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[BRIC View 리뷰논문요약]

롱 리드를 이용한 인간 유전체 시퀀싱과 그 적용

임지선(서울대학교)

요약문

지난 10년 동안 단일 분자 DNA를 롱 리드(long-read)로 시퀀싱하는 기술은 유전체학에서중요 방법론으로 부상하였다. 롱 리드 시퀀싱 플랫폼들은 쇼트 리드(short-read) 시퀀싱 기술에 가까운 정확도를 보이며 수십에서 수천 킬로 베이스 가량의 긴 길이의 리드를 생산하여,기존에는 접근하기 어려웠던 구조 변이(structural variants)의 탐지와 최초로 텔로미어에서 텔로미어까지의 전체 염색체 조립을 가능하게 하였다. 또한, 롱 리드 시퀀싱 기술은 조만간 유전체 조립(genome assembly)의 상용화를 이끌어, 인간 유전 변이의 전체를 밝히고 질병의새로운 기작을 발견하며 유전체학 분야의 혁신을 일으킬 것이다.

Key Words: long-read sequencing, genome assembly, genetic variation

본 자료는 Long-read human genome sequencing and its applications. Nat. Rev. Genet. 21, 597–614 (2020).의 논문을 한글로 번역, 요약한 자료입니다.

1. 서론

시퀀싱 플랫폼을 비롯한 분자 생물학 기술들의 개발은 현재의 유전 변이 연구와 질병을 유발하는 돌연변이의 발견에 크게 기여하였고, 지난 10년 동안 유전체학 연구를 지배했던 DNA 시퀀싱 기술은 쇼트 리드를 생산하는 차세대 시퀀싱(next-generation sequencing) 플랫폼인 일루미나(Illumina) 플랫폼이다. 일루미나의 DNA 시퀀싱 기술은 적은 비용으로 99.9% 이상의 정확도를 보이는 리드를 생산할 수 있어서 생물학 연구와 임상의학에서 시퀀싱의 표준이 되었고, 단일 염기서열변이(single-nucleotide variants), 복제수 변이( number variant) 그리고 삽입과 결실(insert anddeletion)과 같은 변이의 발견을 이끌어 진화와 적응 그리고 질병에 대한 이해를 향상시켰다. 이에 더해 이 기술은 높은 처리량을 가져 전사 인자의 점유(occupancy), 유전자 발현 그리고 RNA 결합을포함한 수많은 생명 현상을 조사하는데도 기여하였다. 하지만, 이 기술은 300 bp 미만으로 리드 길이가 제한되어 구조 변이를 탐지하기에는 리드가 현저히 짧고, 반복 서열이 있거나, 높은 GC 비율을보이는 경우 유전체 조립과 변이 탐지가 어렵다는 한계를 보였다. 또한, 이처럼 쇼트 리드 시퀀싱으로 접근이 어려운 영역에는 돌연변이가 높은 비율로 일어나는 동원체(centromere), 텔로미어 그리고말단동원체(acrocentric) 등이 포함되어 우리 유전체에서 돌연변이가 가장 많이 생기는 구간들에 대한 연구가 부족한 상태였다.

이 문제를 해결하기 위한 방법 중 하나는 쇼트 리드 시퀀싱으로 긴 DNA 분자의 시퀀스를재구성하는 접근법을 개발하는 것이었고, 그 예로 Linked-read 시퀀싱, 합성 롱 리드 시퀀싱 및 Hi-C시퀀싱 등이 개발되었다. 이 중 Hi-C 기술은 핵 안에서 서로 가까웠던 자리(locus)들을 찾아서 같은염색체 위의 멀리 떨어진 유전자자리들 사이의 정보를 제공하며, 이 정보는 컨티그(contig)의 연결,하플로타입(haplotype)의 패이징(phasing) 및 구조 변이의 발견으로 이어질 수 있다. 이 접근법들은이러한 적용에서 단순한 쇼트 리드 시퀀싱 접근법보다는 좋은 성능을 가지지만, 그 기반은 여전히쇼트 리드에 있어서 롱 리드 시퀀싱에 비해서는 적용이 제한된다.

여기에서는 두 가지의 주된 롱 리드 시퀀싱 기술인 팩바이오 SMRT (PacBio single-molecule,real-time) 시퀀싱과 ONT (Oxford Nanopore Technologies) 시퀀싱에 중점을 두고, 이 방법들을 리드의 정확도와 처리량 등의 측면에서 쇼트 리드 시퀀싱 기술과 비교한다. 이에 더해, 인간의 질병과다양성 연구를 중심으로 이 기술들의 유전체학과 전사체학 및 후성유전체학에서의 적용에 대해 논의한다.

...................(계속)

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