Optical genome mapping of structural variants in Parkinson’s disease-related induced pluripotent stem cells – 파킨슨병 관련 iPSC에서 구조적 변이를 밝히는 광유전체매핑 연구 리뷰

dijw1412c1 2025. 4. 2.

이번 리뷰에서는 2024년 BMC Genomics에 발표된 Trinh et al.의 논문을 다룹니다. 이 연구는 파킨슨병(Parkinson’s Disease, PD)과 연관된 유전적 구조 변이(structural variants, SVs)를 식별하기 위한 새로운 접근으로 광유전체매핑(Optical Genome Mapping, OGM)을 사용한 점에서 주목받고 있습니다. 연구진은 SNCA 및 PRKN 유전자에 변이가 있는 환자의 유도만능줄기세포(induced pluripotent stem cells, iPSCs)를 대상으로 OGM 기술을 적용해, 기존 기술로는 감지하지 못한 복제 수 변화(copy number variants, CNVs)나 전좌(translocations) 등을 탐지하는 데 성공했습니다. 이는 파킨슨병의 유전적 원인 규명을 위한 연구와 iPSC의 유전적 안정성 평가 모두에 있어 OGM 기술이 가지는 가능성을 시사합니다. 또한 본 연구는 Oxford Nanopore long-read 시퀀싱 기술과의 비교도 함께 수행하여, 두 기술의 상호보완적 역할을 조명하고 있습니다.

연구 배경 및 중요성

파킨슨병은 환경적 요인뿐 아니라 유전적 요인도 큰 역할을 하는 복합 질환입니다. 그러나 현재까지 밝혀진 유전 요인은 전체 환자의 약 14%에 불과하며, 전체 유전성 기여도는 약 27%에 달한다고 알려져 있습니다. 이는 많은 유전적 원인이 아직 발견되지 않았음을 의미합니다. 기존 연구는 대부분 단일 염기 변이(SNV)에 초점을 맞췄지만, 구조적 변이는 인간 표현형에 중대한 영향을 미칠 수 있음에도 불구하고 충분히 연구되지 않았습니다. 특히 SNCA 유전자의 복제와 삼중 복제, PRKN 유전자의 엑손 결실과 같은 구조적 변이는 파킨슨병의 주요 유전적 원인 중 하나로 알려져 있습니다. 또한, iPSC는 환자 유래의 유전적 배경을 보존한 모델로서 중요한 도구이지만, 재프로그래밍 및 배양 과정에서 새로운 유전적 이상이 발생할 수 있어 정기적인 유전체 검사가 필요합니다.

연구 목적 및 배경

본 연구는 다음 두 가지 목적을 가지고 수행되었습니다. 첫째, SNCA와 PRKN 유전자의 병적 구조 변이를 OGM 기술로 탐지하여 이 기술의 유효성을 입증하는 것입니다. 둘째, PD 환자 유래 iPSC에서 기존 기술로는 탐지되지 않는 유전적 이상을 포괄적으로 스크리닝하여 iPSC의 유전체 안정성을 평가하고자 하였습니다.

연구 방법

총 5명의 PD 환자와 2명의 건강 대조군에서 유래한 iPSC를 분석 대상으로 선정
환자 iPSC는 SNCA 복제 및 삼중 복제, PRKN 엑손 결실 등 다양한 구조 변이를 포함
OGM 분석은 Bionano Saphyr 플랫폼을 사용하여 초고분자 DNA에서 구조 변이 탐지
동일 샘플에서 Nanopore long-read 시퀀싱도 수행하여 OGM 결과와 비교
OGM 데이터는 다양한 필터링 절차(변이 신뢰도 점수, 내부 대조군 빈도, 유전자 병리성 주석 등)를 거쳐 분석

실험은 Bionano Genomics의 플랫폼을 사용하여 고분자 DNA를 CTTAAG 염기서열에 표지하고, 형광 염색 후 Saphyr 칩에 탑재하여 이미지화하였습니다. 이후 de novo 조립 및 GRCh38 기준 유전체와의 비교를 통해 구조적 변이를 탐색하였습니다. 필터링 기준은 삽입·결실·역위·중복·전좌·복제 수 이상 각각에 대해 신뢰도 점수 기준을 적용하고, 다형성 및 해석이 어려운 영역은 제외하였습니다. 비교를 위한 long-read 시퀀싱은 Oxford Nanopore 기술을 이용하였으며, Sniffles 및 NGMLR 툴을 사용하여 SV를 탐지했습니다.

주요 발견 및 결과

OGM 기술은 SNCA 유전자의 삼중 복제와 복제, PRKN 유전자의 엑손 결실을 명확히 탐지했습니다. 이는 long-read 시퀀싱으로는 식별되지 않거나 불완전하게 식별된 변이들입니다. 특히 PRKN의 compound heterozygous 결실은 OGM으로만 위상을 포함하여 정확히 파악할 수 있었고, 일부 iPSC에서는 기존 카리오타이핑에서 탐지되지 않은 균형 전좌가 발견되었습니다. 이러한 결과는 iPSC의 유전체 안정성 평가에서 OGM의 중요성을 부각시켰습니다.

실험 결과 요약

샘플	SNCA/PRKN 변이	OGM 탐지 결과	Nanopore 탐지 결과
SFC831-03-05	SNCA 삼중 복제	1.7 Mb triplication 확인	정확한 triplication 탐지 실패
SFC827-03-02	SNCA 복제	0.3 Mb duplication 확인	범위 불명확한 CNV만 탐지
iPS-L-3034	PRKN 엑손 2 및 3–5 결실	결실 탐지 및 위상 확인	기본 설정에서는 일부 탐지 실패
iPS-L-3244	PRKN 엑손 1 결실	정확히 탐지됨	일치하는 결과 확인
iPS-L-10312	PRKN 엑손 4 결실	OGM과 시각적 분석 일치	Sniffles로 확인됨

이상의 결과는 OGM이 높은 해상도로 구조적 변이를 식별할 수 있으며, long-read 시퀀싱과 비교했을 때 상호보완적인 역할을 할 수 있음을 보여줍니다.

한계점 및 향후 연구 방향

OGM은 base-pair 수준의 정밀도는 부족하지만, 균형 전좌나 대규모 복제 수 변화 탐지에는 탁월한 성능을 보입니다. 본 연구에서는 일부 변이가 iPSC에서는 존재하지만, 부모 세포인 섬유아세포에서는 존재하지 않았습니다. 이는 재프로그래밍 과정에서의 클론 선택에 의한 변이 발생 가능성을 시사합니다. 향후에는 long-read 시퀀싱과 de novo assembly 기법을 결합하여, OGM의 단점을 보완하고, 원인 불명의 유전질환 환자군에서 병적 SV 발굴에 활용될 수 있을 것입니다.

결론

이번 연구는 OGM 기술이 PD 관련 유전자에서의 병적 구조 변이를 효과적으로 탐지할 수 있음을 보여주는 증거를 제시했습니다. 특히 iPSC의 유전체 스크리닝 도구로서 기존의 카리오타이핑을 대체하거나 보완할 수 있는 높은 해상도와 신뢰성을 갖추고 있으며, 비용 측면에서도 효율적인 대안이 될 수 있습니다. 향후 OGM은 PD 유전 요인 발견 및 iPSC 품질 관리 양측에서 핵심적인 기술로 자리 잡을 수 있을 것입니다.

개인적인 생각

이 연구는 파킨슨병의 유전적 이해를 확장하는 데 있어 기술적 돌파구를 마련한 사례라고 생각합니다. 특히 SNCA와 PRKN처럼 기존 기술로는 위상이나 정확한 변이 영역을 밝히기 어려웠던 구조 변이에 대해 OGM이 제공하는 명확한 해석력은 놀랍습니다. 또한, 유도만능줄기세포라는 복잡한 모델 시스템에서 발생할 수 있는 유전적 변이를 고해상도로 탐지해 낼 수 있다는 점은 연구와 치료제 개발 양쪽에 모두 중요한 기여가 될 수 있습니다. 개인적으로는 OGM이 단순히 연구용 도구를 넘어, 임상 진단 현장에서도 적용될 수 있는 수준으로 발전할 가능성이 높다고 봅니다. 다만, base-pair 수준의 정보 부족은 여전히 보완이 필요하며, long-read 시퀀싱과의 통합이 필수적입니다. 향후에는 이 두 기술의 병합을 기반으로 한 통합 분석 플랫폼이 개발된다면, 파킨슨병뿐 아니라 다양한 신경계 질환의 유전적 기전 해석에도 큰 기여를 할 것으로 기대됩니다.

자주 묻는 질문(QnA)

Q1. OGM이란 무엇인가요?
OGM은 Optical Genome Mapping의 약자로, 형광으로 표지된 초고분자 DNA를 이미징하여 구조적 유전체 변이를 고해상도로 분석하는 기술입니다.

Q2. SNCA 삼중 복제란 무엇인가요?
SNCA 유전자가 정상보다 세 번 복제되어 총 3개의 복사본이 존재하는 상태로, 파킨슨병의 병리와 관련이 깊은 변이입니다.

Q3. iPSC에서 구조적 변이가 왜 중요한가요?
iPSC는 질병 모델링에 사용되므로, 변이가 존재하면 실험 결과의 해석에 혼란을 줄 수 있어 사전 스크리닝이 필요합니다.

Q4. OGM과 long-read 시퀀싱의 차이는 무엇인가요?
OGM은 대규모 구조적 변이 탐지에 강하고, long-read 시퀀싱은 염기 수준에서의 해석에 유리합니다. 두 기술은 상호보완적입니다.

Q5. 왜 PRKN 변이는 기존 MLPA로 위상 파악이 어려운가요?
MLPA는 단편적 탐지만 가능하여, compound heterozygous 변이의 상대적 위치(위상)를 파악하는 데 한계가 있습니다.

Q6. OGM이 임상에서 활용될 가능성이 있나요?
현재는 연구 중심이지만, 기술 발전 및 비용 절감이 지속되면 희귀질환 유전자 진단 도구로도 충분히 활용될 수 있습니다.

용어 설명

파킨슨병 (Parkinson’s Disease): 도파민성 뉴런의 퇴행으로 인해 발생하는 대표적인 신경퇴행성 질환
구조적 변이 (Structural Variant, SV): 유전체의 큰 규모의 구조적 차이로, 삽입, 결실, 복제, 전좌 등을 포함
복제 수 변화 (Copy Number Variant, CNV): 특정 유전자나 염기서열이 정상보다 많이 복제되거나 일부 삭제된 상태
광유전체매핑 (Optical Genome Mapping, OGM): 대규모 DNA를 이미징하여 구조 변이를 분석하는 최신 유전체 분석 기술
유도만능줄기세포 (Induced Pluripotent Stem Cells, iPSC): 체세포를 역분화시켜 만든 다분화 능력을 가진 줄기세포
SNCA 유전자: α-시뉴클레인 단백질을 코딩하는 유전자로, 파킨슨병과 밀접한 관련이 있음
PRKN 유전자: 파킨슨병의 원인 유전자 중 하나로, 특히 조기 발병형과 관련
Triplication: 유전자나 유전체 영역이 3번 복제되어 있는 상태
Long-read sequencing: 수천~수만 염기를 한 번에 읽을 수 있는 차세대 시퀀싱 기술
Variant Calling: 유전체 시퀀싱 데이터에서 유전적 변이를 식별하는 생물정보학적 절차