[바이오토픽] 인체지도 작성 경쟁 - 개별 세포를 들여다본다. 생명과학 양병찬 (2017-02-21 09:17) 일련의 상세한 세포지도들이 경쟁을 벌이고 있어, 암과 기타 질병의 이해에 혁명을 일으킬 것으로 기대된다. bladder cancer cell, SEM/ © Science Photo Library 영국 케임브리지 대학교의 동료들과 함께 컴퓨터 소프트웨어를 이용하여 종양 속을 처음으로 비행(飛行)했을 때, 분자생물학자인 그레그 해넌은 깜짝 놀랐다. 그리고 곧 한 가지 영감을 얻었다. 가상현실 모델을 이용하여 혈관 속을 드나들며 침윤성 면역세포(infiltrating immune cell)들을 자세히 살펴보고, 사상 유례 없는 종양지도(tumour atlas)의 아이디어를 떠올린 것이다. 그는 당시에 이렇게 외쳤다고 한다. "이럴 수가! 놀라운 일이 벌어지겠는걸." 지난 2월 10일, 런던에 본사를 영국 암 연구협회(CRUK: Cancer Research UK; 참고 1)는 "해넌이 이끄는 분자생물학자·천문학자·게임설계자 팀에게 향후 5년간 2,000만 파운드(미화 2,500만 달러)를 지원하여, 유방암에 대한 대화형 가상현실지도(interactive virtual-reality map)를 개발하도록 하겠다"고 발표했다. 해넌이 탐험한 종양은 실물 크기의 모형이었지만, 실제 모델에는 각각의 종양 세포에서 발현된 수천 개의 유전자와 수십 개의 단백질에 대한 데이터가 포함될 것이다. 그들의 바람은 "이러한 공간적·기능적 상세정보를 이용하여 종양의 치료반응에 영향을 미치는 다양한 인자들을 좀 더 상세히 밝히는 것"이다. 이번 프로젝트는 「신세대 세포지도(cell atlas) 구축」을 겨냥하는 야심찬 계획의 일부일 뿐이다. 그들의 궁극적인 목표는, 개별 세포의 위치와 구성이 매우 상세하게 기술된 '장기(organ)지도'와 '종양지도'를 작성하는 것이다. CRUK는 또 다른 팀에게 1,600만 파운드를 지원하여 유사한 종양지도를 만들도록 했는데, 이 지도는 대사물과 단백질에 초점을 맞추게 될 것이다. 한편 미 국립 정신건강연구소는 마우스의 뇌를 세밀한 분자수준에서 매핑하는 팀을 선정하여 연구비를 지원할 계획인데, 그 수혜자는 올해 말에 발표될 예정이다(참고 2). 그리고 오는 2월 23~24일에는 한 무리의 연구자들이 미국 스탠퍼드 대학교에 모여, 인간세포지도(Human Cell Atlas)에 대한 계획을 계속 진행할 예정이다. 그들은 연구비 지원을 아직 약속받지 못했지만, 인체의 모든 세포들을 매핑하려고 노력하고 있다. 【참고】종양 속 여행 컴퓨터 소프트웨어를 이용하여 종양 속을 비행하고 있다. 종양세포는 녹색, 대식세포는 파란색이며, 혈관은 빨간 색이다.이미지 출처: Gfycat (이미지를 클릭하면 동영상으로 연결됩니다.) 세포를 하나씩 들여다보기 "세포지도는 굉장한 핫토픽이다. 이 분야의 과학자들은 '차세대 인체지도는 모름지기 그래야 한다'고 생각하고 있다"라고 이스라엘 바이츠만 과학연구소에서 면역계 유전체학을 연구하는 이도 아미트 박사는 말했다. 지난 몇 년 동안, 연구자들은 '개별세포에 들어 있는 수만 개의 RNA들을 모두 시퀀싱하는 기법'을 개발하는 데 치중해 왔다. 이러한 RNA들을 분석하면 어떤 유전자가 발현되었는지를 알 수 있으며, 장기나 종양 내에서 한 세포가 수행하는 독특한 기능에 대해 실마리를 얻을 수 있다. 그러나 세포의 RNA를 시퀀싱하려면, 먼저 세포가 들어 있는 조직에서 세포들을 추출해야 하는데, 그 과정에서 가치있는 정보(예: 세포의 위치, 그 세포와 상호작용하는 주변 세포)가 파괴된다. 이 정보에는 '세포의 기능'과 '세포가 병든 조직에서 말썽을 부리는 방법'에 대한 단서가 들어 있는데 말이다. "단일세포 시퀀싱 기술(single-cell sequencing technology)에는 흥미롭고 유망한 점이 많다(참고 3). 그러나 암과 생리조직의 복잡한 성질을 감안할 때, 그 시퀀싱 정보를 공간이라는 맥락 속에서 해석할 필요가 있다"라고 스웨덴 카롤린스카 연구소의 니콜라 크로세토 박사(분자생물학)는 말했다. 이와 관련하여 새로운 기술들이 등장하고 있다. 지난 2월 6일, 아미트 박사와 샬레브 이츠코비츠 박사가 이끄는 바이츠만 과학연구소의 연구진은 "개별세포들의 RNA 시퀀스를 이용하여, 마우스 간 소엽(liver lobule)의 세포단위 지도(cell-by-cell map)를 작성했다"고 보고했다(참고 4). 간 소엽은 전통적으로 동심원 층(concentric layer)으로 나뉘는데, 연구진은 두 층 간의 계면에 존재하는 세포에서 독특한 유전자 발현패턴을 발견했다. "간 소엽의 층간 계면은 단순한 전이지역이 아니라, 독특한 기능을 가진 새로운 지역이다"라고 이츠코비츠 박사는 말했다. 단백질 들여다보기 한편, 해넌 박사는 하버드 대학교의 샤오웨이 주앙 박사(생물물리학)와 팀을 구성했다. 주앙 박사는 RNA를 2진 바코드로 부호화하여, 그것을 세포 내에서 (영상화 기법을 이용하여) 읽는 방법을 개발했다. 이 기법을 이용하면, (세포를 이웃 세포에서 떼어내지 않은 상태에서) 하나의 세포 안에서 수천 개의 RNA들을 탐지할 수 있다. "나는 바코드가 눈에 띄는 영상을 볼 때마다, 영화 「매트릭스」가 떠오른다"라고 주앙 박사는 말했다. RNA의 분자지도를 작성하는 것은 단백질과 다른 분자들에 비해 간단하다. 영국 국립물리학연구소의 조세핀 번치 박사가 이끄는 연구진은 대분자(예: 단백질)는 물론 소분자(예: 지질, 약물, 기타 대사물)에 대한 상세정보가 수록된 종양지도를 개발하고 있다. 연구진은 이 방법을 이용하여 샘플당 약 50개의 단백질을 평가할 수 있을 것으로 보인다. "다른 기법으로 측정한 수천 개의 RNA에 비하면, 50개의 단백질은 그다지 인상적이지 않은 것처럼 보일 수 있다. 그러나 특정 조직에 맞춰 선별된 (상이한 조합으로 존재하는) 50개의 단백질에 관한 정보라면, 주요 세포유형을 확인하고 그 안에서 작동하는 분자경로를 측정하는 데 충분하다"라고 스탠퍼드 대학교의 게리 놀란 박사(분자생물학)는 말했다. "단백질은 RNA보다 세포의 기능을 좀 더 직접적으로 보여주며, 연구자들로 하여금 자신의 데이터를 수십 년 전에 출판된 세포지도와 잘 연결할 수 있게 해준다." 어떤 방법이 경쟁에서 이기든, 연구자들은 데이터를 가시화하는 새로운 방법을 개발할 필요가 있다. "가상현실은 매우 강력하다. 그러나 정보의 양이 엄청나게 늘어날 것이므로, 정보와 상호작용하는 새로운 방법이 필요하게 될 것이다"라고 해넌 박사는 말했다. ※ 참고문헌1. http://www.nature.com/news/world-s-largest-cancer-charity-lays-out-field-s-grand-challenges-1.185402. http://www.nature.com/news/brain-data-gold-mine-could-reveal-how-neurons-compute-1.202503. http://www.nature.com/news/genomics-the-single-life-1.117104. Halpern, K. B. et al., "Single-cell spatial reconstruction reveals global division of labour in the mammalian liver", Nature 542, 352–356 (2017); http://www.nature.com/nature/journal/v542/n7641/full/nature21065.html ※ 출처: Nature http://www.nature.com/news/the-race-to-map-the-human-body-one-cell-at-a-time-1.21508