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[유전학 중요개념 정리] 오믹스 (Omics) 와 단일 세포 시퀀싱 (Single cell sequencing)

현재 있는 미국의 연구실은 다양한 Omics 데이터를 종합적으로 분석하여, 소아 신증후군의 정밀 의료 실현을 위한 연구를 진행하고 있습니다. 아래의 관련 포스팅과 같이, 다양한 유전체 연구 결과 대부분의 복합질환 질병 발생은 유전체의 유전자 발현을 조절하는 부분, 그리고 non-coding 영역에 존재함을 확인하게 되었습니다. 이에 연구자들은 이러한 부분이 어떠한 기작을 통해서, 질병을 발생을 시키는지에 대한 연구를 진행하고 있으며, 이러한 연구 방법론의 하나로 다양한 오믹스 관련 생명 정보들을 통합적으로 분석하고 있습니다. 오늘은 (최근에 미국의 PI와 관련 리뷰 논문을 준비하게 되어,) 오믹스 관련 분석 중에서 중요한 단일 세포 시퀀싱 (Single Cell Sequencing) 기술에 대해서 정리하는 포스팅을 남기고자 합니다.

[관련 포스팅 보기]

Omics의 개념

단일 세포 시퀀싱을 언급하기에 앞서, Omics 의 개념에 대해서 간단히 정리하고자 합니다. -ome은 집합체 (집단, 묶음)를 의미하는 접미어로 Genome (유전자의 집합체 = 유전체), Epigenome (후성 유전인자의 집합체 = 후성유전체), Transcriptome (전사인자의 집합체 = 전사체), Proteome (단백질의 집합체 = 단백체) 등 일반적으로 생물 유래의 집합체를 모두 총칭합니다. 아래 그림과 같이, 이외에도 Metabolome (대사체), Microbiome (미생물군유전체) 등을 포함하고 있습니다. 인간의 유전자 서열 (Genome)은 고정되어 있지만, 조직과 세포 종류에 따라서 유전자의 발현이 달라지고, 그에 따라 단백질의 양과 기능도 달라지게 됩니다. 즉, 유전자 서열을 해독하는 것 이상으로 훨씬 더 복잡한 유전자의 조절 기작을 이해하는 것이 질병 발생 메커니즘을 밝혀, 치료에 적용하는데 매우 중요하게 됩니다. 따라서, 유전자 서열 만으로는 설명이 되지 않는 많은 부분들은 그 보다 더 높은 차원에 존재하는 다양한 Omics들을 분석함으로써 이해하고자 하는 것이 Omics의 목표입니다.

단일 세포 분석이 왜 중요한가? Bulk vs. Single cell

우리 몸의 모든 세포는 체세포 변이 (Somatic mutation)를 제외하고 기본적으로 동일한 유전자의 염기 서열 (Germline)을 공유하고 있습니다. 그러나 조직과 기관에 따라 다양한 세포군이 서로 다른 기능을 수행하면서 생명현상을 이어나가고 있습니다. 따라서 세포의 종류에 따라 세포 특이적인 유전자의 발현 패턴의 차이를 확인하는 것은 매우 중요하게 됩니다. 그러나 전통적인 Bulk RNA-seq (전사체 시퀀싱)의 경우는 모든 세포들을 하나로 pooling하여 유전자의 발현량의 평균 값만을 구할 수 있게 됩니다. 그에 반해 단일 세포 시퀀싱 (Single cell RNA-seq)은 개별 세포를 세포의 종류에 따라 분류하고, 개별 세포의 발현량을 구할 수 있기 때문에 더 정확하게 개별 세포의 유전자 발현량의 차이를 알 수 있다는 장점이 있습니다. 특히나 종양 세포와 같은 경우에는 이질성 (Tumor heterogeneity)이 매우 크기 때문에, 집단의 유전자 발현이 개별 세포를 모두 대표하기 어려운 경우가 많습니다. 이러한 장점으로 인해, 최근에는 단일 세포의 다양한 omics data를 profiling하는 것이 점점 폭넓게 연구되고 있습니다.

[Bulk vs. Single cell RNA 시퀀싱의 비교] 기술적 발전으로 인해, 개별 세포의 유전자 발현 패턴을 더 정확하게 검출할 수 있게 되었습니다.

어떻게 단일 세포로 분리하는가?

[세포를 단일 세포로 분류하는 다양한 방법들]

위 그림은 세포들을 개별 세포로 분리하는 다양한 기술들을 보여주고 있습니다. 최근 널리 쓰이는 가장 대표적인 기술은 세포들을 개별 미세 유체 방울로 분리하는 Microfluidic droplet 기반의 기술 (Chromium 10X)과 비슷하게 하나의 plate에서 미세하게 세포를 흘려 분리하는 Microfluidic plate 기반의 기술 (Fluidigm C1)이 있습니다. Fluidigm C1 기술은 구분할 수 있는 세포의 수는 적지만 더 폭넓고 많은 전사체 시퀀싱 결과를 얻을 수 있다는 장점이 있고, Chromium 기술은 그에 반해 더 많은 수의 세포를 얻을 수 있지만, 얻을 수 있는 시퀀싱 리드의 정보는 제한적이라는 차이가 있습니다. 아래 표와 같이 연구자들은 실험의 목적에 따라서 각 방법의 장단점을 파악하고 사용하는 것이 좋겠습니다.

다음 포스팅에서는 이러한 단일 세포 분석 기술을 바탕으로 Epigenome과 Transcriptome을 분석하는데 중요한 개념인 scATAC-seq에 대해서 정리하도록 하겠습니다.

[ References ]

Murphy, Rachel. “An Integrative Approach to Assessing Diet–Cancer Relationships.” Metabolites 10.4 (2020): 123.

Kolodziejczyk, Aleksandra A., et al. “The technology and biology of single-cell RNA sequencing.” Molecular cell 58.4 (2015): 610-620.

Kashima, Yukie, et al. “Single-cell sequencing techniques from individual to multiomics analyses.” Experimental & Molecular Medicine 52.9 (2020): 1419-1427.

[책 소개] 유전자 사냥꾼, Genome: The Story of the Most Astonishing Scientific Adventure of Our Time–The Attempt to Map All the Genes in the Human Body

지난 한달 동안 육군훈련소로 기초 군사 훈련을 다녀왔습니다.  늦은 나이에 띠동갑 동생들과 군사 훈련을 받는게 육체적으로는 참 힘들었는데, 그래도 생각을 비우고 새롭게 다시 시작할 수 있는 계기가 된 것 같습니다. 논산 훈련소에서 새벽 3시에 복도에서 불침번을 서다가 우연히 책장에서 눈에 띈 책이 있는데, 그 책이 오늘 소개하고자 하는 ‘유전자 사냥꾼‘ 이라는 책입니다. 우연히 발견한 책이 제게 주말 시간의 단비 같은 존재가 되었는데, 주말 개인 정비 시간을 이용해서 참 재밌게 읽을 수 있었습니다.

이 책의 한국어판 제목은 ‘유전자 사냥꾼‘, 영문판 제목은 ‘Genome: The Story of the Most Astonishing Scientific Adventure of Our Time–The Attempt to Map All the Genes in the Human Body‘ 입니다.  이 책은 유전자의 발견과 유전자 지도를 작성하고자 하는 사람들의 노력을 그 당시 시대 상황과 함께 생생하게 그려내고 있습니다. 한국어판 초판 발행 일자를 살펴보니 무려 1995년!입니다 (영문판은 1990년). 25년 이상 지난 매우 오래된 책이지만, 유전자 지도를 완성하고자 하는 연구자들의 노력은 지금도 진행되고 있기에, 책의 내용은 아직까지도 유효한 것 같습니다.

이 책은 분자 생물학적 기법의 발견과 활용에 대한 역사적인 사건들을 소개함과 동시에, 이를 활용하여 사람들이 어떠한 시도를 했는지, 그리고 어떠한 실패와 좌절 속에서 지금에 이르렀는지를 담담하게 그려내고 있습니다. 오늘 날에 비추어 보면, 기법 상으로는 많이 뒤떨어져 있지만, 뒤떨어진 기법 (대부분 시퀀싱 대신에 유전체상의 tandem repeat 길이의 차이에 따른 RFLP 기법을 이용합니다.) 만을 활용해서도 어떻게 특정 유전자를 발견하고 이를 입증했는지를 보면서 당시의 노력에 감탄하게 됩니다.

대표적으로 소개하는 이야기 속에는 헌팅턴병과 근위축증, 그리고 가족성 암에 대한 이야기가 있는데, 교과서 속에서 딱딱하게 소개되었던 질병들이 실제로는 어떠한 배경 속에서 연구되었는지를 현실감 있게 그려내어 이해하는데 많은 도움을 주는 책입니다. 사실 지금도 기법만 시퀀싱으로 바뀌었을 뿐이지, 아직도 정확한 기전을 이해하지 못하고 있는 무수히 많은 질병에 대해서 연구자들은 비슷한 시도를 하고 있기에, 해당 이야기들은 연구자에게도 많은 영감을 준다고 생각합니다. 마치 역사 속에서 미래를 예측하고 배운다고 하는 것과 비슷한 맥락이라고 할까요?

관련 포스팅 보기>

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닥터 프리즈너 속 헌팅턴병의 유전학: 삼염기 반복 질환과 Anticipation

휴먼 게놈 프로젝트, 그 이후.. 그리고 정밀 의료시대까지

책의 마지막 부분은 Human Genome Project에 대한 이야기와 시퀀싱 및 유전체 기술의 진보로 미래에 어떠한 변화가 일어날지에 대해서 예상하고, 대비해야할 부분들에 대한 언급이 있는데, 이미 25년이 지난 지금 시점에서 과거에 예측했던 부분들이 얼마나 맞았는지, 그리고 어떻게 다른지를 생각해보면서 책을 읽었습니다. 이러한 부분들에서 거꾸로 앞으로 25년 후에는 어떠할지를 예측해보는 것도 재미난 포인트 인 것 같습니다.

해당 책은 비록 지금은 절판되어 구매가 불가능 하지만, 아마존 등을 통해서 영문판을 구매하거나, 중고 서점에서 한국어판을 구할 수 있는 것 같습니다. 관심이 있는 분들께는 꼭 한번 읽어보시라고 추천하고 싶습니다.

 

[Reference]

Waldholz, Michael, and J. Bishop. Genome: the story of the most astonishing scientific adventure of our time–the attempt to map all the genes in the human body. Simon and Schuster, 1990.