AAV 혈청형에 따라 프로모터 발현이 달라질까?

AAV(Adeno-Associated Virus, 아데노부속바이러스)는 높은 안전성과 다양한 조직 친화성을 바탕으로 기초 연구, 질환 모델 구축, 유전자 기능 분석 및 유전자 치료 연구에서 가장 널리 사용되는 유전자 전달 벡터 중 하나입니다.

AAV 벡터를 설계할 때 연구자들은 일반적으로 혈청형(Serotype) 과 프로모터(Promoter) 선택에 많은 관심을 기울입니다. 실제 실험에서는 동일한 프로모터를 사용했음에도 AAV 혈청형이 달라지면 유전자 발현 수준이나 발현 양상이 달라지는 경우를 자주 경험하게 됩니다.

예를 들어 동일한 CAG-GFP 벡터를 사용하더라도 AAV8에서는 간에서 매우 높은 발현이 나타나는 반면, AAV9에서는 심장이나 골격근에서 더욱 우수한 발현을 얻을 수 있습니다. 또한 AAV2는 중추신경계의 국소 전달에 널리 활용됩니다.

그렇다면 이러한 차이는 프로모터 자체의 활성이 달라졌기 때문일까요?

결론부터 말하면 그렇지 않습니다. 발현 차이는 대부분 AAV 혈청형의 조직 친화성(Tropism), 세포 전달 효율(Transduction Efficiency), 표적 세포 선택성의 차이에서 비롯되며, 프로모터 자체의 전사 활성 변화 때문은 아닙니다.

이번 글에서는 동일한 프로모터를 사용해도 AAV 혈청형에 따라 발현 결과가 달라지는 이유와, AAV 벡터 설계 시 고려해야 할 핵심 사항을 소개합니다.

프로모터는 유전자 발현을 결정하고, 혈청형은 전달 대상을 결정한다

AAV 벡터에서 프로모터는 목적 유전자가 세포 내로 전달된 이후 얼마나 효율적으로 전사되는지, 그리고 어떤 세포에서 발현되는지를 결정합니다.

반면 AAV 혈청형은 바이러스가 어떤 조직과 세포를 우선적으로 감염하는지를 결정하는 중요한 요소입니다. 혈청형마다 인식하는 세포 표면 수용체가 다르기 때문에 서로 다른 조직 친화성을 나타냅니다.

따라서 동일한 CAG 프로모터를 탑재한 AAV 벡터라도 표적 세포에 전달되는 바이러스의 양이 달라지면 최종적인 유전자 발현 수준도 크게 달라질 수 있습니다.

즉,

• 프로모터는 유전자 발현 능력을 결정하는 요소
• AAV 혈청형은 유전자가 전달되는 조직과 세포를 결정하는 요소

이며, 두 요소가 함께 최종 발현 결과를 결정합니다.

동일한 프로모터인데도 AAV 혈청형에 따라 발현이 달라지는 이유

1. AAV 혈청형마다 조직 친화성이 다르다

가장 중요한 원인은 혈청형마다 서로 다른 조직 친화성을 가진다는 점입니다.

대표적인 예는 다음과 같습니다.

예를 들어 다음 세 가지 벡터를 비교해 보면,

• AAV2-CAG-GFP
• AAV8-CAG-GFP
• AAV9-CAG-GFP

프로모터는 모두 동일하지만 각 혈청형이 감염하는 조직이 다르기 때문에 GFP의 발현 위치와 발현 수준도 달라집니다.

특히 꼬리정맥 주사(Tail Vein Injection)를 수행할 경우 AAV8은 간세포를 매우 효율적으로 감염하여 강한 발현을 유도하는 반면, AAV9는 심장과 골격근에서 높은 발현을 나타내는 경우가 많습니다.

2. 혈청형마다 세포 전달 효율이 다르다

조직 친화성뿐 아니라 세포 내부로 유전자를 전달하는 효율도 혈청형마다 차이가 있습니다.

AAV가 세포를 감염한 후에는 다음과 같은 과정을 거칩니다.

• 세포 표면 수용체 결합
• 엔도사이토시스(Endocytosis)
• 엔도좀 탈출
• 핵 내 이동
• 바이러스 게놈의 발현 가능 상태 형성

이 과정의 효율은 혈청형에 따라 달라지므로 세포핵에 도달하는 벡터 게놈 수 역시 차이가 발생합니다.

예를 들어 동일한 투여량에서도

• AAV8은 세포당 더 많은 벡터 게놈을 전달할 수 있고,
• AAV2는 상대적으로 적은 양이 핵에 도달할 수 있습니다.

이 경우 동일한 프로모터를 사용하더라도 AAV8이 더 높은 발현을 나타낼 가능성이 큽니다.

3. 혈청형마다 감염하는 세포 유형이 다르다

같은 조직이라도 혈청형에 따라 선호하는 세포 유형이 서로 다를 수 있습니다.

예를 들어 뇌에서는

• AAV2 : 주로 뉴런
• AAV5 : 뉴런과 일부 신경교세포
• AAV9 : 뉴런과 일부 성상교세포(Astrocyte)

를 효과적으로 감염시키는 것으로 알려져 있습니다.

따라서 뉴런 특이적 프로모터인 hSyn을 사용할 경우 뉴런 감염 효율이 높은 혈청형에서 더 높은 발현을 얻을 수 있습니다.

반대로 GFAP 프로모터를 사용하는 경우에는 성상교세포를 효과적으로 감염시키는 혈청형이 더 적합합니다.

즉, 프로모터의 세포 특이성은 바이러스가 해당 세포에 성공적으로 전달되어야 비로소 발휘됩니다.

4. 조직에 따라 프로모터 활성 자체도 달라질 수 있다

프로모터는 모든 조직에서 동일한 활성을 보이는 것은 아닙니다.

따라서 동일한 혈청형이라도 전달되는 조직이 달라지면 프로모터의 발현 수준 역시 달라질 수 있으며, 혈청형은 이러한 조직 선택에 직접적인 영향을 미칩니다.

AAV 혈청형과 프로모터는 함께 고려해야 한다

AAV 벡터를 설계할 때는 혈청형과 프로모터를 각각 따로 선택하기보다 연구 목적에 맞추어 함께 최적화하는 것이 중요합니다.

적절한 혈청형과 프로모터를 조합하면 표적 조직에서의 유전자 발현을 극대화할 수 있을 뿐만 아니라 비표적 조직에서의 불필요한 발현도 줄일 수 있습니다.

결론

동일한 프로모터를 사용하더라도 AAV 혈청형이 달라지면 유전자 발현 수준과 발현 범위는 충분히 달라질 수 있습니다.

그러나 이러한 차이는 프로모터 자체의 활성 변화 때문이 아니라, AAV 혈청형의 조직 친화성, 감염 세포 유형, 전달 효율, 세포 내 이동 및 핵 전달 효율 등의 차이에서 비롯됩니다.

따라서 AAV 벡터를 설계할 때는 표적 조직, 실험 동물, 투여 경로, AAV 혈청형, 프로모터를 종합적으로 고려해야 합니다. 이러한 요소를 최적화하면 연구 목적에 적합한 안정적이고 높은 유전자 발현을 얻을 수 있으며, 실험의 재현성과 성공률 또한 향상시킬 수 있습니다.