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◇ 최근 MIT와 하버드 의대 연구진은 확장 현미경(expansion micros)과 긴서열 in situ RNA 시퀀싱(long-read in situ RNA sequencing)을 결합하여 특정 전사체(transcripts)의 위치를 정교하게 가시화할 수 있는 “확장 서열분석(Expansion Sequencing, ExSeq)” 공통핵심기술을 Science에 발표. 이는 기존 연구방법에 비해 3차원 이미징의 공간 정밀도를 높여, 향후 전사체 위치 및 조직 내에서의 생리적 역할을 연구하는 데 기여할 것으로 기대

    ▸주요 출처 : Science, Expansion sequencing: Spatially precise in situ transcriptomics in intact biological systems, 

                      2021.1.29

■ 세포와 조직은 다양한 분자적 구성요소로 이루어지며, 나노 수준으로 조직화 되어있어 정밀한 분석기법이 필요

○ 기존 연구방법들은 조직과 같은 3차원 시스템을 연구하기에는 공간 정밀도에 제한적

 - 이러한 한계점의 극복을 위해 1) 해상도를 높이거나, 2) 분자적 다중화 능력을 높이기 위한 연구가 진행되어왔지만, 두             가지 접근방법이 동시에 수행되지는 못함

○ 최근 나노 단위에서 시스템 단위까지의 RNA들을 고도로 다중화 매핑(multiplexed mapping)할 수 있는 “확장 서열분석

    (Expansion Sequencing, ExSeq)" 공통핵심기술을 개발

 - 미국 MIT와 하버드 의대 연구팀은 in situ 서열분석(in situ sequencing)*의 공간적 정밀도를 높이기 위해 시료를 물리

   적 으로 확대하는 확장 현미경(expansion micros) 기술을 개발

 * 조직 또는 세포의 환경이 보존된 상태에서 특정 부위의 mRNA 서열을 직접 시퀀싱하는 신규 기술로, 시퀀싱 정보와 위치 정보(세포 단위 이하 위치까지)를 연결할 수 있는 것이 이 기술의 강점. 이 기술은 조직이나 세포 샘플을 채취하여 위치 정보가 손실된 상태에서 서열을 분석하는 기존의 시퀀싱 기술과 차이

■해당기술의 핵심인 시료의 물리적 확대에 대한 의미를 넣어 ‘확장 서열분석 (Expansion Sequencing, ExSeq)’이라 기술을 지칭

○ 시료의 물리적 확대는 1) 일반 현미경을 통해 나노 수준의 해상도를 확보하는 기술과, 2) RNA 분자들을 폴리머(polymer)

    에 고정시킨 뒤 폴리머를 확장시켜 전사체에 대한 접근을 가능하게 하는 기술로 구성

 - 연구팀은 시료의 확대로 효소 반응(enzymatic reaction)을 가능하게 하고, 이를 통해 공간 정밀도가 높은 RNA in situ 시퀀싱

   이 수행되는 확장 서열분석(Expansion Sequencing, ExSeq) 기술을 개발

< ExSeq의 모식도 및 생쥐 해마 신경세포와 인간 전이성 유방암 조직 연구결과 >

¶ (위) 물리적 확장과 in situ 서열분석의 모식도(왼쪽)와 이미징 분석의 모식도(오른쪽). (아래) 생쥐 해마 신경세포의 수상돌기 소극 및 가지에서 나노 수준의 전사체 구획화 특성 분석(왼쪽, 가운데) 및 인간의 전이성 유방암 생검에서 세포 유형과 상태의 지도(오른쪽).

출처 : Science, Expansion sequencing: Spatially precise in situ transcriptomics in intact biological systems. 2021.1.29.

■ 이러한 공통핵심기술은 다양한 세포 및 조직 내에서 전사체(transcripts)의 위치와 생리적 역할에 대한 통찰을 제공할 것으

    로 기대

○ 물리적으로 확장된 시료의 in situ 시퀀싱이 완전한 조직(intact tissue) 내 세포 안의 RNA들을 나노 수준으로 다중화 매

    핑 할 수 있음을 확인

 - 또한 연구팀은 표적화(targeted) 및 비표적화(untargeted) 버전의 ExSeq을 모두 개발하여, 아래와 같은 RNA 매핑(mapping)

   연구를 진행(☞ 위 그림 참고)

   1) 비표적화 ExSeq을 사용하여 생쥐 해마 신경세포의 수상돌기(hippocampal neuron dendrite)에 존재하는 전사체를 확인하        였고, 

   2) 표적화 ExSeq을 통해 생쥐 시각 피질(visual cortex) 층에 따른 세포 유형들을 확인하고, 해마 피라미드 신경세포                    (hippocampal pyramidal neuron)의 나노 수준 구획(수상돌기 소극 및 가지)에 존재하는 RNA들을 관찰하였으며,

    3) 인간 전이성 유방암(metastatic breast cancer) 생검(biopsy)에서 세포 유형 거리에 따른 유전자 발현 차이(예를 들어, 종

        양 세포에 가까울 때 특정 면역세포의 상태)를 연구할 수 있었음

○ 조직이나 세포의 실제 환경 속에서 전사체의 서열과 위치를 분석할 수 있다는 것은 생리적 역할을 이해할 수 있을 뿐만           아니라,

- 더 나아가 세포와 조직 내 상호작용을 고려한 의학적 접근이 가능할 수 있도록 중요한 정보를 제공할 것으로 기대