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.

nmeth.1858-F1

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.

 

휴먼 게놈 프로젝트, 그 이후.. 그리고 정밀 의료시대까지

Hx of HGP
The landscape of Human Genome Project (National Human Genome Research Institute 에서 발췌)

인간 게놈 프로젝트 (Human Genome Project; HGP)는 인간의 모든 유전자 염기 서열을 밝히는 것을 목표로 1990년 처음 시작되었습니다. 그리고 당초 목표보다 2년 빠른 2003년도에 목표를 완수하게 되었죠. 이 당시만 해도, 인간의 유전체 암호가 모두 해독되어서 마치 모든 유전병을 정복가능하게 될 거라고 기대가 매우 컸습니다. 그렇지만 당시의 기대와 흥분도 잠시, 지금까지 무려 14년이 흘렀지만 아직도 게놈 프로젝트는 현재 진행형입니다. 이번 글에서는 게놈 프로젝트의 역사와 의의, 그리고 앞으로 유전체 연구 진행 방향에 대해서 논의해 보겠습니다.

사실 게놈 프로젝트를 말하는데 있어서, 염기서열 분석 기술의 발전을 떼놓고는 말하기가 어렵습니다. 하지만 각 세부적인 분석 기술 소개하는 것 만으로도 엄청난 분량이 되어버리므로, 이번 글에서는 간단히만 언급하겠습니다.

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1958년 노벨 화학상 수상자, Frederick Sanger (1918 – 2013). 그의 이름을 딴 생거 시퀀싱 방법은 아직까지도 염기 서열 분석 방법의 고전적 분석 표준(Gold standard)으로 인정받고 있습니다.

유전자의 염기 서열을 분석하는 가장 고전적인 방법은 생거 시퀀싱(Sanger sequencing)법 입니다. 영국의 생화학자였던 프레데릭 생거에 개발된 방법은 아직까지도 염기 서열 분석의 표준 방법(Gold standard)로 인정되고 있습니다. 그러나 기술의 발전으로 점점 더 빠르고 정확하게, 대용량의 유전 정보를 시퀀싱하는 것이 가능하게 되었고, 최근에는 이를 두고 차세대 염기 서열 분석법 (Next-generation sequencing, NGS) 라고 부르고 있습니다. 사실 우리는 이미 NGS의 시대에 살고 있기 때문에 엄밀한 의미에서 차세대 라는 말은 맞지 않습니다. 따라서 일부에서는 3세대 염기서열 분석 (Third generation sequencing, TGS) 또는 대용량 염기 서열 분석 (Massively parallel sequencing, MPS)라고 부르기도 합니다. 하지만, 편의상 널리 NGS로 통용되고 있습니다. 예전에는 염기 서열을 밝히는데 수년이 걸렸던 인간 게놈 프로젝트도, NGS 기술의 발달로 이 글을 작성하는 지금도 매우 저렴한 가격에 며칠이면 가능해졌으며, 소요 시간과 가격은 점점 감소하고 있습니다. 그렇다면 이렇게 저렴해진 유전체 서열 분석 기술이 의미하는 바는 무엇일까요?

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2000년대 초, 백만불이었던 전체 유전체 분석 가격은 2017년 현재 이미 1,000불 아래로 떨어졌습니다. 즉, 개인이 100만원의 비용이면 본인의 모든 염기 서열 정보를 알 수 있는 시대에 도달했다는 의미가 됩니다.

사실 인간 게놈 프로젝트 이후에 진행된 프로젝트는 1000 게놈 프로젝트 (1000 Genome Project)가 있습니다. 1000 게놈 프로젝트는 1000명의 사람들의 전체 유전체를 분석해서 서로 차이를 보이는 염기 서열에 무엇이 있고, 이것이 개인마다 어떻게 다름으로써 개인별 특징을 나타내는지를 찾고자하는 첫 시도였다고 볼 수 있죠. 그리고 현재 알게된 사실은 사람들은 무수히 다른 단일 유전자 변이 (Single Nucleotide Variant, SNV)를 가지고 있으며, 이러한 SNV가 각기 어떻게 작용을 해서 서로 다른 형질을 보내는지에 연구의 포커스가 맞춰진 상태입니다. 인간이 가지고 있는 형질과 질병은 무수히 많습니다. 그리고 인간의 유전체도 SNV를 포함해서 매우 다양하며, 무궁 무진한 상호 작용과 조절을 받고 있습니다. 즉, 인간 게놈 프로젝트 초기에 기대했던 목적을 완전히 이수하려면 이러한 모든 유전체의 발현과 조절, 그리고 개개인의 유전 정보와의 관계를 밝히는 것이 필수라는 것이죠. 1000명에서 시작된 프로젝트는 이제 나라와 인종별로 10만명, 100만명 수준으로 확대되고 있으며, 앞서 언급한 유전체와 형질간의 관계를 확인하기 위한 데이터 수집 과정입니다.

즉 앞으로의 유전체 프로젝트와 연구 방향은 이러한 형질 또는 질병과 유전 정보 간의 관계를 파헤치는데 집중될 것입니다. 유전자 지도 완성 뿐 아니라, 유전자 지도 안의 각 위치가 어떠한 역할을 하고, 어떤 형질과 질병을 일으키는지 완벽하게 이해를 해야한 엄밀한 의미의 정밀 의료가 실현 가능하다는 것이죠.  유전체 정보는 매우 방대하고, 이를 분석하는데는 매우 많은 시간과 노력이 필요합니다. 따라서 뒤이어 발전하게 된 것이 이러한 유전 정보를 분석하는 생물 정보학 (Bioinformatics)입니다. 더 나아가 최근에는 이러한 유전 정보를 빅데이터로 간주하여, 인공지능 방법론을 활발하게 적용하고 있는 상황입니다. 정밀 의료를 논의하는데 있어, 유전학, 생물 정보학, 그리고 인공 지능 등을 함께 이해할 필요가 있는 대목입니다.

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유전 정보 데이터를 바탕으로 한 정밀 의료 를 실현하기 위해서는 생물 정보학과 같은 분석 도구가 필수적이며, 유전체 데이터가 매우 크기 때문에 이를 효과적으로 처리하기 위해 빅데이터와 인공 지능 기술 적용이 크게 각광 받고 있습니다.

궁극적으로 정밀 의료 시대에는 모든 개인이 자신의 유전 정보를 보유하게 될 것이고, 앞에서 알게된 지식을 바탕으로 사는 시대에 있게 될 것입니다. 그리고 지금은 연구자들이 그러한 지식의 틈을 메꿔가는 과정이라고 볼 수 있겠죠.

유전 정보 분석 및 생물 정보학, 그리고 빅 데이터와 인공지능. 각각의 세부적인 내용은 나중에 더 자세히 알아보도록 하고 이번 글은 여기서 마치겠습니다.