Next-generation sequencing (NGS) for human disease research

Abstract

차세대 염기 서열 분석법(Next-generation sequencing)은 DNA 유전 정보를 읽어내는 기술을 자동화한 1세대 생어(Sanger) 방식에서 대량의 병렬 데이터 생산이 가능하게 진화한 차세대 염기 서열 분석기가 생산한 데이터를 분석하는 기법을 의미한다. 2007년, 차세대 염기 서열 분석법의 등장은 무어의 법칙(Moore's law)을 능가하는 속도로 염기 서열 분석 비용을 감속시키고 있으며 곧 한 사람의 염기 서열 분석이 $1,000에 가능하게 되리라는 것이 명확해졌다. 차세대 염기 서열 분석법은 정착 단계를 거쳐 인간 유전체의 희귀질환이나 암의 원인 유전자 규명과 같이 다양한 분야로 확대되었으며, 차세대 염기 서열 분석법에 기반한 많은 인간 질병 연구들이 비약적으로 발전/증가하고 있다.

본 연구에서는 차세대 염기 서열 분석법을 인간 질병 연구에 효율적으로 이용하기 위해서 먼저, 염기 서열 분석 비용과 밀접하게 영향이 있는 염기 서열 분석 심도(sequencing depth)의 영향을 확인하여 변이 발견에 적합한 심도를 분석하였다. 10명의 유방암 환자의 혈액 샘플을 채취하여 높은 심도의 엑솜 염기 서열 분석(exome sequencing)을 시행하여 결과 얻은 후, 높은 심도의 염기 서열 결과를 재편성하여 20×에서 200×까지 20×씩 순차적으로 심도가 증가하는 데이터를 생성하여 각각의 데이터에서 발견되는 변이들을 분석하였다. 분석 결과를 통하여 인간의 엑솜 영역에서 기능과 연관되어 있는 다양한 변이가 120×에서 대부분 검출 되는 것을 관찰했다. 진단 유전자 세트를 사용한 분석에서도 임상에 이용 가능한 변이를 확인하는데 필요한 심도가120× 정도라는 것을 관찰하였다.

차세대 염기 서열 분석법을 이용한 희귀질환 진단을 위해 루빈스타인 테이비 증후군(Rubinstein Taybi syndrome) 희귀질환을 가지고 있는 환자와 그의 정상적인 부모의 혈액 샘플을 변이 발견에 적합한 심도 분석의 결과를 반영하여 120×로 엑솜 염기 서열 분석을 수행하였다. 엑솜 염기 서열 분석을 통하여 루빈스타인 테이비 증후군의 원인 유전자로 알려져 있는 CREBBP유전자에서의 드 노보 돌연변이(De novo mutation)를 발견하였고, 추가적으로 기존에 알려지지 않았던 신경학적 표현형과 연관되어 있는 TNC 유전자와 성장 지연과 관련되어 있는 IGFRALS유전자의 변이를 발견하였다.

앞의 연구들은 차세대 염기 서열 분석이 진단에 이용할 때 심도에 대한 안내를 제시하였고, 실제로 차세대 염기 서열 분석법을 이용해 희귀 질환의 원인 변이를 발견하였다. 이는 차세대 염기 서열 분석법이 인간의 질병 연구를 위해 임상적으로 사용될 때의 가능성과 방향을 제시하였다.