는 RNA 스플라이싱 조절을 통해 유전자 발현을 정밀하게 제어하는 임상 승인된 소분자, 더 안전한 유전자 전달을 위한 단백질 코팅 나노입자, 다중 표적 암 치료를 위한 마이크로RNA 유래 플랫폼이 포함된다. 이러한 접근법은 영구적 유전체 변화의 위험부터 면역 반응, 복합적 암 치료의 필요성에 이르기까지 기존 유전자 치료의 주요 한계를 해결한다.

Nature Communications에 발표된 연구에서 연구진은 임상 승인된 소분자를 활용해 RNA 스플라이싱 조절을 통한 정밀 유전자 조절 전략을 기술했다. 이미 다른 적응증으로 임상에서 사용되고 있는 이 소분자는 스플라이세오솜 복합체의 특정 구성요소에 결합하여 스플라이싱 결과를 조작하는 데 재사용될 수 있다. 이 결합은 스플라이싱 평형을 변화시켜 표적 엑손의 포함 또는 제외를 촉진한다. DNA 코드를 변경하는 유전자 편집 기술과 달리, 이 RNA 중심 접근법은 영구적 유전체 변화 없이 가역적이고 조절 가능하며 더 세밀한 유전자 제어를 가능하게 한다. 소분자의 농도와 노출 시간을 변화시킴으로써 스플라이싱 패턴에서 단계적 반응을 유도할 수 있었고, 이는 여러 유전자 표적과 세포 유형에서 확인된 단백질 생성의 용량 의존적 변화로 이어졌다. 척수성 근위축증이나 특정 형태의 낭성 섬유증과 같은 스플라이싱 결함으로 인한 유전 질환은 정상 스플라이싱 패턴을 복원할 수 있는 이 방식의 혜택을 받을 수 있으며, 비정상적 스플라이싱 이소폼에 의해 유발되는 암은 스플라이스 변이체를 선택적으로 전환함으로써 치료에 민감해질 수 있다. 환자 유래 세포를 사용한 실험에서 치료 후 질병 표현형의 기능적 회복과 정상 단백질 기능의 복원이 입증되었다. 전사체 분석 결과 의도한 유전자 표적 외의 원치 않는 스플라이싱 변화가 최소화된 높은 특이성이 확인되었고, 만성 노출 연구에서는 세포가 생존력과 정상 기능을 유지하는 것으로 나타났다.

별도로, 미시간 대학교(University of Michigan) 연구진은 단백질 코팅 나노입자를 사용하여 유전자 치료를 전달하는 방법을 개척했다. 이 나노입자는 혈청 알부민을 코팅 재료로 사용하며, mRNA 백신과 유전자 치료에 흔히 사용되는 지방 기반 지질 나노입자를 대체한다. 지질 나노입자는 염증과 간 독성과 관련이 있는 것으로 알려져 있다. 연구진은 녹색 형광 단백질(GFP)을 코딩하는 DNA 또는 메신저 RNA를 나노입자 내부에 봉입하여 간암, 신장, 면역 세포를 포함한 여러 인간 세포 유형을 시험관 내에서 성공적으로 변형했다. 단백질 봉입은 유전자 물질을 보호하고 잠재적으로 염증 반응과 간 손상을 줄여 생체 적합성을 향상시킨다. 나노입자는 전기수력학적(EHD) 제트 기술을 사용하여 제작되는데, 단백질과 유전 물질의 용액에 고전압 전기장을 가한 후, 엔도솜 탈출을 촉진하는 양전하 중합체인 폴리에틸렌이민으로 코팅한다. 바이러스 벡터와 달리, 이 단백질 나노입자는 핵산을 숙주 유전체에 통합하지 않고 유전적 지시를 전달하므로 삽입 돌연변이 유발 위험을 줄인다. 유전적 효과가 일시적이기 때문에—mRNA는 며칠 동안 지속되고 플라스미드 DNA 발현은 수개월 지속될 수 있음—프로토콜에는 반복 투여 또는 추가 접종이 포함될 수 있다. 연구진은 향후 CRISPR-Cas9 유전자 편집 요소를 이 나노입자 내에 배치하여 표적화되고 영구적인 유전체 변형을 달성하고, 단회 투여로 완치하는 것을 구상하고 있다. 이 플랫폼은 전신 투여되는 FDA 승인 바이러스 치료제가 감염과 위험한 면역 반응을 유발할 위험이 있고, 바이러스 벡터가 우발적으로 이차 악성 종양을 유발할 수 있다는 우려 속에서 등장했다.

교모세포종 연구에서 연구진은 마이크로RNA 가공에서 유래한 부산물에 기반한 유전자 치료 플랫폼을 입증했다. 이 플랫폼은 기능적으로 다른 여러 요소를 운반할 수 있으며, 이 요소들은 코딩된 1차 서열에서 절단되면 생물학적으로 활성화된다. 이 플랫폼 설계의 유일한 요건은 Drosha 절단 부위를 보존하는 것으로, 이를 통해 각 활성 구성요소가 적절히 방출되어 질환 특이적 다중 표적화를 위한 유연한 플러그 앤 플레이 스캐폴드를 제공한다. 원리 증명으로서 이 접근법은 성인에서 가장 치명적인 뇌암인 교모세포종의 다양한 모델에서 검증되었으며, 매우 시너지 효과적인 항종양 효과로 이어졌다. 이 연구는 마이크로RNA 유전자의 스캐폴드 구성요소를 이루는 부속 서열이 가공 후에도 지속된다는 것이 관찰된 첫 사례로, 마이크로RNA 유전 구조를 다양하고 다기능적인 소형 ncRNA의 조합을 세포에 도입하기 위한 용기로 재조명할 수 있게 한다. 또한 이 설계는 RNA 중합효소 II에 의해 전사되는 더 긴 서열에서 적절한 크기의 앱타머 구조를 절단할 수 있게 하여, 앱타머가 세포 내 발현을 위해 RNA 중합효소 III에 의존해야 한다는 기존의 한계를 극복했다. 연구진은 p50에 대한 앱타머를 사용하여 이 전략을 입증했다.