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단일 세포 분석 기법에 대한 개요 및 이를 활용한 질병의 이해 및 신약개발 사례

우 연 덕

◈ 목차

⑴ 서론

⑵ 본론

2.1. 단일 세포 분석 기법의 개요

2.2. 단일 세포 전사체 분석 기법(scRNA-seq)의 데이터 가공 과정

2.3. scRNA-seq 분석이 제공하는 생물학적 정보들

2.4. scRNA-seq 이외의 단일 세포 분석 기법들

2.5. 단일 세포 분석 기법을 이용한 질병의 이해 및 신약개발 사례
⑶ 결론
⑷ 참고문헌

◈본문

■ 요약문

단일 세포 분석(Single-cell analysis) 기법은 문자 그대로 세포 한 개 단위에서 각 세포의 생물학적 특성을 분석해 주는 차세대 분석 기법이다. 단일 세포 분석을 통해 얻을 수 있는 방대한 양의 정보는 다양한 분석 기법을 통해 다방면으로 재해석되고 접근이 용이한 공용 데이터베이스에 등록되어 각 연구자들에게 다채로운 연구결과와 새로운 연구방향을 제시하는 데 큰 도움이 되고 있다. 특히, 여러 종류의 단일 세포 분석 기법 중에서도 단일 세포 전사체 분석 기법(Single-cell RNA-sequencing; scRNA-seq)은 새로운 세포군(Cellular annotation) 규명 및 각 세포군의 기능적 변화(Functional annotation)등을 한눈에 보여주기에 여러 질환의 발병 기전 이해에 새로운 단서들을 제공해주고 있고 이를 바탕으로 새로운 신약 발굴이 이루어지고 있다.

이 동향리포트에서는 단일 세포 분석 기법에 대한 전반적 이해 및 이를 이용한 질환 발병 기전의 이해 심화 및 신약개발의 적용 사례를 간략히 소개하며, 이를 통해 단일 세포 분석 기법을 이용하고자 하는 연구자들에게 조금이나마 도움이 되고자 한다.

■ 1. 서론

신약개발은 굉장히 소모적인 일이다. 셀 수 없는 시간과 노력 그리고 인력을 요구함에도 불구하고 그 모든 노력이 성공적인 신약 출시로 열매를 맺는 경우는 드물다 [1]. 그럼에도 불구하고 많은 연구자들이 계속해서 신약개발에 매진하는 이유는 여러 질병이 개개인, 가족 및 친지, 그리고 더 나아가 사회 공동체 및 국가에 미치는 육체적, 정신적, 그리고 경제적 타격은 결코 무시할 수 없는 수준이기 때문이다(대한민국의 2020년 질환에 의한 사회경제적 질병부담은 총 169조 4,930억으로 10년 전보다 5.4% 증가하였다) [2]. 즉, 신약개발이 많은 시간과 자본 그리고 인력과 노력을 요구하고, 성공할 가능성이 희박할지 언정 계속해서 도전할 가치가 충분히 내포되어 있다는 점 또한 명확하다. 그렇다면 성공적인 신약개발이 어려운 이유는 무엇이고 또 이 리포트에서 다루고 있는 단일 세포 분석 기법(Single cell analysis)은 왜 신약개발의 새로운 핵심전략으로 각광받고 있는가? 바꾸어 말해, 단일 세포 분석 기법이 현존하는 신약개발의 어려움들을 어떻게 해소해주고 있는지 우리는 그 이유를 면밀히 파악할 필요가 있다.

대부분의 신약개발 시도가 실패하는 이유는 질환의 발병 기전에 대한 불완전한 이해에서 유래한다. 단일 세포 분석 기법이 개발되기 전, 질환의 발병 기전에 대한 연구자들의 이해는 일차원적 면모를 띠었다 [3]. 과거 각 연구자들은 질환의 단편적인 면모에 각기 집중한 뒤, 거기에서 얻은 결과들을 종합하여 발병 기전으로 규명하곤 했다. 이 과정에서 기술의 한계에 의해 절대적으로 수가 많은 세포 그리고 그 세포 내 발현이 높은 전사체 및 단백을 중심으로 연구가 진행되었기에 질환에 대한 종합적 이해가 제한적일 수밖에 없었다,

종양 연구를 예로 들어보자. 우선, 여러 면역세포 중 세포독성 T 세포(Cytotoxic T 세포; CD8+T 세포)가 종양의 발병 기전에 주요하게 관여함이 밝혀졌다. 연구자들은 CD8+T 세포의 종양세포 살해 능력이 종양 치료의 핵심이 될 것이라 기대했다. 특히 CD8+T 세포에서 발현되는 Programmed cell-death 1 (PD-1) 단백이 CD8+T 세포의 종양세포 살해 능력과 밀접하게 연관됨이 추가적으로 밝혀지면서 [4], PD-1을 표적한 면역항암제들(예: Merck-Pembrolizumab, Bristol-Myers SquibbNivolumab, Sanofi/Regeneron-Cemiplimab, Genentech-Atezolizumab 등)이 줄지어 개발되었다 [5]. 이러한 PD-1 표적 면역항암제들은 어느 정도 준수한 효과를 보여주었지만, 또 한편으로는 그 효과가 기대만큼 나타나지 않는 환자들이 많았고, 여러 부작용을 초래하기도 하여 새로운 접근법이 필요케 되었다 [5].

이렇게 새로운 종양 치료제가 요구되는 시점에 단일 세포 분석 기법이 종양에 대한 새로운 이해와 치료제 개발에 필요한 단서와 활로를 제공해 주었다. 단일 세포 분석 기법은 세포 한 개 단위에서 각 세포의 유전체, 전사체, 단백체, 대사체 등 각각 세포 고유의 생물학적 정보를 제공해 주는 차세대 분석 기법으로 종양과 같이 여러 종류의 세포들에 다양한 생물학적 변화가 일어나는 환경을 편견 없이 한눈에 이해할 수 있도록 도와준다 [6]. 또한, 단일 세포 분석 기법은 높은 민감도와 해상도(High sensitivity & resolution)가 내재되어 있어, 기존의 분석 기법으로는 확인할 수 없었던 희귀한 세포(rare cell type) 및 발현이 높지 않은 유전체 등의 발현 또한 분석할 수 있게 해 준다. 단일 세포 전사체 분석 기법(single cell RNA-sequencing; scRNA-seq)을 통해 종양 환경을 분석해 본 결과, 1) 실제 PD-1 단백의 발현이 CD8+T 세포가 아닌 다른 여러 세포(타 면역세포, 종양세포 등)에서 나타난다는 점 2) CD8+T 세포 또한 heterogenous 하여 세분화될 수 있다는 점(예: Stem-like CD8+T 세포, exhausted CD8+T 세포 등) 3) 세분화 된 CD8+T 세포의 PD-1 단백 발현이 다르다는 점 등 PD-1 항암치료제의 한계점에 대한 이해가 깊어졌다 [7]. 따라서, 현재는 scRNA-seq 결과들을 통해 얻은 결과들을 기반으로 새로운 치료제 개발이 이루어지고 있다.

본 리포트는 위 종양 연구 사례를 통해 설명한 것처럼 단일 세포 분석 기법의 개요 및 이를 활용한 질병의 이해 심화 과정 그리고 구체적 신약 표적 발굴 사례 등을 기재하였고, 이를 통해 단일 세포 분석이 어떻게 신약개발의 새로운 돌파구가 되어주고 있는지 제시하고자 한다.

■ 2. 본론

2.1. 단일 세포 분석 기법의 개요

위 서론에서 언급했듯 단일 세포 분석 기법(Single-cell analysis)은 세포 한 개 단위에서 각 세포의 생물학적 특성을 면밀히 분석해 주는 실험 기법이다. 단일 세포 분석 기법 이전에 사용됐던 bulk-sequencing이 한 덩어리 안에 있는 세포들의 생물학적 변화를 종합적으로 평가해 주었던 것에 비해 단일 세포 분석 기법은 세포 한 개 단위에서 일어나는 생물학적 변화를 분석해 주기에, 질환 환경 내에 있는 여러 세포들의 유기적인 변화를 폭넓게 이해하는 데 큰 도움을 제공한다.

현재, 여러 단일 세포 분석 기법 중 단일 세포 전사체 분석(Single-cell RNA-sequencing; scRNA-seq) 기법이 가장 흔하게 사용되고 있고, 그 이유로는 세포의 생존 및 분화 그리고 기능 변화에 RNA 그리고 RNA에서 전사되는 단백의 발현이 가장 밀접하게 연관되기 때문이다. 바꾸어 말해, RNA의 발현 정도는 세포의 생물학적 상태 및 전반을 평가하는 데 있어 적합한 정보로 여겨지기 때문이다 [8]. 따라서, 아직까지는 대부분의 단일 세포 분석은 scRNA-seq을 이용한 전사체 수준에서 이루어지기에 이 리포트 또한 이를 중심으로 서술하였다. 다만, 현재 scRNA-seq이 아닌 다른 단일 세포 분석 기법의 필요성과 중요성 또한 조금씩 조명받고 있기에 이 기법들에 대해서도 간략히 소개해 두었다.

...................(계속)

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