바이오인

공간전사체

[NRF R&D Brief 2025-2호]

◈본문

1. 공간전사체란?

• ◯︎분자생물학과 공간정보를 결합하여, 실제 조직의 구조와 가깝게 입체적으로 유전자의 발현을 연구하는 기술임. 조직 내에서 각 유전자가 발현되는 위치를 파악할 수 있고, 세포들이 주변 환경과 어떻게 상호작용하는지 알 수 있으며, 그에 따라 유전자의 발현이 변화하는 양상을 이해할 수 있음.

• ◯︎공간전사체 분석 기술은 그 목적에 따라 다양한 방식이 존재하며, 크게 시퀀싱 기반 공간전사체(Sequencing-based Spatial transcriptomics)와 imaging 기반 공간전사체 기술(Imaging-based Spatial transcriptomics)이 사용되고 있음.

▶ 시퀀싱 기반 공간전사체 기술은 조직을 spot 단위로 나누어 NGS(Next Generation Sequencing) 기술을 사용함. 전체 RNA의 발현량을 분석할 수 있고, 아직 resolution이 비교적 낮지만 단일 세포 수준에서 RNA 발현을 확인할 수 있도록 spot 사이즈를 작게하여 resolution을 높인 플랫폼이 개발되고 있음.

▶ Imaging 기반 공간전사체 기술은 특정 RNA를 타겟하여 Imaging하는 기술을 사용함. 높은 resolution으로 sub-cellular 수준에서 RNA의 위치를 확인할 수 있고, 아직 한 번에 확인 가능한 RNA 종류의 수가 제한적이지만 그 수를 늘리기 위한 플랫폼 역시 개발되고 있음.

2. 왜 주목받고 있나?

• ◯︎세포종들은 어떠한 기능을 담당하는지에 따라 나뉘게 됨. 전사체는 기능을 담당하는 최종 산물인 단백질과 직접적으로 연관되어 있기 때문에 전사체를 분석하여 특정 세포가 어떠한 세포종인가에 대한 정보를 얻을 수 있음.

• ◯︎단일세포 전사체 분석 기술이 발달함에 따라 조직을 단일세포로 분리하여 전사체의 발현을 확인할 수 있게 되었음. 조직 내에 어떤 종류의 세포가 존재하며 어떤 기능을 하는지 구별할 수 있었지만 실제 조직 내에서 세포 간의 상호작용을 규명하는 것은 한계가 있었음.

• ◯︎공간전사체 분석은 전사체 기반 세포종 분류 이후 세포들이 특정 조직 내에서 공간적으로 어떠한 위치에 분포하는가에 대한 정보를 줄 수 있고, 세포종들의 위치를 통해 어떤 세포들이 서로 상호작용하고 있는지 알 수 있음. 암과 종양 미세환경(tumor microenvironment), 발생학(developmental biology), 혹은 뇌 관련 연구 분야에서 세포 간의 상호작용은 매우 중요한 정보이기 때문에 공간 전사체 분석의 활용도가 높음.

▶ 최근 저명한 과학 저널 Nature Biotechnology에서 인간 심장의 공간전사체를 분석한 연구가 발표되었음. 이 연구는 25명의 심장 이식 기증자로부터 얻은 조직을 대상으로 단일세포 RNA 시퀀싱(single-cell RNA sequencing), 단일핵 RNA 시퀀싱(single-nucleus RNA sequencing), 그리고 공간전사체 기술을 결합하여 심장의 8개 해부학적 영역을 분석함으로써 심장 전도 시스템 내 세포 집단의 상세한 이해를 제공함. 이 연구는 심장 리듬에 대한 약물의 영향을 예측하는 데 중요한 통찰을 제공하였음(Kanemaru and Cranley et al, Nature Biotechnology 2023).

▶ Nature Methods 지는 공간전사체 분석법을 2020년 ‘올해의 메소드’로 선정하였음. 이 선정은 공간전사체 분석이 생물학적 연구와 의학적 응용에서 가지는 중요성을 강조한 것으로, 이 기술이 조직 내에서의 유전자 발현 패턴을 고해상도로 분석할 수 있게 하여, 질병 메커니즘을 밝히는 데 기여하고 있음(Vivien Marx, Nature Methods 2021).

▶ 암, 신경퇴행성 질환, 염증성 질환 등 다양한 질환에서 조직의 공간적 구조와 세포 간 상호 작용이 질병의 진행과 예후에 중요한 영향을 미친다는 것이 밝혀지면서, 공간전사체 분석의 중요성이 더욱 부각되고 있음. 예를 들어, 종양 미세 환경에서 면역 세포의 공간적 분포와 암세포와의 상호작용을 공간전사체 기술로 분석하여 면역 치료 반응성을 예측할 수 있는 가능성이 제시됨(Yichi and Tengjiao et al, Nature cell biology 2023).

▶ 공간전사체 분석은 또한 복잡한 조직의 구조적, 기능적 특성을 고해상도로 파악할 수 있게 하여 발달 생물학, 조직 공학 및 재생 의학 분야에서도 매우 중요한 역할을 함. 특히, 심장 조직의 재생 과정에서 세포 유형별 발현 패턴이 어떻게 변화하는지를 규명하여, 조직 재생 및 치유 과정의 메커니즘을 보다 명확히 이해하는 데 기여하고 있음.

▶ 공간전사체 기술의 발전은 단일 세포 수준에서의 유전자 발현 분석과 더불어 공간적 위치 정보를 함께 제공하여, 복잡한 조직의 구조적, 기능적 특성을 고해상도로 파악할 수 있게 하였음. 이러한 기술적 진보는 조직 특이적 치료법 개발 및 생물학적 연구의 패러다임 전환을 이끌고 있음(Ludvig Larsson et al, Nature Methods 2021).

▶ 공간전사체 분석을 통해 얻은 데이터는 방대하고 복잡하지만, 이를 분석하기 위한 생물정보 학적 도구 및 알고리즘의 발전이 지속되고 있음. 이러한 발전은 연구자들이 데이터를 보다 효과적으로 처리하고 해석할 수 있게 하여, 공간전사체 연구의 실용적 응용을 가속화하고 있음.

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