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Bio리포트 학회참관기
ICHG (International Congress of Human Genetics) 2016 참석후기
배준석(성균관대학교)
목차
1. Plenary Lecutre
2. Concurrent Invited Sessions
1) 기능계산유전체학 (Functional and Computational Genomics)
2) 새로운 기술: 단일세포서열분석 (New Technology: Single Cell Sequencing)
3) 재생의학 (Regenerative Medicine)
4) 유전자치료 (Gene Therapy)
5) 임상유전학 (Clinical Genetics)
6) 유전체 구조의 변이 (Variations in Genome Structure)
3. 총평
1. Plenary Lecture
Recent Progress in iPS Cell Research and Application (Shinya Yamanaka, Japan)
iPSCs (Induced pluripotent stem cells)는 유도줄기만능세포로 불리며 다양한 혈통으로 분화할 수 있고, 거의 무한대로 성장할 수 있는 줄기세포이다. 강의는 주로 유도줄기만능세포의 안전성, 임상적용가능성(세포기반치료법, 질병기전연구, 신약개발)에 대해 진행되었다.
야마나카 연구팀은 최근 안전한 유도줄기만능세포 (iPSCs)를 효율적으로 만드는 기술을 개발했다고 발표했는데, 염색체 손상을 줄 수 있는 retroviral transduction을 활용한 기존의 방법이 아닌, episomal vector를 이용한 integration-free 방법을 소개하였다. 이 방법은 L-Myc의 사용으로 종양형성의 위험은 감소시키고, iPSCs로의 성공적인 유도는 높은 효율로 유지했다. 그리고 유도과정에서 일반적으로 사용하는 feeder cells이나 다른 종 유래의 세포배양 재료를 사용하지 않고, 재조합 라미닌 (laminin) 기반의 matrix와 동물유래성분이 포함되지 않은 세포배양 배지를 개발하여 의학적인 활용도를 개선시켰다. 또한 세포의 품질관리 (Quality control) 측면에서는 neural differentiation-defective clones의 maker 유전자를 발굴하여 낮은 quality의 iPSCs를 사용하기 전에 제외시킬 수 있었다.
2014년 iPSCs를 이용한 임상시험이 시작되면서 다양한 질병에 대해 iPSCs기반 치료법이 연구되고 있다. 이 연구들을 위해 이 그룹은 iPSCs 보관/관리 프로젝트 (stock project)를 진행하고 있었는데, 특히, 이식 거부 반응을 줄이기 위해 homologous HLA haplotypes를 가진 iPSCs clone 등이 축적시키며 미래 세포치료를 위한 quality-assured iPSCs의 기반을 닦고 있었다. 이 밖에도 iPSCs을 이용한 약물탐색 (drug screening), 독성연구 (toxicity studies), 질병모델개발 (disease modeling) 등이 연구되고 있었으며, 특히 iPSCs를 환자의 상태를 예측하기 위한 도구로써의 연구하고 있었으며 산업적으로는 신약재장출 (drug repositioning)을 위해 iPSCs의 data를 축적시키고 활용 위한 계획이 매우 구체적으로 세워지고 있었다.
2. Concurrent Invited Sesstion
1) 기능계산유전체학 (Functional and Computational Genomics)
“A human variation panel of genetic influences on epigenomes and transcriptomes in three immune cells (Nicole Soranzo, Wellcome Trust Sanger Institute, UK)”
이 연구는 인간의 세 가지 주요 면역세포인 CD14+ 단핵구 (monocyte), CD16+ 호중구 (neutrophils), naïve CD4+ T cells의 유전적 (genetic), 후성유전적 (epigenetic), 전사체 (transcriptomic) profiling을 panel sequencing 기법으로 197명의 인간 샘플에 대해 분석한 결과에 관한 내용이었다. 분석방향은 크게 3가지 방향으로 진행되었다.
첫째로, 면역세포에 유전자 발현 조절에 대해 epigenetic 효과와 비교하여 transcriptional variance의 cis-genetic effects의 영향을 정량적으로 보여주었다. 둘째로, quantitative trait locus (QTL) mapping과 allele specific (AS) 분석을 통해 유전자발현, 메틸레이션, 히스톤 변이의 통합적인 유전적 영향을 분석하였다. 셋째로는, 이러한 genetic, epigenetic 영향이 염색체에 위치한 인간질병과 연관된 loci정보들, 주요 면역 신호전달체계들과 어떻게 연결되어있는지에 대해 다루었다.
이러한 여러 차원의 접근방식을 통해서 hematopoietic system을 구성하는 주요 세 가지 면역세포의 분자적 특성을 밝혀내었고, 특히 이 세 가지 면역세포의 기능조절 메커니즘에 대해 새로운 발견들을 할 수 있었다.
2) 새로운 기술: 단일세포서열분석 (New Technology: Single Cell Sequencing)
세포는 생명체를 구성하는 가장 작은 기능적인 단위이기 때문에 단일세포 내에 존재하는 여러 분자들의 정량적, 전체적인 분석이 생명을 분자수준에서 이해하기에 위해 필수적이다. 이러한 분석은 그 동안 여러 가지 기술적인 한계로 제약이 있었었지만 최근 NGS 등 염기서열분석기술과 나노 단위의 fluid handling 기술의 발달로 단일세포에 대한 연구들이 가능해졌다. 이번 세션에서는 단일세포 서열분석 분야를 선도하는 4명의 과학자들 초대되었고, 최신의 microfluidics 기술뿐만 아니라, 다량의 단일세포 염기 서열분석 (massive single cell sequencing) 기술에 대해 소개되었다. 또한, 단일세포수준의 RNA와 DNA서열로부터 밝혀낸 세포이질성의 개념과 각각의 세포별 유전자 발현의 다양성을 다루었다.
Immunology from the “Bottom-Up” with Single-Cell Genomics (Alex K. Shalek, IMES & Chemistry, MIT, Ragon Institute & Broad Institute, USA)
포유류의 면역시스템의 다양성은 여러 위협으로부터 host를 보호하는데 필수적이고 분화와 항원반응과 같은 dynamic processes 동안 매우 분명하게 눈에 띈다. 이러한 복잡한 면역시스템의 연구를 위해서는 좀 더 고해상도의 연구방법이 필요한데, 최근 다양한 기술의 발달로 low-input samples의 deep profiling이 가능해졌고 이는 면역반응 내의 heterogeneity의 연구를 가능하게 만들었다. 이러한 면역연구는 single cell level에서 시작할 수 있으며, 건강과 질병에서 면역반응의 조절을 이해에 큰 도움을 주고 있다.
면역세포들 사이에 기능적 다양성을 연구하기 위해 single-cell RNA-seq을 수행했고, 뚜렷한 세포의 상태와, 그들의 분자적 특징을 밝혀냈다. 또한 single cell RNA-seq을 수행하기 위한 다양한 방법적인 측면을 다루었는데, single cell연구에서 통계적 접근을 위해 가장 필요한 것은 얼마나 많은 개수의 세포를 분석여부이다. 이를 위해 기존 96개 단위로 분석하던 chip를 개량하여, 수백 개 단위의 세포를 분석할 수 있는 chip에 대해 소개를 하였고, 세포의 개수가 늘어남에 따라 밝힐 수 있는 면역시스템의 내용도 좀 더 풍부해진 다는 것을 발표하였다. 그리고 많아진 세포에서 생산된 더 많은 data들을 좀 더 잘 다루기 위해 single cell sequencing에서 불가피하게 생산되는 noise를 효과적으로 제거하기 위한 tool들에 대한 알고리즘도 소개되었다.
“Molecular Anatomy of the Brain by Large-Scale Single-Cell RNA-Seq (Sten Linnarsson, Karolinska Institutet, Sweden)”
단일세포연구는 이질적인 특징 (heterogeniety)을 보이는 세포들로 구성된 기관이나 질병의 연구에 매우 필요하다. 단일세포의 성격을 다양한 유전적 level에서 profiling 함으로써 서로 다른 성격의 세포들이 어떻게 그 기관을 구성하고 있고 기능들을 조직화하고 있는지 밝혀낼 수 있기 때문이다. 이 그룹에서는 뇌를 이루고 있는 다양한 세포들을 단일세포수준에서 대규모로 RNA sequencing 해봄으로써 그 성질을 파악하는 연구를 수행하고 있었다.
포유류의 대뇌겉질 (cerebral cortex)은 감각운동 (sensorimotor integration), 기억, 사회활동 등과 같은 인지기능을 담당하고 있고 이 기능들은 neuron, glia 등을 포함한 다양한 신경세포의 조합에 의해 결정된다. Single cell RNA-seq 기법을 이용하여, mouse somatosensory cortex와 hippocampal CA1 region 내의 세포를 분류한 결과, cortex 내에 이미 알려진 subclass를 포함하여 47개의 분자적으로 독특한 subclasses를 찾아냈다. 그 밖에도 각 subclass들의 많은 marker 유전자들을 찾아냈는데, Pax6를 발현하는 layer 1 interneuron과 Itpr2에 의해 뚜렷한 postmitotic oligodendrocyte subclass도 찾을 수 있었다. 이처럼 다양한 cortex cell 유형들과 transcription factors의 종류로써 복잡하고 층을 이루는 조절기작 (layered regulatory code)을 통해 각각의 adult cell의 identity를 유지하고 있었다.
뇌는 모든 생물학에서 가장 복잡한 기관이다. 뇌가 어떻게 작동하는지 알기 위해서는 뇌를 구성하는 세포들과, 그들의 연결성 및 상호작용 등에 대해서 자세하게 살펴볼 필요가 있다. Single cell RNA-seq 기법의 발달은 특정한 marker없이도 뇌 속의 세포유형들을 살펴볼 수 있고, 이러한 세포를 분류함으로써 뇌를 구성하는 전체적인 세포지도들을 만들 수 있게 되었다.
쥐의 전체 뇌의 분자적 해부학을 밝히는 것을 궁극적인 목적으로, 10개의 선택된 부위를 pilot experiments를 수행하였다. 총 26,485개의 세포가 sequencing 되었고, QC를 통과했다. 그 결과 수백 개의 분자적으로 뚜렷한 세포유형을 찾아냈다. 이 세포 유형 중에는 신경세포, glia, vascular cells 등을 포함되었지만, 새로운 특성의 세포들도 발견 되었다. 또한 Neuronal diversity가 glia와 other cell types의 다양성 보다 복잡하였고, 특정 뇌 부위 (hypotealamus 등)의 다양성은 더욱 더 복잡하게 나타났다. 흥미로운 것은 뇌 안의 세포들의 집단은 그 분자적 유사성이 Developmental lineage에 행동을 같이 했다. 이러한 노력들이 계속해서 축적된다면, 뇌의 완전한 분자적 지도의 완성이 가능해지고, 이는 뇌 관련 질병을 넘어 우리 인간의 행동들을 분석하는데 있어 더 깊은 통찰력을 제공해 줄 것이다.
3) 재생의학 (Regenerative Medicine)
일본에서는 재생의학 관련법이 새롭게 실행됨에 따라, 줄기세포 기반의 의학이 급속도로 변화하고 있고, 지난 9월 세계 최초 환자의 iPSCs가 임상시험에 이용되면서 줄기세포의 치료법적 접근은 급물살을 타고 있다. 이번 세션에서는 이와 관련한 4명의 연구자가 발표했으며, 그 중 UCSF의 Todd C. McDevitt 연구를 정리해보았다.
“Engineering the Morphogenesis of Pluripotent Stem Cells (Todd C. McDevitt UCSF, USA)”
최근 Pluripotent stem cells (PSCs)로부터 다양한 종류의 organoids를 생산하는데 성공했다. Organoids의 성공적인 형성은 인체 내의 여러 복잡한 조직형성의 기전분석 및 관련 질병 연구에 가장 적합한 모델이기 때문에, 그 중요성이 매우 크다. 하지만 그 생성과정에 대해 아는 것이 많지 않아 연구 및 임상에 적용 가능한 건강하고 생장이 예측 가능한 organoids를 만들어내기 힘들다. 그럼에도 불구하고 organoids가 재생의학에 줄 수 있는 이점이 매우 크기 때문에 최적의 환경에서 organoids를 생산하기 위한 연구를 지속해왔다. 3D 환경에서 최적의 물리적인/생화학적인 요소들을 조절함으로써, PSCs의 morphogenesis를 reproducibly, robustly 개선하기 위한 방법을 연구하고 있다. 또한 PSCs의 분화와 morphogenesis를 위해 다양한 형태의 biomaterials를 만들거나 hydrodynamic forces, aggregate formation method와 같은 다양한 요소들의 영향을 연구하고 있다. 이러한 접근들을 조합해서 새로운 cell engineering방법 PSCs의 morphogenesis process를 조절할 수 있을 것으로 기대한다.
4) 유전자치료 (Gene Therapy)
유전자 치료는 심각한 부작용 때문에 그 동안 침체기를 겪고 있었다. 하지만 최근 성공적인 임상시험이 보고되면서 다시 활발하게 연구가 되기 시작했는데, 이번 세션에서는 AAV, CRISPR-Cas9, CAR 등의 다양한 접근방법들을 이용한 유전자 치료의 연구들을 소개하였다.
“Haematopoietic stem cell- and liver-targeted gene therapy for hereditary disease (Ian E. Alexander, University of Sydney Medical School, Australia)”
최근 임상시험에서 유전자치료가 괄목할만한 치료효과와 안전성을 보이면서 그 가능성이 주목받고 있다. 특히 Bone marrow와 liver는 유전자치료에 가장 좋은 후보인데, 아데노바이러스 기반의 전달기술 (systemic delivery of adeno-associated virus-based vectors)를 이용하여 간에서 간세포의 in-vivo transduction으로 혈우병 (Haemophilia B)을 타기팅하는데 성공했다. 그 밖에도 많은 autonomous disease를 포함하여 간에서의 다양한 스펙트럼의 disease phenotype의 타기팅을 성공했지만, 여전히 보다 효과적인 유전자 전달기술과 인체 내의 작용을 더 잘 예측할 수 있는 임상 전 모델 (preclinical model)의 연구가 필요하다. 하지만 이러한 유전자 전달 (gene delivery) 접근방법으로는 열성형질 (recessive phenotype)에서만 효과적이기 때문에, 유전자 전달법이 아닌 선택적 유전체교정 (targeted genome editing) 방법으로 연구방향이 많이 바뀌어 가고 있다. 이는 우성과 열성형질 모두 적용할 수가 있으며, 이미 많은 동물연구에서 좋은 결과를 보여주고 있다.
“AAV (adeno-associated virus) vector-mediated gene therapy for hereditary and non-hereditory diseases (Keiya Ozawa, The University of Tokyo, Japan)”
AAV 벡터는 유전자치료를 위한 효과적인 유전자 전달도구이다. 왜냐하면 비병원성 바이러스에서 유래했고, 신경세포나 근육과 같은 non-dividing cell에 효과적으로 전달되고 꽤 긴 시간 동안 발현효과를 보이기 때문이다. 적절한 AAV의 serotype은 타깃 세포에 따라 달라지며 보통 신경세포는 AAV2 벡터, 근육은 AAV1벡터, 간세포에는 AAV8벡터가 사용된다. 특히 파킨슨병에서 L-DOPA의 경구투여와 함께 AAV 벡터를 매개한 AADC (aromatic L-amino acid decarboxylase; the enzyme converting L-DOPA to DA) 유전자를 선조체(striatum)로 타기팅한 임상 1,2상 시험에서 매우 좋은 효과를 보였다. 또한 AAV-AADC 벡터투여는 AADC 결핍의 치료에 매우 좋은 효과를 보였다. 레베르 선천성 흑암시 (Leber’s congenital amaurosis)에서도 임상3상에서 효과적인 결과를 얻을 수 있었다.
“Gene editing – from modeling disease to treating patients (Toni Cathomen, University of Freiburg, Germany)”
핵산가수분해효소 (nuclease)를 활용한 선택적 유전체교정기법이 최근 유전자 치료에서 각광을 받고 있다. 특히 우성형질이거나 엄격하게 조절되는 유전자의 돌연변이로 인해 발생하는 유전질환의 경우 전통적인 유전자 추가 (gene addition) 기법으로 치료되지 않기 때문에 TALENs (Transcription activator-like effector nucleases)나 CRISPR (Clustered regularly interspaced short palindromic repeats)-Cas9 system과 같은 유전자 교정방법이 필요하다. 이 연구진은 임상 전 모델에서 HIV-1의 감염에 저항할 수 있는 면역체계를 만들어냈고, 또한 primary immunodeficiencies를 교정하는 연구도 진행하였다.
“CAR Therapy: The CD19 Paradigm (Michel Sadelain, Memorial Sloan Kettering Cancer Center, New York, USA)”
T세포 제작 (engineering)은 치료에 사용될 수 있는 특이적인 T세포를 빠르게 만들 수 있다는 것을 의미한다. 특히 종양학 분야에서 T세포 제작이 각광을 받고 있는 이유는 너무나도 복잡한 종양환경에서 면역장애 (immune barrier)를 극복하고 종양세포를 특이적으로 효과적으로 제거할 수 있는 기술이기 때문이다. CAR 치료라고 불리는데, Chimeric antigen receptor (CAR)은 항원인식(antigen recognition)과 T세포 활성화를 매개하는 합성수용체이다. 한 예로 CD19 특이적인 CAR와 함께 만들어진 T세포를 마우스에 주입하였더니, B세포 유래의 종양(B cell malignancies)를 제거할 수 있었고, 화학요법에 반응하지 않는 (chemorefractory) 재발한 급성 림프구성 백혈병에서도 (acute lymphoblastic leukemia) 좋은 결과를 얻을 수 있었다. 이 그룹을 포함한 여러 그룹에서 이 결과를 다른 B cell malignancies (Non-Hodgkin lymphoma, pediatric ALL, chronic lymphocytic leukemia 등)에도 적용해보고 있는 중이다. 매우 다양하고 복잡한 암을 위한 효과적인 CAR치료법을 위해 auto- 그리고 trans-costimulation, combinational 항원인식과 같은 새로운 T세포 제작방법의 개선을 진행시키고 있다.
5) 임상유전학 (Clinical Genetics)
이 세션에서는 NGS를 활용한 임상유전학의 분석사례와 유전학적 진단 시 중요하게 생각해야 할 점에 대해서 논의되었다. 그 중, 네덜란드의 Raoul C. Hennekam 박사의 연구내용에 대해서 정리해보았다.
Next Generation Sequencing demands Next Generation Phenotyping (Raoul C. Hennekam, University of Amsterdam, The Netherlands)
Next-generation sequencing은 임상에서 유전질환 환자들의 분자진단을 위한 가장 강력한 도구로 자리잡았다. 특히 특정질환과 관련한 유전자들만을 모아서 panel화 하여 해당 유전자만을 깊숙하게 sequencing하는 targeted sequencing 방법은 임상 유전학 진단에 큰 진보를 불러오고 있다. 임상유전학자들의 분자진단기술은 이제 pre-NGS test에서 post-NGS test로 넘어가고 있으며, 이 때문에 많은 임상유전학자들이 NGS결과를 기반으로 한 phenotyping을 실시하고 있다. 하지만, 환자에게서 발견되는 변이의 숫자는 NGS를 통해 더 증가하고 있고, 환자의 phenotype과의 매칭이 어려운 변이들도 발견되고 있기 때문에, 이 과정에서의 임상유전학자들의 genotype-phenotype 연결을 위한 노력들이 매우 중요해지고 있다. 특히 NGS는 Mendelian pattern에 근거한 phenotype 내에서만 가장 유력한 변이들을 제공해주기 때문에, 특정 규칙에 맞지 않아 버려지는 변이들에 대한 주의도 기울여야 한다. 왜냐하면 생물학은 매우 복잡하고 다양한 메커니즘으로 환자의 phenotype을 여러 유전자가 관여하여 유발시킬 수 있고, epigenetic (후성유전적)이나 환경적인 영향으로도 유발될 수 있기 때문이다. 따라서 이제는 monogenic disorder라는 개념은 존재하지 않는다고 생각해야 한다. Mosaicism은 생각했던 것보다 훨씬 흔하게 발견된다.
환자에 적용되는 모든 환경적/유전적 영향을 적용시키는 것은 힘들지라도, NGS의 발전으로 환자에 대한 정보가 더욱 더 다양한 차원에서 축적되는 만큼 그러한 정보들을 취합하여 정확하고 실질적인 임상학적 가치를 뽑아내는 것은 임상유전학자들의 미래 역할일 것이다.
6) 유전체 구조의 변이 (Variations in Genome Structure)
Structural gemomic variations (SVs)는 유전변이 중에서도 상대적으로 잘 밝혀지지 않고 있는 변이로써, copy neutral arrangement와 duplication과 deletion 같은 copy number changes로 나눌 수 있다. SVs는 인간의 다양한 형질과 질병에 주된 요인이며, next-generation sequencing의 발전으로 인해 SVs의 발견이 가능해지고 있다. 이번 세션에서는 인간유전체에서 발견되는 SVs의 종류와 기원, 특징 등이 다뤄졌으며, 그 중 somatic mosaicism에 대해 발표를 한 Pawel Stankiewicz의 연구에 대해 요약해 보았다.
Somatic mosaicism - how much of de novo is mitotic?(Pawel Stankiewicz, Baylor College of Medicine, USA, Institute of Mother and Child, Warsaw, Poland)
감수분열 동안 low copy repeats들 사이에서 nonallelic homologous recombination (NAHR)을 통해 주로 발생하는 recurrent genomic rearrangements와는 달리, nonrecurrent rearrangements는 template switching이 연관된 nonhomologous end joining이나 DNA replication mechanisms로 인해 mitotic division 동안 발생하는 것으로 보인다. Mitotic division마다 하나의 mutation이 발생하는 것 이상으로 추정되며 이는 somatic mosaicism을 발생시키는 주된 이유이다.
대략 1014 세포로 구성되어있는 성인을 생산하는데 필요한 대략 1016 mitotic cell의 division 동안 mosaic mutations이 아주 낮은 비율로 발생하는데, 보통의 인간형질의 차이를 나타내거나 혹은 치명적인 유전질환의 원인이 될 수도 있다. 그리고 흔히는 발생하는 변이들과 같이 다음 세대로 유전될 수 있기 때문에 전혀 예상하지 못하게 정상부모로부터 유전질환을 가진 아이가 태어날 수 있다.
따라서, 이러한 희귀한 경우의 유전질환 연구를 위해 위와 같은 특징의 유전질환을 가진 200명의 어린 환자들에 대하여, Indivisual-specific breakpoint PCR의 sensitivity를 이용하여 de novo인 rare deletion copy-number variants (CNVs)를 탐색하였다. 그 결과 놀라운 것은 이러한 mutation meiotic origin이 아니라 post-zygotic mitoses 동안 발달초기과정에서 발생했다는 것을 발견했다. 이는 transmission genetics에서 somatic mosaicism과 mitotic replicative mutational mechanisms의 중요성을 말해준다.
3. 총평
ICHG학회는 1956년 덴마크 코펜하겐을 시작으로 5년마다 열리는 유전학분야에서 가장 큰 학회 중에 하나이다. 그만큼 전 세계 곳곳에서 수많은 유전학자들이 모여 자신들의 연구를 교류하고 또한 전 세계 유전학 연구의 흐름과 변화를 주도하고 있다. 특히 이번 학회에서는 유전학 분야뿐만이 아니라, 줄기세포, 신경과학 등 다양한 분야의 학자들이 함께 모여 학문간에 벽을 허물고 더 크고 깊게 통합된 과학으로의 변화를 실감할 수 있었다. 또한 NGS (Next generation sequencing)와 Bioinformatics (생명정보학)의 급속한 발달로 인해 유전체의 정보들이 대량으로 생산되고, 해석되는 과정에서 유전학분야의 큰 개념적인 진보가 이뤄지고 있었고, 산전 진단과 같은 임상유전학 (Clinical genetics)과 유전상담 (Genetic counseling) 분야와 같이 실질적인 임상에 적용하기 위한 연구 또한 매우 활발하게 이루어 지고 있었다. 특히 국가별로 생산하고 있는 유전체 정보를 서로 공유하고 해석하며 전 세계적으로 통합적인 유전체 데이터 베이스를 구축하고자 하는 노력이 돋보이는 학회였다. 한국에서도 서울대학교, 성균관대학교 등의 대학기관과 서울대학교병원, 삼성서울병원 등의 대학병원에서도 참석하여 한국에서 진행 중인 유전학연구에 대해 발표하였다.
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