바이오인

의생물학연구에서 차세대 서열확인법과 엑솜 서열확인법의 역할
Role of next generation sequencing and exome sequencing in biomedical research

질병관리본부 유전체센터 바이오과학정보과

조성범
  

Ⅰ. 들어가는 말

  인간유전체서열의 초안이 완성된 이후, 의생물학 분야에서 유전체에 관한 연구가 차지하는 비중은  매우 높아졌다. 마이크로어레이(microarray) 1)와 같은 높은 처리용량을 가지는 기법(high throughput technology)의 비약적인 발전으로 대용량의 자료가 한 번의 실험으로 손쉽게 얻을 수 있는 환경이 구축되면서 유전체학적인 연구방법이 의생물학 연구에서 더욱 중요한 위치를 차지하게 되었다.

최근에는  유전체의 서열이나 발현정보를 빠른 시간 안에 직접 확인할 수 있는 차세대 서열확인법(Next Generation Sequencing: NGS)이 발전하면서 의생명과학의 연구에서 중요한 도구로 자리를 잡고 있다. 이 글에서는 차세대 서열확인법의 개요와 응용분야를 살펴보고, 희귀질환에 관한 연구에서 활발히 진행되고 있는 엑솜 2)서열확인법(exome sequencing)에 대해서 살펴보려고 한다.

Ⅱ. 몸 말

  DNA 서열을 확인하는 방법(sequencing)은 1977년에 Sanger 등의 연구에 의해서 개량된 이후에 많은 발전을 이루었다. 기계의 자동화와 생물정보학의 발전, 그리고 컴퓨터 과학의 발전과 더불어 서열확인법도 계속 발전하였다. 현재 가장 진보한 형태의 서열확인법은 차세대 서열확인법(Next Generation Sequencing: NGS)이다. 이 방법은 기존의 모세관 서열확인법(capillary sequencing)에 비해서 빠르면서 한 번에 더 은 양의 서열확인을 수행할 수 있고, 기존의 모세관 서열확인법에서 사용하는 벡터를   이용한 시료의 증폭 과정이 생략되기 때문에 이 과정에서 발생하는 실험적인 오류를 피할 수 있다는  장점을 가지고 있다.

  현재 3곳의 회사에서 제작한 NGS 시스템이 주로 사용되고 있다[1]. 2004년에 출시된 Roche사의 454 GS FLX는 처음 소개된 NGS 장비였다(Figure 1). 이 장치는 pyrosequencing 방법과 유화제-중합효소반응(emulsion-polymerase chain reaction)을 사용하여 서열확인을 수행하고, 실험의 최종단계에서 나오는 빛의 세기에 따라서 특정 염기를 확인할 수 있다. 7시간 가동시켰을 때 100Mb 정도의 서열을 확인할 수 있는데, 기존의 ABI 3730 기기가 같은 시간에 440kb의 서열을 확인할 수 있는 것에 비해서 월등히 높은 성능을 나타낸다. Illumina 사의 Illimina Genome Analyzer는 합성에 의한 서열확인(sequencing by synthesis)이라는 개념을 도입하였다(Figure 2). 이 방법은 유리판 위에 한 가닥만으로 이루어진 DNA 조각을 부착한 후에, 이 조각들을 중합반응을 거쳐서 군집(cluster)을 이루게 한다.   

이 과정을 거칠 때 검사하려는 DNA 조각에 붙은 염기의 종류를 확인하면서 서열확인법을 수행하는데, 약 4 일 정도의 작업으로 32-40 개의 염기길이를 가지는 단편이 4-5천만 개가 생산이 된다. Life Technologies 사의 SOLiD (Sequencing by Oligo Ligation) 기기는 2007년에 출시되었다. 이 장비는 1 μm 크기의 자성 구슬에 검사하려는 DNA 조각을 부착시킨 후에 유화제-중합효소연쇄반응을 이용하여 서열확인을 수행한다. 서열확인을 할 때는 8-mer의 단편들을 반복해서 붙이는 방식을 사용하는데, 이 8-mer의 4, 5번째에 실제 서열확인에 사용될 염기가 위치하고 있다.

 그 뒤에 붙은 나머지 부위에는  형광물질이 연결되어 있어서 어느 염기가 검사하려는 DNA 조각에 상보적으로 결합하는 지를 표시해 준다. 한 번의 결합 주기마다 8-mer를 모두 5번 붙이고, 같은 작업을 5번 시행하면 총 25염기로 이루어진 DNA 조각의 서열을 확인할 수 있다. SOLiD 기기의 특징은 두 개의 염기를 이용한(two-base encoding) 서열확인이다(Figure 3). 이 방법은 하나의 염기의 서열을 결정할 때 같은 부위를 두 번의 서열확인을 통해서 확인하는 방법으로, 자성구슬에 부착된 부착제(adaptor)쪽으로 한번의 결합 주기마다 한 염기씩 서열을 이동시키면서 서열확인을 수행하는 방법이다. 이 과정을 통해서 서열확인실험에서  발생하는 오류를 제거할 수 있는 장점이 있다.

.....(계속)

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