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공간전사체(Spatial transcriptomics) 분석 기술의 최신 동향

이시영

◈ 목차

⑴  공간전사체 분석의 시대 도래

   1.1. 공간전사체 분석 기술 변천사

   1.2. 공간전사체 분석 기술 종류
⑵ 공간전사체 분석 기술의 활용
⑶ 결론
⑷ 참고문헌

◈본문

■ 요약문

조직에서 단일 혼합체 단위로 분석할 수 있던 RNA의 양상을 보다 실제 조직과 가깝도록 입체적으로 확인할 수 있게 되었는데, 그러한 양상을 만든 일등 공신 중 하나는 단일세포 단위로 RNA를 확인할 수 있는 분석기술의 개발 및 보급이고, 나머지 하나는 RNA의 발현 양상을 조직에 위치에 따라 확인할 수 있게 된 공간전사체의 발명이라고 볼 수 있다.

공간전사체 분석 기술은 그 사용 용도 및 목적에 따라서 굉장히 다양한 방식들이 존재하나, 그중 공간전사체 플랫폼 중 활발하게 상용화되어 사용되고 있는 플랫폼은 크게 2가지 타입으로 나누어진다. 우선 현재 가장 많이 쓰이고 있는 NGS 기반 시퀀싱이 들어가는 시퀀싱 기반 공간전사체(Sequencing-based Spatial transcriptomics)와 최근에 가장 플랫폼 간 경쟁이 치열한 FISH 기반 분석이 들어가는 FISH 기반 공간전사체(FISHbased Spatial transcriptomics)가 큰 구분점이다. 본 동향에서는 각각의 플랫폼에 대한 특징 및 장단점에 대해 세부적으로 정리해보고자 한다.

1. 공간전사체 분석의 시대 도래

2003년 게놈프로젝트(Genome project)의 발표 이래로 NGS (Next Generation Sequencing) 기술은 계속해서 발전에 발전을 거듭하고 있다. 많은 시간과 고비용으로 전체 Genome을 확인하는 것(Whole Genome sequencing)부터 시작된 기술이, RNA의 총체적 결과(Whole Transcriptome)를 확인하고, 단일세포 단위로 RNA를 확인(Single cell RNA sequencing)하는 것까지 발명 주기가 매우 짧아지고 있다. 초기에는 10년여 기간의 시간 동안 NGS 관련된 부분의 시퀀싱 결과의 output 결과가 주로 개발되어 왔다면, 그리고 지금은 5년, 3년도 안 되는 매우 짧은 시간 동안 계속해서 NGS 기반 신기술 혹은 NGS와 독립적으로 운용되는 신기술이 개발되고 있다. 그 개발 과정 동안 조직에서 단일 혼합체 단위로 분석할 수 있던 RNA의 양상(Bulk RNA sequencing)을 보다 실제 조직과 가깝도록 입체적으로 확인할 수 있게 되었는데, 그러한 양상을 만든 일등 공신 중 하나는 단일세포 단위로 RNA를 확인할 수 있는 분석기술의 개발 및 보급이고, 나머지 하나는 RNA의 발현 양상을 조직에 위치에 따라 확인할 수 있게 된 공간전사체의 발명이라고 볼 수 있다.

2023년은 그야말로 공간전사체(Spatial transcriptomics)의 춘추전국시대라고도 볼 수 있을 것 같다. 거의 동 시기의 짧은 시간 안에 10x genomics사, nanostring사, vizgen사, MGI사를 비롯한 다양한 플랫폼을 발명하는 회사들에서 공간전사체에 대한 적극적인 개발 및 홍보를 시작하고 있고, 이런 치열한 경쟁 속에서 어떤 플랫폼이 공간전사체에서 핵심 플랫폼으로 자리 잡을 수 있을지 아직은 누구도 답을 말할 수 없는 상태인 것 같다. 공간전사체의 경우 기술의 발전 및 신기술 도입 주기가 얼마나 빠른지, 2020년에 10x genomics의 Visium이 Nature Methods에서 올해의 기술로 선정된 지 3년이 채 되지 않아서 공간정보를 단일세포 수준으로 분석이 가능한 FISH-기반의 공간전사체 기술(FISH-based spatial transcriptomics)이 시장에 나와 경쟁을 하고 있다 [1]. 본 동향에서는 공간전사체의 기술이 어떤 기술이고 어떤 변화가 있어왔는지 살펴보고, 그리고 각각의 기술이 어떠한 분류로 정의되고 플랫폼 별 어떠한 장단점이 있는지 그 최신동향을 살펴보고자 한다.

그림 1. 2020년 Nature Methods에 올해의 기술로 선정된 공간전사체 분석 플랫폼(Visium)

1.1. 공간전사체 분석 기술의 변천사

기존의 유전체 연구방식에서는 조직의 RNA 등을 확인하여 조직의 성질을 분류하더라도, 해당 조직 내의 어떤 세포들이 어떤 상호작용을 하고 있는지 규정하는 것은 쉽지 않았고, 여러 분리 도구들을 활용하여 일부 주요 면역세포 군 등의 세부적인 비율을 유추하는 방법(deconvolution methods)을 사용하더라도 이를 각각의 세포로 정확하게 분류했다고 증명하는 것은 학계의 논쟁거리였다.

단일세포 단위로 세포의 RNA를 확인할 수 있는 단일세포 전사체 분석법이 나온 후 이러한 논쟁에서 좀 더 신빙성 있게 각 세포별로 분리하여 결과를 제공할 수 있었고 세포 간의 상호작용에 대해 더 자세하게 확인할 수 있게 되었으나, 실제 조직 내에서 이러한 세포와 세포 간의 상호작용(cell to cell communication)이 이루어지고 있는지 확인하는 것에는 또 하나의 논쟁거리가 있었다.

이러한 부분을 해결하기 위해 나온 것이 공간 내에서의 RNA 등을 확인하는 분석법이었다. 처음에 공간전사체의 경우 일부 공간을 레이저 등으로 잘라 해당 부분을 Bulk RNA seq과 같은 방식으로 영역별 특징을 구분 짓는 방식(Laser-capture microdissection)부터 시작하여, 조직을 spot 단위로 나누어 Bulk RNA seq과 같은 방식으로 진행하는 기술(Spot-based sequencing)들이 나오기 시작하였다. Spot 단위로 볼 수 있는 기술은 비교적 상용화가 되어 10x genomics사의 Visium이라는 공간전사체 플랫폼으로 많은 연구진들이 해당 플랫폼을 활용하여 데이터를 생산하고 있다 [2].

그 이후로도 계속해서 플랫폼이 발전하여 spot 단위에서 단일세포 단위로 공간에 대한 부분을 확인할 수 있게 되었는데, 대표적인 케이스가 MGI사의 Stereo-seq이다. Stereo-seq 또한 spot 단위로 RNA의 총체를 확인하지만, spot의 사이즈가 500 nm 정도의 사이즈로 세포단위보다 훨씬 작으며 세포 하나하나마다 구분해 주는 기술이 있어 단일세포 단위로 RNA의 확인이 가능하게 되었다[3].

가장 최근에는 세포 내의 RNA의 위치 및 발현을 확인할 수 있는 기술까지 개발되게 되었고, 이 방법들은 FISH (Fluorescence in situ hybridization) 방식의 기법을 사용하고 있으며 Vizgen의 MERSCOPE가 가장 먼저 개발하여 상용화하였고, nanostring사의 CosMX, 10x Genomics사의 Xenium이 해당 기법을 활용한 플랫폼을 개발하였다. 이와 같이 공간전사체의 발전은 짧은 시간만에 급속한 변화를 일으켜 왔으며, 이를 활용한 연구들이 글로벌하게 그리고 매우 활발하게 이루어지고 있다 [4].

...................(계속)

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