[연구필요성]

 조류는 포유류와 달리 발생학적 구조 특성으로 인해 생체 내 유전자 조작이 어려워 원시생식세포(Primordial germ cell; PGC)를 분리하여 in vitro에서 배양 후 유전자를 조작하고 다시 배아로 이식하는 방식이 주로 활용되어 왔다.

그러나 이러한 PGC 기반 기술은 장기 배양이 가능한 닭 종에 국한되어 있어 다양한 조류종으로의 확장이 제한적이며, 기존 in vivo 유전자 전달 시스템 또한 낮은 전달 효율이라는 한계를 가진다.

따라서 다양한 조류 종에 적용 가능하고 생체 내에서 직접 생식세포를 표적할 수 있는 고효율 in vivo 유전자 전달 기술 개발이 요구되어 왔다.

[연구성과/기대효과]

 서울대학교 농업생명과학대학 농생명공학부 한재용 교수 연구팀(제1저자 최희정 박사)은 닭 원시생식세포(PGCs) 유래 세포외소포체(Extracellular vesicles; EV, exosome)를 활용하여 생식세포를 직접 표적하는 in vivo 유전자 전달 플랫폼을 처음으로 규명하였다.

연구팀은 장기간 배양된 닭 PGC 로부터 엑소좀을 분리‧정제하고, 이를 유전자 운반체로 활용하여 생식세포에 대한 전달 효율과 생체 내 적용 가능성을 분석하였다. 그 결과, PGC 유래 엑소좀은 높은 생체적합성, 낮은 세포 독성 및 생식세포 특이적 높은 흡수율을 보이며 기존 liposome 기반 전달 방식 대비 우수한 성능을 나타냈다. 특히, 엑소좀을 이용한 유전자 전달은 다양한 조류 종에서 적용 가능성이 확인되어, 조류 유전체 편집 기술의 새로운 플랫폼으로 활용될 것으로 기대된다.

[본문]

‘생식세포 표적 엑소좀 전달 시스템’으로 여는 조류 유전체 편집의 새로운 패러다임
서울대학교 농업생명과학대학 농생명공학부 동물생명공학전공 한재용 교수 연구팀(제1저자, 최희정 박사)은 4월 21일 나노바이오기술 분야의 국제적인 저명학술지인 ‘Journal of Nanobiotechnology’(IF=12.6, BIOTECHNOLOGY & APPLIED MICROBIOLOGY 카테고리 4/177, 상위 2.3%, Q1)에 닭 원시생식세포(PGCs) 유래 세포외소포체(Extracellular vesicles; EV, exosome)를 활용하여 조류에서 생식세포를 직접 표적하는 in vivo 유전자 전달 기술을 규명했다. 본 연구는 기존의 복잡한 in vitro PGC 조작 없이 생체 내에서 직접 유전자 전달이 가능함을 제시하며, 차세대 다양한 종의 조류 유전체 편집 기술의 새로운 방향을 제시하였다.

연구팀은 장기간 배양된 닭 PGC로부터 엑소좀을 분리‧정제하고, 입자 크기 및 형태 분석, 표지 단백질(CD63, CD81) 검증을 통해 엑소좀의 특성을 규명하였다. 또한 형광 표지 실험을 통해 해당 엑소좀이 생식세포에 효과적으로 내부화되는 것을 확인하였다.

특히, 엑소좀의 세포 흡수 효율을 비교 분석한 결과, 생식세포는 체세포 대비 2-3배 높은 흡수율을 나타내며 생식세포 선호적 전달 특성을 보였다. 이는 PGC 유래 엑소좀이 생식세포 특이적 전달체로 활용될 수 있음을 시사한다.

또한, plasmid DNA를 탑재한 엑소좀은 기존 liposome 방식 대비 높은 전달 효율과 낮은 세포 독성을 나타내어 고효율‧저독성 전달 플랫폼임을 입증하였다.

이를 배아에 직접 주입한 결과, 닭과 메추라기에서 생식선 내 강한 유전자 발현이 확인되어 엑소좀이 배아 장벽을 통과해 생식세포까지 도달함을 확인하였다.

더 나아가 성체(G₀) 개체의 정소에서도 유전자 발현이 유지되어 생식계 수준의 전달 가능성이 입증되었으며, 종 간 적용 가능성도 확인되었다.

본 연구는 생식세포 유래 엑소좀을 이용한 in vivo 직접 전달 전략을 최초로 제시한 것으로, 향후 조류 유전체 편집 및 정밀육종 기술의 핵심 플랫폼으로 활용될 것으로 기대된다.

이번 연구성과는 한국연구재단의 리더연구와 Biotechnology for Bird Conservation (revive & restore, USA) 프로그램 지원을 통해 수행되었다.
 

[용어설명]

- 원시생식세포 (Primordial germ cells; PGC): 생식세포의 전구 세포로, 정자 또는 난자로 분화하여 유전 정보를 다음 세대로 전달하는 유일한 세포 집단이다. 조류에서 유전자 변형 및 계통 보존 연구의 핵심 대상이다.
- 세포외소포체 (Extracellular vesicles; EV, exosome): 세포가 분비하는 나노 크기의 막 구조 소포체로, 단백질, RNA, DNA 등을 포함하여 세포 간 신호 전달을 매개하는 생체 유래 전달체이다. 낮은 면역반응과 높은 생체적합성으로 차세대 약물 및 유전자 전달 플랫폼으로 주목받고 있다.

[그림설명]

▲ PGC 유래 엑소좀을 배아에 직접 주입하여 생식세포에 유전자를 전달하고, 유전자 편집 조류 생산으로 이어질 수 있는 플랫폼을 제시한 개념도이다. 본 연구에서는 닭 원시생식세포(PGC) 유래 엑소좀이 생식세포에 선택적으로 전달되는 특성을 규명하고, 이를 기반으로 조류 생식세포 표적 in vivo 유전자 전달 기술을 최초로 확립하였다.