바이오인

새로운 발견을 이끌 우리 몸 속 세포 지도(아틀라스)

BioINwatch(BioIN+Issue+Watch): 23-53

* Nature 표지(VOL 619, ISSUE 7970, 2023.7.20)

■ 2018년 시작된 인간 생체분자 아틀라스 프로그램(HuBMAP)*의 최근 성과와 노력에 대해 Nature 최신호와 컬렉션에서 소개

    * HuBMAP(Human Biomolecular Atlas Program)은 미국 NIH의 Common Fund 프로그램 중 하나로 2018년부터 시작

○ 인체를 이루는 수조 개 세포는 동일한 유전체 정보를 지니고 있지만, 발현되는 유전자에 따라 서로 다른 기능을 하는 조직과 장기를 형성

- 조직, 장기별로 세포의 유형과 유전자 발현 패턴을 분석할 수 있다면 정상 조직과 질병 조직 사이의 차이가 어디에서 기인하는지와 같은 질문에 답을 할 수 있을 것으로 예상

○ 이에 HuBMAP는 인체 조직과 장기에 걸쳐 분포하는 생체분자(유전체, 전사체, 대사체 등)를 단일세포 수준에서 지도화하고,

- 지도 작성에 필요한 기술과 데이터를 생성하여 공유하는 것을 목표로 설정

■ 조직, 장기별로 세포의 유형과 유전자 발현 패턴을 분석하기가 힘들었지만 빠르게 발전하고 있는 단일세포 분석기술을 통해 각 세포의 생체분자 프로파일 분석이 가능해짐

○ 단일세포 전사체학(single cell transcriptomics)은 단일세포 내 모든 RNA를 식별하여 각 세포의 유전자 발현 프로파일을 분석

- 최근 여기에 공간적 개념을 추가하여 조직 내, 세포 내에서의 서로 다른 패턴을 분석하는데, 공간적 방법(spatial methods)은 시퀀싱 기반과 이미징 기반 접근법으로 크게 구분

○ 가장 많이 사용되는 시퀀싱 기반 공간 분석방법 중 하나는 공간 전사체학 (spatial transcriptomics)으로, voxel로 위치가 지정된 슬라이드와 해당 위치에 따른 고유한 분자 바코드(molecular barcode)를 포함한 짧은 뉴클레오타이드를 결합시켜 분석

- 세포 내부 해상도(subcellular resolution)까지 가능한 이 기술의 최신 버전은 위치가 알려진 분자 바코드 비드를 사용

- 조직 외부에서 RNA 시퀀싱을 수행하고 각 RNA 시퀀스에 부착된 바코드를 사용하여 공간 정보를 재구성

○ 이미징 기반 방법은 단일세포 수준에서 단백체 또는 전사체의 상대적 양을 정량화

- 단백질을 이미지화하기 위해 중금속 동위원소(MIBI 기술) 또는 DNA 바코드 (CODEX 기술)가 부착된 항체를 사용하는데,

- 중금속 동위원소는 질량 분석기를 사용하고 DNA 바코드는 형광 프로브 결합을 파악하기 위해 형광 현미경을 사용

○ 위와 방법을 사용하면 각 세포에서 발현되는 단백질을 정확하게 정량화 할 수 있을 뿐만 아니라 조직의 구조를 분석 할 수 있음

- 하지만 분석 대상인 단백질을 미리 알고 있어야 하며 일반적으로 수십 개의 단백질만 동시에 분석할 수 있다는 한계 존재

■ 최근 HuBMAP 이니셔티브는 위에서 설명한 3가지 기술을 통해 인간의 태반(placenta), 장(intestine), 신장(kidney)에 있는 모든 세포를 지도화 하여 생성한 단일세포 아틀라스를 Nature 최신호에 발표

○ MIBI를 사용하여 인간 태반, 특히 태아 태반과 모체 자궁벽 사이 경계면의 단일세포 지도를 확보

- 여러 발단 단계의 지도 분석을 통해 유전적으로 다른 태아 태반세포와 모체 면역세포가 어떻게 평화롭게 공존하는지에 대해 혈액을 공급하는 모체 동맥에 일어나는 변형을 발견

○ 다른 연구에서는 CODEX를 사용하여 길이에 따라 다양한 구조와 기능을 나타내는 복잡한 기관인 장의 8개 위치를 지도화

- 장의 위치에 따라 세포 구성이 급변한다는 것과 함께 이전에 알려지지 않은 상피세포의 세부 유형과 필요 시 면역세포가 쉽게 활성화될 수 있는 세포도 발견

- 이러한 발견은 장의 특수한 해부학적 영역이 고유한 기능을 가진 고도로 구조화된 공간 niche에 의해 뒷받침된다는 것을 제시

○ 또 다른 연구팀은 시퀀싱 기반의 공간 전사체학(spatial transcriptomics)을 통해 건강한 신장과 병으로 손상된 신장을 분석

- 손상된 신장에서 세뇨관 형성을 방해할 수 있는 이전에 확인된 적 없는 부적응 세포의 위치를 확인하였고, 이 부적응 세포가 섬유화 및 염증세포와 상호 작용하는 것을 관찰

[ 3가지 기술로 생성된 단일세포 아틀라스 ]

a MIBI라는 기술을 사용하여 태아 태반과 모체 자궁벽 사이 경계면을 매핑

b CODEX라는 기술을 사용하여 장의 여러 위치를 매핑

c 공간 전사체 분석기술을 사용하여 신장을 매핑

출처 : Nature, Cell-level reference maps for the human body take shape, 2023.7.19

■ Nature 컬렉션은 HuBMAP에서 생성된 연구결과, 데이터 세트, 방법 및 도구를 소개하며 지속적인 연구의 필요성을 강조

○ 첨단의 공간 분석기술에 의해 전례 없는 해상도로 조직과 장기를 분석하여 세포지도를 생성하고 표준화된 방법을 제시하고 있다고 설명

- HuBMAP 아틀라스는 질병과 관련된 세포의 공간적 위치를 정의하고 특정 유전자 변이를 질병에 연결하여 질병에 대한 이해를 향상시킬 수 있을 것으로 기대

○ 공간 기술의 폭과 깊이를 늘리면 궁극적으로 건강과 질병의 세포 구성과 기능 사이에 강력한 연관성을 규명할 수 있을 것으로 기대

- 미래를 내다보는 이러한 연구는 공간 기술을 지속적으로 발전시켜야 할 이유라고 강조

※ 2D로 수행된 연구에서 3D 재구성으로 이동해야 하며, 분석 샘플의 수도 증가해야 하지만 다른 질병 정보와 공간 구성을 연관시킬 필요

[ 줄기세포 관련 Nature Outlook 컬렉션의 주요 내용 ]

...................(계속)

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