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  • 출처김정애 선임연구원/한국생명공학연구원
  • 조회수 1053
  • 등록일2019-10-08
  • 첨부파일

Human Cell Atlas 동향

 

 

Human Cell Atlas 동향



캡처.PNG


한국생명공학연구원

김정애 선임연구원

 

1. HCA(Human Cell Atlas)의 개요

 

가.  HCA의 목표와 내용


세포는 인간을 포함한 생명체 구성의 기본 단위로써 인간의 성장·발달과 노화, 다양한 질병의 발생 및 진행을 이해하는 핵심 역할을 수행한다. 인간세포지도(Human Cell Atlas, HCA) 사업은 인체를 구성하는 약 35조개 이상의 세포 종류와 위치, 상태, 계통 분화 및 발생 단계를 규명하여 전 세계 지형·지물을 담은‘구글 지도’와 유사한 인체 표준 지표를 확보하는 것을 목표로 한다(그림 1).

 


1.PNG
그림 1. 구글 지도와 인간세포지도의 예
 출처: http://atlas.brain-map.org/; https://www.sanger.ac.uk/science/groups/bayraktar-group

 


세포의 종류와 기능을 이해하기 위한 연구는 2000년대 중반까지 기술적인 한계로 인해 주로세포들의 집합체인 조직·장기 수준에서 진행되었다.


그러나 2009년 첫 번째 단일세포 전사체 시퀀싱 기술이 발표된 이후1 세포 분리, 단일세포 오믹스 생산과 분석, 광학 영상 등 다양한 연계 기술의 발전에 힘입어 현재는 세계 각국에서 인체 조직 내 단일세포 세포의 특성을 다면적으로 분석하는 연구가 활발히 진행되고 있다. 특히, 단일세포 정보를 대용량(high-throughput)으로 생산하는 기술의 발전은 관련 분야의 연구진을 중심으로 인체의 모든 세포를 분석·파악할 수 있다는 가능성에 공감대를 형성하게 되었다.


‘인간 게놈 프로젝트(Human Genome Project, 1990-2003)’의 성공을 디딤돌 삼아 인간 유전체 연구가 획기적으로 발전해 오고 있다는 점도 ‘인간세포지도’라는 새로운 인체 표준 지표가 인체 생명현상 이해의 또 다른 도약에 중대한 기여를 할 것이라는 강한 기대감을 제공한다.


이에, 2016년 10월, 미국 매사추세츠공대(MIT) 브로드연구소와 하버드대, 영국 케임브리지대 생어연구소와 웰컴트러스트 재단을 중심으로 HCA 프로젝트의 착수를 선언하고, 2017년 10월 HCA 백서(HCA white paper)2 발간, 38개 파일럿 과제 선정과 함께 본격적인 사업을 진행하고 있다. 


현재 진행 중인 HCA의 1단계 주요 내용은 최고 3천만에서 1억 개의 단일세포를 다양한 오믹스 기법으로 분석하고 이들이 위치한 조직의 정보를 포함하는 데이터베이스를 구축하는 것이다.


이를 위해 지도 작성 대상 장기를 선별하고(표 1) 정상인으로부터 유래한 시료의 분석을 진행하고 있다. 분석은 인종 및 연령 다양성 확보를 위해 20-55세에 해당하는 20여 다인종 시료를 대상으로 한다.

 


표 1. HCA 국제 컨소시엄의 1단계 추진 내용

기관

장기/조직

선정 이유

추진 내용

중추신경계

소뇌, 대뇌, 뇌간, 척수

작용 기작 이해의 기초

폭 넓은 기초 및 임상 응용 가능성(뇌질환 진단 및 치료)

소수(2-6) 개인 뇌 100곳 이상의 상세한 지도 작성

단일세포/핵 전사체

smFISH를 이용한 2차원, 3차원 발현지도

면역계

면역세포

면역세포의 다양성 이해

체내 환경 변화에 따른 면역 체계 변화 이해

환자 간 변이 이해

인체 내 다양한 조직에 존재하는 모든 면역세포 분석

3 지역(다른 인종)의 건강한 성인 20명 이상씩

단일세포 전사체

비뇨기계

신장

신장 내 다양한 세포지도 작성

노화에 따른 신장세포 기능 변화 이해의 기초

3-4 지역(다른 인종; 흑인, 아시아인, 유럽인)의 건강한 성인 20명 이상씩

10명 이상의 고령 성인(55-80)

단일세포 전사체, 단백질 패널

3차원 발현지도 작성

호흡계

40가지 이상의 세포로 이루어진 복잡한 조직

다양한 폐질환에 의한 사망(7백만명 이상)

만성 폐질환 치료를 위한 기초 자료

3-4 지역(다른 인종)의 건강한 비흡연 성인 20-30명 이상

폐질환 환자(COPD, 천식, 폐섬유종 환자) 일부 포함

단일세포/핵 전사체

3차원 발현지도

간담췌장계

수백 가지 기능을 수행하는 다양한 간 세포 특성 이해

간 질환 관련 세포 특성 이해

간 재생 과정 이해

최소 4 지역(다른 인종)의 건강한 성인 20명 이상씩

한 사람의 간 조직에서 8곳 이상 시료 채취

단일세포 전사체

3차원 발현지도

췌장

췌장세포 파괴는 당뇨병의 원인

췌장세포와 주변세포(섬유세포, 면역세포) 상호작용 연구

최소 3 지역(다른 인종)의 건강한 성인 20명 이상씩

한 사람 췌장에서 10 이상 시료 채취

단일세포 전사체

3차원 발현지도

소화기계

소장·대장

40종 이상의 다양한 세포

장의 기본 기능 이해 및 다양한 만성질환(크론병, 만성장염, 대장암, 음식 알레르기) 치료의 기본 자료

3 지역(다른 인종)의 건강한 성인 20명 이상씩

한 사람당 4(right, left, transverse, rectum) 시료

단일세포 전사체

3차원 발현지도

피부계

피부, 피하지방

신체 전신에 분포하며 신체를 보호하는 조직

시료 수집 용이

3 지역(다른 인종)의 건강한 성인 20명 이상씩

유방 및 피하지방

단일세포/핵 전사체

3차원 발현지도

심장혈관계

심장

심장 기능을 수행하는 다양한 세포들의 기능 이해

심장 발달·재생 과정 이해

3 지역(다른 인종)의 건강한 성인 20명 이상씩

다양한 발달 단계 사람 포함

단일세포/핵 전사체

단일세포 ATAC-Seq

3차원 발현지도

 

성체줄기세포

조직 발달 과정의 이해

조직 재생의학의 기초

다양한 발달 단계 조직(, 신장, 피부 등의 후기 발달 단계)

2 지역(다른 인종), 20명 이상씩

단일세포/핵 전사체

3차원 발현지도

소아/유아

소아/유아

소아 질병의 이해

소아 발달 과정의 이해

3 지역(다른 인종), 20명 이상씩

다양한 조직 확보

단일세포/핵 전사체

3차원 발현지도

Organoids

다양한 organoids

다양한 인체 조직의 모델 재료

organoid의 원 조직 재현 정도 분석

3 지역(다른 인종), 20명 이상의 건강한 성인

다양한 조직의 organoid 유도(triplicate 이상)

단일세포 전사체

3차원 발현지도

 

출처 : HCA White paper (2017.10)

 

 

나. HCA 수행을 위한 기반 기술

 

인간세포지도 작성을 위한 핵심 기술은 개별 단일세포의 종류와 위치를 결정하는 것이다. 세포 종류 확인을 위한 기술로는 단일세포 전사체, DNA, 후성유전체, 단백체 정보를 독립적으로 혹은 연계하여 분석하는 방법이 있다.


이를 위해서는 대용량의 단일세포를 부유 상태로 분리해 내는 기술과 이로부터 각각의 분자 물질(RNA, DNA, 크로마틴, 단백질)을 손상 없이 추출하고 미량인 각 물질의 양적 정보를 정확하게 측정하는 과정이 필요하다. 반면, 세포 위치 정보의 확인은 동결 혹은 고정된 조직시료 내 단일세포의 전사체 혹은 단백체를 이미징화하는 방법을 통해 이루어진다.


분리한 단일세포로부터 추출한 해당 분자 전체를 분석 대상으로 하는 세포 종류 확인법과 달리, 현재 세포 위치 확인 기술은 선별된 RNA 혹은 단백질을 표적으로 분석하여 해당 위치의 세포 종류를 구별하는 수준이다. 세포 종류와 위치 확인 목적을 위해 활용되고 있는 구체적인 기술로는‘표2’와 같은 것들이 개발되어 있다(표 2).  

 

활용 목적

활용 기술

세부 기술

세포 종류 분석

단일세포 전사체 분석

단일세포 전사체 분석

단일핵 전사체 분석

단일세포 후성유전체 분석

단일세포 메틸화 분석

단일세포 ChIP 분석

단일세포 ATAC-seq

단일세포 Hi-C

세포 위치 분석

이미징 기반 단일세포 단백체 분석

형광결합 항체 염색 측정법(CyTOF, cyclic immunofluorescence )

동위원소 결합 항체 측정 법(MIBI )

IMC를 이용한 RNA와 단백체 동시 분석

형광결합 항체와 금속결합 DNA oligo의 혼합을 통한 단백체와 mRNA 동시 분석

이미징 기반 단일세포 전사체 분석

In situ sequencing(FISSEQ, spatial tranomics, TIVA SeqFISH )

Spatial barcoding(MERFISH, SeqFISH )

출처 : 과학기술정보통신부 기초원천연구기획사업 보고서 (2018. 05)

 


단일세포로부터 생산된 데이터의 분석은 기존의 세포 집합(bulk population)에서 생산된 데이터에 사용하던 NGS(next-generation sequencing) 데이터 분석을 기본으로 적용할 수 있기는 하나, 단일세포 데이터 양의 방대함과 단일세포 시퀀싱 실험 고유의 독특한 특성을 반영하기 위한 첨단 알고리즘과 통계적 방법의 개발이 추가적으로 요구된다.


구체적으로는 데이터 상에서 발현이 확인되지 않는 유전자의 비율이 bulk population에 비해 높기 때문에 정규 분포를 가정하는 고전적인 통계 방법 대신 단일세포 데이터에 맞는 확률통계 모델이 고려되어야 한다.


이에, 개별 세포 간의 유사성과 차이를 바탕으로 세포의 상태 및 종류에 따른 특성을 식별할 수 있도록 PCA(principal component analysis), tSNE(t-distributed stochastic neighbor embedding), uMAP(uniform manifold approximation and projection) 등과 클러스트링(clustering) 방법이 주로 사용되고 있으며, 정확성이 향상된 다양한 방법들이 빠르게 개발되고 있다.


다. HCA 활용 분야(그림 2)


재생의학 기초 마련 : 단세포인 수정란으로부터 인체를 이루는 수십 조개의 세포로 분화하는 과정에서 각각의 세포들이 어떠한 세포로 분화하는 지 규명함으로써 발생·분화 단계를 이해할 수 있고, 관련 지식은 재생 의학에 널리 활용될 수 있다.


질병의 발생과 진행 기전 이해 : 다양한 환자들의 질병 조직을 단일세포 수준에서 분석하고 이를 건강인의 세포지도와 비교함으로써 질병 조직 내 세포의 이질성을 이해하고 질병의 원인을 더욱 정확하게 파악할 수 있다. 또한, 다양한 환자들의 질병 조직을 단일세포 수준에서 분석함으로써 개개인의 차이를 이루는 요인들을 더욱 정확하게 밝힐 수 있고 각각의 환자에 적합한 맞춤형 치료법을 제시할 수 있다.


신약 및 바이오마커 개발 : 세포 수준에서 신약 타겟 발굴, 인체 독성 예측, 약물 효능 및 부작용 예측 등 관련 정보를 제공함으로써 신약 개발 성공 가능성을 높이고 질환 조직의 세포 수준에서 바이오마커를 발굴함으로써 정확도 및 성능이 향상된 임상 바이오마커를 개발할 수 있다.


융합 연구 활성화 : 인간세포지도 작성을 위해서는 임상 시료 확보 및 처리 과정, 단일세포 오믹스 분석, 단일세포 광학영상, 데이터 마이닝, 생물정보 분석 등 다양한 학문 분야의 협력이 필요한데, 이는 융합 연구를 활성화하고 새로운 학문 영역을 개척할 것으로 기대된다.

 


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그림 2. HCA 활용 분야
출처: HCA White Paper (2017. 10)

 

...................(계속)

 

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