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뇌종양에서의 단일 세포 RNA 시퀀싱을 이용한 전사체 연구동향

요약문

일반적인 마이크로어래이(microarray)나 RNA 시퀀싱(RNA-seq) 분석방법과는 달리 단일 세포 RNA-seq (single cell RNA-seq, scRNA-seq) 분석법은 희귀한 세포군의 전사체(transcriptome) 특성을 분석할 수 있다는 장점 때문에 조직의 발생 및 줄기세포의 분화와 종양의 이질성(heterogeneity) 등을 분석하기 위한 목적으로 최근 부상하고 있다. 본서에서는 뇌종양 관점에서 scRNA-seq의 개요 및 이를 이용한 최신 신경 교모세포종의 연구 동향과 scRNA-seq 데이터베이스를 살펴보면서 향후 연구 방향을 가늠하고 신경 교모세포종과 관련한 정밀 의료에 필요한 치료 전략을 고찰하고자 한다.

키워드: 뇌종양, 이질성(heterogeneity), 전사체(transcriptome), single cell RNA-seq (scRNA-seq)

분야: Biotechnology
 
 
 
 

목차

1. 서론
2. 본론
3. 결론
4. 참고문헌

1. 서론

Microarray와 일반적인 RNA-seq 분석은 세포의 분자 상태를 정량화 하는 방법으로 개별 세포의 신호를 평균적으로 분석함으로써 수백만 개의 세포에서 평균값을 추정하는 것에 주로 의존한다. 그러나 종양을 구성하는 세포의 이질성(heterogeneity)을 고려할 경우, 발현을 나타내는 수치의 평균값을 측정하면 정상적인 조직 기능을 유지하고 질병 진행을 촉진하는 데 중요한 세포 집단 내에서의 내부 상호 작용 및 세부적인 차이를 간과할 수 있을 것이다. 따라서 위와 같은 분석방법은 조직을 구성하는 시스템의 분자 상태의 정보를 부분적으로만 제공한다. 이와는 다르게 단일 세포 RNA 시퀀싱(scRNA-seq)은 개별 세포의 발현 프로파일을 제공한다. 유전자 클러스터링 분석을 통해 세포 집단 내의 희귀한 세포 유형을 식별할 수 있기 때문에 이질성을 가진 세포 집단의 각 부분의 특성을 규명할 수 있다. 특히 종양의 이질성은 누적된 돌연변이에 의한 것일 수 있지만 동일한 환경에서 유전적으로 동일한 세포조차도 유전자 및 단백질 발현 수준의 높은 변이성을 나타낸다. 그러나 세포 내에서 중요한 기능을 발휘할 수 있는 낮은 카피 수의 RNA는 통상적으로 사용되는 microarray나 RNA-seq 방법으로는 검출이 어렵거나 전통적인 평균값을 추정하는 분석법에서는 노이즈로 간주될 수도 있다. 반면에 다수의 단일 세포에 대한 scRNA-seq은 희귀한 낮은 카피 수의 RNA를 식별할 수 있으며 또한 개별 세포에서 전체 mRNA 집단의 카피 수 분포를 나타낼 수 있다는 장점이 있기에 최근 뇌종양을 포함하는 다양한 종양의 이질성 등을 분석하기 위한 목적으로 부상하고 있다 (그림 1, 2).
 

그림 1. RNA 발현을 분석하는 microarray, RNA-seq과 single cell RNA-seq과의 차이점 개요.

이러한 단일 세포 RNA-seq은 어디에 사용될 수 있을까? 예를 들면, 암 환자의 말초 혈액에서 순환하는 종양 세포(circulating tumor cells, CTCs)의 수는 예후와 관련이 있는 것으로 나타났다. 그러나 분리된 CTCs는 종종 많은 수의 백혈구와 적혈구가 포함되어 있으므로 이들을 나열하고 특성화 하는 일이 쉽지 않다. 단일 세포 RNA-seq은 암세포를 정상적인 혈액 세포와 구별하고 동시에 종양 세포의 발현 프로파일을 얻기 위해 사용될 수 있다. 뿐만 아니라, 단일 세포 RNA-seq는 초기 인간 배아 및 성체 줄기 세포에서 희귀한 세포 유형을 분석하는 데에도 사용될 수 있는데 왜냐하면 두 세포 유형의 경우 모두 일시적으로 존재하며 현재 기술로 특징을 분석하기가 쉽지 않기 때문이다.

2. 본론

2.1 scRNA-seq을 이용한 종양 연구 동향

종양 조직을 사용한 단일세포 전사체 분석은 종양 조직과 접한 기저세포 및 면역세포와 함께 종양의 이질성을 분석하기 위해 사용되고 있다. 예를 들면, 유방암의 경우, 11명의 유방암 환자에서 얻은 515개의 단일세포의 전사체를 분석함으로써 암세포 이외의 세포들인 T세포, B세포 및 대식세포와 같은 면역세포가 미세환경을 구성하는 세포군이라는 것을 규명한 바 있다 [1].

종양의 중요 특징인 전이 역시 단일 세포 DNA sequencing을 통해 number variation을 분석한 경우도 있는데 대장암의 경우 APC 유전자의 “first hit”이 초기 progenitor clone에서 관찰되며 이후 primary 및 metastatic tumor의 기원이 된다는 것을 밝힘으로써 단일세포 수준에서 게놈을 분석한 바 있다 [2].

그림 2. 신경 교모세포종에서의 single cell RNA-sequencing 개요.

그림 3. 세포 표지법과 RNA-seq을 결합한 분석법의 개요.

...................(계속)

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