바이오인

 BioINwatch(BioIN+Issue+Watch): 22-58

세포 내 현상을 기록하는 DNA 테이프

■ 고해상도 DNA 이벤트 기록(high-resolution DNA event recording) 기술이 성숙해지면서 다양한 동물모델에서 생물학적 지평을 확장할 것으로 기대

 ○ DNA 이벤트 기록 방식 중 하나인 CRISPR-Cas9 유전체 편집기술을 사용한 동적 세포 계통 기록(dynamic cell lineage recording)은 발달 세포 계통 추적을 가속화

   - 이 시스템에서 합성된 DNA 바코드가 연속적이고 무작위적으로 염색체 내 삽입되면서 이렇게 발생하는 돌연변이 배열은 세포 분열을 통해 전달

   - 수정란에서 시작된 동물의 세포 계통은 high-throughput DNA 시퀀싱을 통해 후손 세포의 바코드 염기서열의 돌연변이 패턴으로 과거 세포 계통 정보를 연결

 ○ 최근 혈액세포 분화, 전이성 암세포 증식 추적 등에 활용된 새로운 DNA 기록 기술이 발달 생물학에 대한 관점을 빠르게 진전시키고 있으며,

   - 환경 및 세포 신호를 게놈 편집 활동으로 변환할 수 있는 세포 내 회로 (cell-embedded circuits)에 대한 아이디어가 등장

 ○ 세포 계통 기록 기술과 결합된 이러한 기술의 진보는 세포 내 이벤트와 세포 상태 변화를 전산적으로 재구성하여 매핑이 가능

   - 이를 통해 발달 생물학 및 암 생물학에 대한 지식을 심화하여 치료 전략에 대한 힌트를 제공할 것으로 기대

   - 하지만 정보 기록 용량, 다양한 생물학적 이벤트를 포착할 수 있는 분자 센서, 분석할 수 있는 세포의 수, 대규모 생물학적 기록을 재구성할 수 있는 전산적 역량 등 현재 분자 이벤트 기록 기술의 한계 존재

■ DNA 이벤트 기록 기술의 한계를 극복하기 위한 다양한 접근방법을 연구 중

 ○ DNA 바코드의 전체 길이를 확장하여 정보 기록 용량을 늘리는 방법, 정보 기록 효소의 유형을 변경하여 기록 용량을 늘리는 방법을 채택

   - 촉매적으로 불활성인 Cas9를 역전사효소에 융합하는 CRISPR 프라임 편집기 (PE, prime editor)는 최근 확장 가능한 고해상도 이벤트 기록을 위해 제안

 ○ 이러한 엔지니어링 노력과 함께 고성능 컴퓨팅 방법도 개발이 필요한데, 생물학적 이벤트에 대한 효율적인 알고리즘은 아직 확립되지 않은 상황

   - 이러한 한계를 극복하기 위해 딥 분산 컴퓨팅(deep distributed computing) 이라는 새로운 컴퓨팅 프레임워크가 제안. 2억 개 이상의 돌연변이 시퀀스에 대한 정확한 세포 계통 추적이 가능

< DNA 테이프 개념도 >

¶ 합성 CRISPR-Cas 정보 기록 효소는 다양한 유형의 DNA 돌연변이를 도입하여 세포 이벤트 및 계보 전환을 DNA 테이프(또는 바코드 어레이)로 기록. DNA 테이프는 단일세포 시퀀싱으로 판독되고 생물학적 이벤트 이력은 컴퓨터로 재구성

출처 : Science, Molecular recorders to track cellular events, 2022.7.28.

 ○ 인간 게놈에서 질병 돌연변이를 재구성할 수 있는 게놈 편집 기술과 결합된 고해상도 DNA 이벤트 기록 시스템은 유전질환 및 암에 대한 치료 전략 개발에서 통찰력을 제공할 것으로 기대 

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