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단일세포 유전체학 분야는 매우 빠르게 성장하면서 미생물부터 암까지 이르는 다양한 생물학 분야에 영향을 주고 있다. 이 리뷰 논문에서는 단일세포 서열분석의 현재를 개괄적으로 설명하려 한다. 먼저, DNA 단일분자를 측정하려는 기술적인 노력에 대해서, 그리고 최근 성공한 방법론적 발전이 어떻게 새로운 생물학을 가능하게 했는지 설명하고, 단일세포 유전체학이 미생물 암흑물질, 다세포 생물의 유전적 모자이크현상, 그리고 암에 응용되는 것에 대해서 좀 더 강조하여 서술하려 한다. 마지막으로 앞으로 수년 내에 나타날 이 분야의 발전에 대해 예측해 본다.

 

본 자료는 Single-cell genome sequencing: current state of the science. Nature Reviews Genetics 17, 175?188 (2016)의 논문을 한글로 번역, 요약한 자료입니다.

목 차

1. 서론
2. 기술적인 과제
  2.1 세포 분리
  2.2 총 유전체 증폭(WGA)
  2.3 총 유전체 증폭 결과물 해석
  2.4 단일세포 서열분석의 오류
  2.5 단일세포 변종
  2.6 단일세포 간의 유전적 관계 규명
3. 응용분야
  3.1 미생물 암흑물질의 분류
  3.2 다세포 생물에서의 유전적 모자이크 현상 규명
  3.3 암
4. 암 연구에서의 청사진
5. 결론


1. 서론

세포를 생명의 기본 단위로 주장한 세포설은 생물과 질병을 이해하는 새로운 개념적 기반을 제공했으며, 유전되는 프로그램인 DNA가 단백질을 만들고, 그 단백질에 의해 세포가 기능을 하게 된다는 후속 연구들은 유전학과 유전체학의 발전을 이끌었다. 유전적 변이를 연구하려는 수많은 노력이 수천 개의 단세포 종들을 밝혀내고 인간 질병의 유전적 병인을 알아냈지만, 대부분의 일들은 생태계나 유기체 수준에서 이루어졌다. 그러나 실제 단세포 종으로 이루어진 생태계내의 다양성은 우리가 혼합된 집단에서 측정하는 것과 많은 차이가 있으며, 다세포 생물 유기체 내에 존재하는 단일세포들의 게놈은 모두 같지 않다.

단일세포 유전체학은 게놈을 세포단위로 연구하는 것을 통해 유전학에 새로운 관점을 제시하려 하고 있다(그림1). 각 단일세포가 생태계와 유기체의 생명현상에 주는 영향을 설명하려는 것이다. 예를 들어 단일세포 유전체학을 통해서 우리는 배양할 수 없는 미생물의 게놈을 분석하고 그 정보를 수집할 수 있으며, 정상상태와 질병상태에서 유전적 모자이크(Genetic mosaicism: 같은 유기체 내에 두 가지 이상의 유전자 형태가 존재하는 경우 발생하는 현상)의 역할을 알아볼 수도 있고, 암의 성장과 치료 효과에 대한 암세포 내부의 다양성을 조사할 수도 있다. 그러나 이 분야는 세포를 단일세포 수준으로 분리해내는 기술을 해결하는 것에 큰 한계를 보이고 있다.

이 리뷰에서는 세포분리, 총 유전체 증폭(whole-genome amplification, WGA), DNA 서열분석과 데이터 해석 등의 기술적인 노력들이 어느 정도 성공했는지를 서술하고, 이러한 성과들이 앞으로 미생물 생태계와 암세포 내에서 세포간의 유전적 다양성을 알아내는 데 어떻게 이용될지를 이야기하려고 한다.

2. 기술적인 과제

좋은 품질의 단일세포 서열분석 데이터를 얻기 위해 4가지 기술적인 과제가 존재한다. 단일세포 수준으로 세포를 분리하는 것, 분석이 가능하도록 단일세포의 유전체를 증폭하는 것, 유전적 변이에 대한 가설을 효율적으로 증명하는 방법, 그리고 이러한 세가지 과정에서 나오는 오류 편향성을 극복하고 적절한 해석을 하는 것이다. 단일세포 결과의 품질을 최대로 끌어올리기 위해서는 기술적인 노이즈와 실제 신호를 구분할 수 있어야 하고 각각의 변수들이 아주 신중하게 디자인되고 통제되어야 한다.

2.1 세포 분리

샘플을 단일세포 수준으로 분리하는 첫 번째 과정은 살아있는 세포를 현탁액(suspension) 상태로 만드는 것이다. 단단하고 복잡한 조직의 경우 기계적인 힘이나 효소에 의해서 분리시켜야 하는데 특정 세포만으로 편중되지 않고 세포를 살려두면서 분리하는 작업이 쉽지 않다. 병리 조직의 경우 분리 반응이 일반 조직과 비교해서 다를 수도 있고, 같은 병리 조직간에서도 차이가 나타날 수 있다. 레이저-포획 극소해부기술(Laser-capture microdissection)은 적은 양의 샘플을 이용해 단일세포 DNA를 추출할 수 있는 방법을 제시했지만 이를 이용해 얻어낸 서열분석 데이터의 품질이 매우 좋지 않았다. 결국 미세 유체나 bead를 이용한 방법이 단일세포의 순환 종양세포를 분리하기 위해 개발되었다.

일단 현탁액으로 세포를 만든 후에 세포를 단일세포로 분리하려는 노력들이 많이 이루어져왔다. 점진적으로 희석하기, 미세-파이펫팅(micropipetting), 미세용기 희석법(microwell dilution), 광학 핀셋(optical tweezer) 등이 그것이다. 그리고 형광 활성화 세포 분류기(fluroescence activated cell sorting, FACS)를 이용하여 세포나 핵을 온전한 상태로 분리하는 방법들이 개발되어 왔고 현재는 미세유체 장비를 이용한 방법이 메인 스트림 기술로 자리잡았다.

단일세포 분리기술에 대한 많은 리뷰들은 이 기술의 정확성, 재현성, 결과물의 가치에 대해서 비평해 왔고, 이 기술을 이용한 많은 연구들은 적은 세포를 이용한 연구가 가진 가능성에 대해서 설명하고 강조하려 노력했다. 단일세포 유전체학이 결국에는 수천 개의 세포를 통한 유전체 연구가 풀지 못한 질문들을 해결할 것이며 기술도 더욱 단단하게 정립될 것이라 예상한다.