구조 변이 annotation tool: AnnotSV

유전체 정보로 부터 임상적으로 중요한 변이를 검출하기 위해서는 NGS 시퀀싱 기기의 read 정보로부터 변이 검출까지의 파이프 라인 못지 않게, 얻어낸 수많은 변이로 부터 병인에 중요한 역할을 할 것으로 생각되는 후보 변이를 필터링하는 전략이 매우 중요하게 됩니다. 따라서 적절한 데이터 베이스로 부터 Annotation을 하는 과정은 매우 중요하게 되는데, 이번 포스팅은 다양한 변이 중에서 구조 변이 (Structural variation; SV)을 대상으로 Annotation을 할 수 있는 도구 중에 하나인 AnnotSV에 대해서 소개하고자 합니다. AnnotSV는 이전에 소개했던 Annovar의 CNV (copy number variant) 버젼에 해당한다고 볼 수 있습니다.

[관련 포스팅 보기]

AnnotSV는 다양한 구조 변이의 Annotation 기능 뿐만 아니라, ACMG (American College of Medical Genetics)에서 권장하는 구조 변이의 판독 기준에 따라서, 해당 변이의 중요도를 5가지 카테고리로 구분해줍니다. Input으로는 bed 파일 또는 vcf 파일을 받으며, 다양한 유전자, 조절 인자, 기존에 알려진 병적 변이, 질병과의 연관성 등을 기준으로 ACMG class를 보고해줍니다. 위 그림은 AnnotSV의 이러한 분석 과정을 보여주고 있습니다.

[bed 파일의 기본 구조] bed 파일은 1) 염색체 번호 (Chromosome), 2) 시작 지점 (Start), 3) 끝 지점 (End)의 3가지 기본적인 정보를 토대로 유전체 내의 특정 범위에 대한 정보를 제공해줍니다.

구조 변이 (CNV)의 경우, 적은 수의 염기 변이 (SNV)보다 short-read sequencing을 이용하는 경우, 기술적으로 검출하는 해상도의 한계가 있으며 (deletion보다 duplication 검출이 어려움. 충분한 Depth와 Supporting read가 확보되어야 하며, 이 때문에 translocation도 검출이 어려움.) 변이의 해석도 더 어려운 경우가 많습니다. 따라서, 적절한 한계점을 인지하고 적절한 분석 방법론을 적용하는 것이 중요하며, 현재도 많은 부분들이 현재 진행형으로 연구가 되고 있는 분야입니다.

다만, 최근 ACMG에서 구조 변이의 임상적 해석을 위한 Criteria를 제시해주어, 많은 부분 임상적으로 활용이 가능해진 부분이 있습니다. (아래 참고 논문: Riggs, Erin Rooney, et al. Genetics in Medicine 22.2 (2020): 245-257) 그동안 구조 변이의 해석에 여러가지 어려운 점들이 많았는데, 최근 이 쪽 분야도 많은 툴들과 방법론 들이 개발되고 있는 것 같습니다. 그런 점에서 AnnotSV는 구조 변이를 연구하고 해석하는 입장에서 매우 유용한 툴임이 분명합니다.

[References]

AnnotSV Github: https://github.com/lgmgeo/AnnotSV

AnnotSV Homepage: https://www.lbgi.fr/AnnotSV/

Geoffroy, Véronique, et al. “AnnotSV: an integrated tool for structural variations annotation.” Bioinformatics 34.20 (2018): 3572-3574.

Geoffroy, Véronique, et al. “AnnotSV and knotAnnotSV: a web server for human structural variations annotations, ranking and analysis.” Nucleic Acids Research (2021).

Riggs, Erin Rooney, et al. “Technical standards for the interpretation and reporting of constitutional copy-number variants: a joint consensus recommendation of the American College of Medical Genetics and Genomics (ACMG) and the Clinical Genome Resource (ClinGen).” Genetics in Medicine 22.2 (2020): 245-257.

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SNP array의 원리와 CNV 분석: B Allele Frequency, LogR ratio

오늘은 흔히 GWAS 분석에 사용되는 SNP array의 원리와 이를 이용한 CNV 분석 기법에 대해서 정리해보고자 합니다.

관련 포스팅 보기>

전장 유전체 연관 분석, GWAS란 무엇인가?

[유전자칩 비교] SNP array와 array CGH, 그리고 한국인칩

[유전학 중요개념 정리] Structural variation 및 Copy-number variation

SNP array는 인간의 30억쌍의 염기 서열 중에서 대표적인 유전적 마커를 선정하여 스크리닝하기 위해서 개발되었습니다. 제품마다 유전적 마커의 개수는 상이하고 이에 따라 해상도도 달라지지만, 최근에는 대략적으로 백 만개 (즉, 3000개 중 1개의 대표 마커) 정도의 마커를 갖고 있습니다. 그래서 GWAS 연구에 많이 이용되고 있지요. 하지만 SNP array의 강점은 동시에 유전체의 구조적 이상인 CNV (Copy-number variant) 검출에도 이용될 수 있다는 데 있습니다. SNP array는 아래 그림과 같이 각각의 유전적 마커에 특이적인 Probe가 디자인되어 있습니다. 이때 해당 Probe가 특이적인 위치에 결합하고, 효소 반응에 의해 결합위치에 1개의 염기 서열을 합성하면, 염기 서열에 따라 초록 (Green) 또는 빨강 (Red) 형광을 띄도록 설계가 되는데, 이때 형광 신호를 검출함으로써 해당 위치의 유전형을 알 수가 있게 됩니다.

Figure_1
[SNP array의 검사 원리] 검사하고자 하는 위치에 특이적으로 결합하는 Probe를 디자인하고, 해당 위치에 결합하면 염기 서열에 특이적인 형광 신호를 색깔로 구분하여 주게 됩니다.
dual_colur_fluorescensce
[SNP array의 각 Cell에서 나오는 신호] 각각의 Cell 에서 유전형에 따라서 빨강 (AA), 초록(BB), 또는 노랑 (빨강+초록; AB) 신호 강도가 잡히게 되고 이를 토대로 해당 위치의 유전형을 추정하게 됩니다.
즉, SNP array는 2가지의 정보를 주게되는데, 첫번째는 1) 당 Probe 위치의 genotype 정보, 그리고 2) 해당 위치의 형광 세기 (Intensity) 입니다. 첫번째 정보만을 이용하면, GWAS 분석에 이용할 수가 있고, 두번째 정보까지 이용하면 CNV 분석에 이용할 수가 있습니다. 즉, 일반적으로 우리는 양쪽 부모로 부터 한쌍씩 Copy Number (CN=2)인 상태를 갖게 되는데, 만약 CN에 변동이 생기면 검출되는 형광의 세기도 이에 비례해서 감소하거나 증가하는 것입니다.

SNP array에서는 1)에 해당하는 정보를 B allele frequency (BAF), 2)에 해당하는 정보를 Log R ratio 로 나타냅니다. 여기서 BAF는 A와 B의 2가지 genotype 중 B의 비율을 전체 경우의 수로 나타낸 것이고, Log R ratio는 위의 형광 세기를 상대적으로 나타내서 Log를 취한 값을 나타냅니다.

예를 들면, A와 B가 각각의 genotype을 가리킨다면, CN = 2일 때는 AA, AB, BB의 3가지 경우의 수가 가능하고, BAF는 0, 0.5, 1.0이 가능하지만, CN =1일 때는 A, B의 2가지 경우의 수로 0,1이 가능하고, CN=3일때는 AAA, AAB, ABB, BBB의 4가지 경우의 수로 0, 0.33, 0.67, 1.0이 가능해지게 되어, 아래와 같이 나타낼 수가 있습니다. 즉, 아래의 BAF와 Log R ratio의 패턴을 통해서, 해당 유전적 위치에 Deletion (CN=1) 또는 Duplication (CN=3) 여부를 알 수 있게 됩니다.

BAF, Log2
[SNP array를 이용한 CNV 분석에 이용되는 2가지 Parameter] B allele frequency와 Log R ratio.
SNP array
[CNV 상태에 따라 나타나는 BAF와 LogR ratio의 패턴] 해당 위치의 패턴을 토대로, CNV를 추정 가능합니다. SNP array는 LOH를 쉽게 검출할 수 있는 장점은 있지만, 구조적 이상 중에서 Inversion은 검출할 수가 없습니다.
 

위 그림은 SNP array를 통해서 검출이 가능한 다양한 CNV 변이의 상태를 나타내주고 있습니다. Figure 5의 경우는 CN = 1로 한쪽이 deletion된 상태, Figure 7은 CN = 0 으로 양쪽이 모두 deletion 상태이고, Figure 9와 같이 BAF에 2개의 선으로 3개의 구역이 나뉘면 CN = 3에 해당합니다. 마지막으로 Figure 6은 Log R ratio에 변동이 없기 때문에 CN=2로 변동이 없지만, 해당 구역에서 heterozygote (AB)를 가리키는  BAF = 0.5에 신호가 없기 때문에 전부 homozygote만 존재하는 구간이고, 이를 Copy-neutral LOH (Loss of Heterozygosity) 라고 합니다.

관련 포스팅 보기>

[유전학 중요개념 정리] Copy neutral loss of heterozygosity (CN-LOH)

 

[Reference]

Lin, Chiao‐Feng, Adam C. Naj, and Li‐San Wang. “Analyzing copy number variation using SNP array data: protocols for calling CNV and association tests.” Current protocols in human genetics 79.1 (2013): 1-27.

Interpreting Infinium® Assay Data for Whole-Genome Structural Variation, Illumina technical note.

SNP array와 array CGH의 원리 및 UK Biobank Array, Korean Chip

오늘은 최근에 연구를 하면서 확실하게 차이를 알게된 array CGHSNP array에 대해 정리하고, SNP array의 일종으로 많은 연구자들이 사용하고 있는 한국인칩에 대해서 소개하는 포스팅을 올리고자 합니다.

저는 이해하기 쉽게 정리하는 걸 선호하기 때문에 공통적으로 array의 개념부터 정리하겠습니다.

Affymetrix

array (= 배열) 검사: 여러개의 열에 각각 특정 sequence를 인식하는 탐식자 (probe)를 심어, 해당 부위를 검출하기 위한 목적으로 만든 검사 방법

두 검사 모두 array 기법을 이용하는 점은 공통이나 검사의 목적이나 응용 방법, 그리고 장, 단점 등등에 차이가 있습니다.

cgh_test.jpg
[array CGH (A) 와 SNP array (B) 비교] A는 control 물질과의 상대적 신호 세기를 이용하여 Copy number 검출이 목적인 반면, B는 oligo-probe를 이용하여 target 영역의 Genotype 검출이 목적이라는 점이 가장 다릅니다.
 

I. array CGH (comparative genomic hybridization)

array CGH는 원래 처음에는 암 조직을 이용한 연구에 많이 사용되었습니다. 암세포는 정상 세포와 달리 염색체의 구조적 이상이 많이 발생하게 되는데, 암세포에서 이러한 염색체 이상을 확인하기 위한 방법으로 array CGH를 이용하기 시작한 것이지요. 저도 10년 전에 의대 강의를 들을 때, 처음 array CGH와 FISH 검사 방법에 대해서 배웠던 기억이 어렴풋하게 납니다. array CGH가 이러한 염색체 이상을 확인할 수 있다는 것을 알게되면서, 그 다음으로 많이 이용된 분야는 신생아 기형 검사입니다. 다운 증후군이나 에드워드 증후군처럼 염색체 검사를 통한 수적 이상이 확실하게 확인되는 경우 이외에도, 염색체 이상이 의심되는 기형을 갖고 태어나는 신생아들에서 많은 경우, 염색체 미세 결실 또는 중복 (micro-deletion and duplication)이 관찰되는 경우가 많기 때문에 이러한 것을 검출하는데 이용되기 시작한 것이지요. 따라서 처음에는 탐식자의 크기가 크고 해상도도 낮았으나, 점점 probe의 갯수가 늘어나고 해상도도 개선되어 최근에는 매우 작은 크기의 염색체의 구조적 변이도 검출이 가능해졌습니다. 이와 더불어 구조적 변이 (Structural variation)CNV (Copy number variation) 검출도 가능하여, 임상 진단 외의 많은 연구 영역에서 활용되고 있습니다.  (그러나 아직까지도 검사 비용이 매우 비싼 것이 단점입니다.)

관련 포스팅 > [유전학 중요개념 정리] Structural variation 및 Copy-number variation

array CGH
[array CGH의 검사 원리] 환자 검체와 정상 대조군을 각각 다른 형광 물질로 표지하여 나오는 상대적인 신호를 검출하여, 해당 탐식자가 검출하는 염색체 부위에 수적 이상이 있는지를 확인하게 됩니다.

II. SNP (Single Nucleotide Polymorphism) array

array CGH와 달리, SNP array는 최근 GWAS (Genome-Wide Association Study)와 더불어 더 각광받게된 검사 방법입니다. 유전체의 특정 SNP을 타깃으로 하는 oligo probe를 매우 많이 포함하는 array를 개발하여, 거의 대부분의 유전체 영역을 커버하는 array를 개발하고 연구에 활용하고 있는 것이지요.

관련 포스팅 > 전장 유전체 연관 분석, GWAS란 무엇인가?

snp_schema
[SNP array의 검사 원리] 타겟 영역에 특이적으로 결합하는 수 많은 oligo probe가 해당 부위의 SNP genotyping 정보를 제공해주게 됩니다.

가장 유명하고 많이 쓰이는 SNP array는 Affymetrix 사의 Genome-Wide Human SNP array 6.0 버전인데, 90만개 이상의 SNP을 탐지하는 probe와 CNV 분석을 위한 별도의 94만개의 probe를 포함하여 약 180만개의 marker가 심어져 있습니다. SNP array를 통해서도 CNV 분석이 가능합니다만, CGH와 다르게 control이 있는 것이 아니기 때문에 B allele frequency (BAF) 라고 하는 genotype call 정보를 이용하며 분석 방법도 다르게 됩니다.

그림1

 

III. UK Biobank Array와 Korean Chip (the Korea Biobank Array)

UK Biobank는 연구 자원 활용 및 이를 통한 국민의 복지 증진을 목적으로 영국에서 운영하는 국가 단위의 프로젝트입니다. 이를 위해서, 엄청나게 많은 수(약 50만명)의 영국인을 대상으로 Array 기반 genotyping을 진행하였는데, 이때 이용한 SNP array가 흔히 말하는 UK Biobank Array 입니다. UK Biobank Array를 통한 genotyping 정보는 함께 보관된 수많은 임상 정보와 함께 종합적으로 활용이 되고 있는데, 현재도 연구의 재현 및 검증을 위하여 다른 나라의 연구자들이 분양을 받아 이용하고 있습니다.

우리 나라에서도 비슷한 목적으로 사업을 시작하여,  한국인에 맞춘 SNP array 칩이 제작되었는데, 이것이 한국인칩 (the Korea Biobank Array or Korean Chip)입니다. 기존의 비싼 가격과 Cover가 되는 SNP이 인종에 따른 차이를 반영하지 못하는 문제 등을 개선하여 한국인을 대상으로 더 효율적인 연구가 가능하도록 하였습니다. 자세한 정보는 한국인칩 컨소시엄 홈페이지 에 잘 소개되어 있는데 , 대략 83만개의 대표 마커를 포함하며 한국인 특이 희귀 변이(Rare variants)를 많이 추가한 것이 눈에 띕니다. 자세한 내용은 최근에 발표된 아래 논문을 참고하시기 바랍니다.

2

 

[References]

UK Biobank Arrays: https://www.thermofisher.com/order/catalog/product/902502

한국인칩 컨소시엄: https://www.koreanchip.org/project

Moon, Sanghoon, et al. “The Korea biobank array: design and identification of coding variants associated with blood biochemical traits.” Scientific reports 9.1 (2019): 1-11.

NGS 데이터를 이용한 CNV 분석

Copy Number Variation (CNV)는 Single Nucleotide Variation (SNV)과 더불어, 유전적 다양성을 나타내는 주요한 원인으로 생각되고 있습니다. 유전자 sequence의 염기 하나가 치환된 SNV와 달리 CNV는 유전자 전체 또는 일부의 copy가 중복되거나 줄어들수도 있기 때문에 훨씬 넓은 영역에서 나타나는 Structural variation의 일종입니다.

관련 포스팅 보기 -> 유전학 중요개념 정리: Structural variation 및 Copy-number variation

일반적으로 NGS는 SNV를 보기 위한 목적으로 검사를 시행하지만, 해당 데이터를 활용하면 CNV 분석도 할 수 있기 때문에, 오늘은 NGS 데이터를 활용한 CNV 분석 방법에 대해 포스팅하고자 합니다.

NGS CNV
[그림1. NGS 데이터를 이용하여 CNV를 검출하는 원리] CNV 검출을 위해서는 mapping 되는 read 간의 정보, 그리고 각 영역에 mapping된 read의 depth 정보를 활용하게 됩니다.

위의 그림은 CNV 분석을 위한 NGS 데이터의 5가지 활용 원리를 나타내주고 있습니다. 그러나 가장 핵심이 되는 원리는 Read depth입니다. Target sequencing과 같이 Read depth가 충분한 경우에, 다른 검체들에 비해 해당 영역의 depth가 월등히 떨어지거나, 또는 월등히 높은 경우에는 해당 영역의 deletion 또는 duplication을 의심할 수 있습니다.

target_coverage_nd_FGFR2_4
[그림2. FGFR2 유전자의 Coverage (위) 및 Reference의 depth로 normalized한 depth (아래)를 나타내는 도표] 다른 검체들보다 Normalized depth가 월등히 높은 검체 (P27)는 해당 영역의 duplication, 월등히 낮은 검체 (P33)는 해당 영역의 deletion이 존재하는 것으로 의심할 수 있다.

사실 NGS 데이터는 CNV를 목적으로 한 것이 아니라, SNV 검출 목적의 데이터를 부수적으로 활용하는 것이기 때문에 많은 제한점이 있습니다. 따라서, 임상적으로 CNV 검사 목적의 NGS는 권장되지 않으며 적절한 가이드라인도 존재하지 않기 때문에 다양한 Computational tool 들이 개발되어 서로의 장점을 홍보하는 상황입니다. 다음은 다양하게 개발된 대표적인 CNV 검출 tool 들을 정리한 표입니다. 많은 경우  BAM 파일을 활용하는 것을 볼 수 있으며 대부분 R package를 제공하고 있어, 사용이 용이합니다.

NGS CNV2
[그림 3. CNV 검출을 위한 다양한 컴퓨터 툴] 어떠한 툴이 우수한가에 대해서는 명확하게 정립된 결론이 없기 때문에, 적절한 상황에 맞게 툴들을 활용하는 것이 필요합니다.
위의 표와 같이 다양한 툴들이 존재하지만, 실제로 몇가지 툴들을 사용하여 봤을 때, 결과들이 제각각이었고, 서로 일치하는 정도도 높지 않았습니다.  다양한 알고리즘을 활용함에도 불구하고, 위양성으로 보고되어 믿기 어려운 경우가 많았습니다. 가장 정확한 방법은 직접 그림 2와 같이 해당 영역의 coverage plot과 normalized depth를 보고 종합적으로 판단하는 것이었습니다. 아직까지 컴퓨터 툴들에 개선의 여지가 많음에도 불구하고, NGS 데이터를 활용하면 CNV에 대한 정보도 일부 얻을 수 있기 때문에 NGS는 더 폭넓게 활용될 것으로 전망이 됩니다.

[Reference]

Zhao, Min, et al. “Computational tools for copy number variation (CNV) detection using next-generation sequencing data: features and perspectives.” BMC bioinformatics 14.11 (2013): S1.

[유전학 중요개념 정리] Structural variation 및 Copy-number variation

일반적으로 사람의 염색체는 부모로부터 한쌍씩 물려받아 23쌍, 총 46개를 갖게 됩니다. 이러한 염색체의 수적 이상 또는 구조적 이상이 발생하는 경우 염색체 이상에 의한 질환을 갖게 됩니다. 가장 대표적인 것이 Trisomy 21 syndrome (다운 증후군)입니다.

이러한 염색체의 이상을 가장 거시적으로 검사하는 것이 흔히 염색체 검사라고 부르는 핵형 검사 (Karyotyping) 입니다.  핵형 검사는 일반적으로 혈액 검체로부터 백혈구를 분리하여, colchicine으로 처리하고 세포 분열의 중기 (metaphase)에 분열이 멈춘 염색체들을 Giemsa와 같은 dye로 염색하여 관찰합니다. (염색체 라는 이름도 염색되는 물질이라는 의미에서 여기에서 유래하였습니다.)

compare[핵형 검사 과정] 중기 세포의 염색체를 현미경으로 찍어서, 전문가가 전부 수작업으로 분류하고 이상이 없는지를 판독해야 합니다.

핵형 검사는 보통 현미경을 통해서, 눈으로 염색체의 band를 구분하여 사람이 직접 판독하기 때문에, 살펴볼 수 있는 해상도에 한계가 있습니다. 일반적으로 잘 훈련된 전문 검사자가 검출할 수 있는 염색체의 구조적 이상은 5Mb 정도라고 알려져 있습니다. 이렇듯, 현미경을 통해 확인할 수이 있는 염색체의 구조적 이상Microscopic level structural variation 이라고 합니다. 대부분 이러한 이상을 가진 환자는 다양한 기형 및 임상 증상을 나타내게 됩니다. 물론 일부에서는 아무런 형질 이상도 나타내지 않을 수도 있습니다.

그러나 많은 경우, 다양한 임상 증후군을 보이는 환자들에서 핵형 검사를 시행하여도 대부분 정상 결과를 보이는 경우가 많습니다. 이 중 일부는 현미경으로 발견되지 않는 더 작은 부위의 염색체의 구조적 이상, 즉 Sub-microscopic structural variation인 경우가 있을 수 있습니다.

Structural variation (SV)은 유전체에서 약 1kb 이상되는 유전체의 변화를 일컫는데, 이러한 SV이 중요한 이유는 유전자의 한 부위의 핵산 변화에 의한 단일 염기 변이 (Single nucleotide variant, SNV) 보다 mutation rate이 더 빠르고, 형질 변화에 더 큰 영향을 미칠 수 있기 때문입니다. 다음은 대표적인 Structural variation의 종류를 나타내주고 있습니다.

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마지막으로 SV중에서도 중요한 Copy-number variation (CNV)에 대해 알아보고, 포스팅을 마치겠습니다. Microscopic- 또는 Sub-microscopic- SV의 경우는, 대부분 심한 기형이나 문제를 갖고 태어나게 되므로 정상인에서는 거의 나타나는 경우가 없습니다. 그러나 CNV의 경우는 정상인에서도 많이 갖고 있는 정상 변이를 포함하고 있습니다. 즉, SNV과 동시에 CNV는 정상인에서의 다양한 형질의 차이를 일부 설명하고 있으며, 유전적 진화와 변이의 축적에서도 중요한 역할을 차지합니다.

이러한 CNV는 유전자 단위 또는 exon 단위로 더 작은 수준에서 존재하기나기 때문에, 검출 및 진단을 위해서는 다른 도구가 필요합니다. 전통적으로는 PCR 기술을 이용한 방법, FISH probe를 이용한 방법, MLPA, array CGH 등 다양한 방법을 이용하였지만, 최근에는 NGS 기술의 발달로 NGS를 이용한 CNV 검출도 널리 시행되고 있는 상황입니다. 다음 포스팅에서는 NGS 검사를 이용한 이러한 CNV 검출에 대해서 살펴보도록 하겠습니다.