과학자들이 마침내 질병을 형성하는 숨겨진 DNA 코드를 읽었습니다.

EMBL 연구원 및 협력자로 구성된 팀은 이제 단일 세포 분석을 새로운 수준으로 끌어올리는 도구를 만들었습니다. 동일한 세포 내에서 게놈 변이와 RNA를 모두 포착할 수 있어 이전 기술보다 더 높은 정확성과 확장성을 제공합니다. 이 접근법을 통해 과학자들은 질병과 가장 흔히 연관되는 DNA의 비암호화 영역의 변이를 식별할 수 있으며, 유전적 차이가 인간 건강에 어떻게 영향을 미치는지 탐구할 수 있는 새로운 방법을 제공합니다. 많은 수의 세포를 처리할 수 있는 정확성과 능력을 갖춘 이 도구는 특정 유전적 변이를 질병 결과와 연결하는 데 중요한 진전을 이루었습니다.

SDR-Seq에 관한 새로운 논문의 수석 저자인 Dominik Lindenhofer는 “동일한 세포에서 DNA와 RNA를 연구하는 현재의 단일 세포 방법은 처리량이 제한적이고 민감도가 부족하며 복잡하기 때문에 이것은 오랫동안 문제가 되어 왔습니다. 자연 방법 EMBL Steinmetz Group의 박사후 연구원입니다. “단일 세포 수준에서는 수천 개의 세포에 있는 변이체를 읽을 수 있지만, 발현된 경우에만 가능합니다. 즉, 코딩된 영역에서만 가능합니다. 우리 도구는 변이체의 위치에 관계없이 작동하여 복잡한 샘플을 분석할 수 있는 단일 세포 수를 생성합니다.”

코딩 영역과 비코딩 영역의 중요한 차이점

DNA에는 코딩 영역과 비코딩 영역이 모두 포함되어 있습니다. 코딩 부분은 유전자가 RNA로 표현되어 세포가 생명에 필수적인 단백질을 만들도록 지시하기 때문에 사용 설명서와 같은 기능을 합니다.

반면에 비암호화 영역에는 세포의 성장과 기능을 안내하는 조절 요소가 포함되어 있습니다. 질병과 관련된 DNA 변이체의 95% 이상이 이러한 비암호화 영역에서 발생하지만 기존의 단일 세포 방법은 이를 효과적으로 연구할 수 있는 민감도나 규모가 없습니다. 지금까지 연구자들은 동일한 세포에서 DNA와 RNA를 대규모로 관찰할 수 없었기 때문에 DNA 변이가 유전자 활동에 어떻게 영향을 미치고 질병에 기여하는지에 대한 통찰력이 제한되었습니다.

“이 비코딩 공간에서 우리는 선천성 심장병, 자폐증, 정신분열증과 같은 아직 탐구되지 않은 변종들이 있다는 것을 알고 있습니다. 그러나 이것들이 확실히 이와 같은 유일한 질병은 아닙니다.”라고 Lindenhofer는 말했습니다. “우리는 내인성 게놈 맥락에서 어떤 변종이 기능하는지 이해하고 질병 진행에 어떻게 기여하는지 이해하기 위해 탐색을 수행할 도구가 필요했습니다.”

단일 세포를 추적하는 바코드 해독

단일 세포 DNA-RNA 시퀀싱(SDR-seq)을 수행하기 위해 연구자들은 각각 단일 세포를 포함하는 작은 기름-물방울을 사용하여 DNA와 RNA를 동시에 분석할 수 있었습니다. 이 방법을 통해 연구진은 한 번의 실험으로 수천 개의 세포를 검사하고 유전적 변화를 유전자 활동 패턴과 직접 연결할 수 있었습니다. 이 기술을 개발하려면 주요 과제를 극복하고 EMBL의 게놈 생물학, 구조 및 전산 생물학 부서, 스탠포드 대학교 의과대학, 하이델베르그 대학 병원의 팀을 하나로 모아야 했습니다.

EMBL의 Judith Zaugg 및 노경민 그룹의 공동 연구자들은 세포를 “고정”하여 섬세한 RNA를 보존하는 방법을 개발했으며, Oliver Stegle 그룹의 계산 생물학자들은 데이터 분석에 필요한 복잡한 DNA 바코드 시스템을 해독하는 특수 프로그램을 설계했습니다. 이 디코딩 소프트웨어는 이 특정 프로젝트를 위해 구축되었지만 팀은 이 소프트웨어가 다른 많은 연구에서도 가치 있는 것으로 입증될 수 있다고 믿습니다.

EMBL 및 Universitätsklinikum Heidelberg의 Wolfgang Huber 그룹과 Sasha Dietrich 그룹의 연구원들은 이미 다른 연구를 위해 B세포 림프종 샘플을 조사하고 있었습니다. 유전적 변이가 풍부한 이러한 환자 샘플은 신기술에 대한 이상적인 테스트 사례를 제공했습니다. 이 샘플을 사용하여 Lindenhofer는 DNA의 변이가 질병 과정과 어떻게 연관되어 있는지 관찰하고 더 많은 변이를 가진 암세포가 종양 성장을 지원하는 더 강한 활성화 신호를 나타냄을 발견했습니다.

Lindenhofer는 “우리는 동일한 단일 세포에서 DNA와 RNA를 판독하기 위해 이러한 작은 반응 챔버를 사용하고 있습니다.”라고 말했습니다. “이를 통해 우리는 변이가 유전자 복사본 중 하나 또는 두 개 모두에 있는지 정확하게 알 수 있고 동일한 단일 세포에서 유전자 발현에 미치는 영향을 측정할 수 있습니다. B 세포 림프종 세포를 사용하여 우리는 세포의 변이 구성에 따라 서로 다른 세포 상태에 속하는 성향이 다르다는 것을 보여줄 수 있었습니다. 또한 세포에서 변이가 증가하면 실제로 더 악성인 B 세포 림프종 상태와 관련이 있다는 것도 알 수 있었습니다.”

단일 세포 시퀀싱 도구의 다양한 기회

SDR-seq 도구는 이제 게놈 생물학자에게 유전 변이를 더 잘 이해하는 데 도움이 되는 규모, 정밀도 및 속도를 제공합니다. 이는 결국 광범위한 복잡한 질병을 치료하는 데 중요한 역할을 할 수 있지만 먼저 진단을 위한 더 나은 선별 도구를 개발하는 데 도움이 될 수 있습니다.

논문의 수석 저자이자 EMBL 그룹 리더이자 스탠포드 의과대학 유전학 교수인 Lars Steinmetz는 “우리는 변종을 질병과 연결할 수 있는 도구를 보유하고 있습니다”라고 말했습니다. “이 기능은 우리가 현재 발견할 수 있는 광범위한 생물학의 문을 열어줍니다. 변이체가 실제로 질병을 조절하는 방법을 식별하고 질병 과정을 더 잘 이해할 수 있다면 개입하고 치료할 수 있는 더 나은 기회를 갖게 된다는 의미입니다.”