유전자는 이집트 상형 문자와 같다. 전체 게놈 시퀀싱의 발전 덕분에 각 DNA 문자를 읽는 것이 점점 더 쉬워졌다. 그러나 A, T, C, G의 문자열은 두 번째 퍼즐을 제시한다. 만약 있다면 그것들이 의미하는 바가 무엇일까?

 

그것은 인간 게놈 프로젝트가 완료된 이후 생물학자들을 괴롭혀온 문제이다. 프로젝트에서는 유전적 기본 코드를 활용하여 유전 질환을 통제하고 마음대로 편집할 수 있으며 우리 몸, 기능 및 삶의 기초를 마련한 모든 유전자의 결과를 쉽게 예측할 수 있다고 가정했다.

 

비전은 정확히 이루어지지 않았다. DNA 염기서열은 매우 강력한 유전 정보를 포착하지만 반드시 우리 몸이 어떻게 행동하는지 나타내는 것으로 해석되지는 않는다. 유전자는 세포의 필요에 따라 다른 조직에서 켜거나 끌 수 있다. 모든 유전자의 DNA 서열을 읽는 것은 세포 내부 프로그램의 기본 코드를 파싱하는 것과 같다. 표현형을 결정하는 원시 유전 코드(유전자형)가 있으며, 이는 세포가 어떻게 행동하는지 제어하는 생명의 소프트웨어이다. 이 둘을 연결하는 데 수십 년에 걸친 고된 실험이 필요했으며 생물학적 기능에 대한 유전자의 영향을 해독하는 지식 백과사전을 천천히 구축했다.

 

새로운 연구는 노력을 강화했다. 박사가 이끄는 뉴욕 메모리얼 슬론 케터링 암센터(Memorial Sloan Kettering Cancer Center)의 토마스 노먼(Thomas Norman)과 조나단 와이스만(Jonathan Weissman)은 각각 CRISPR의 도움으로 유전자형을 표현형으로 변환하기 위한 로제타 스톤(Rosetta Stone)을 구축했다.

 

그들은 크게 갔다. 250만 개 이상의 인간 세포에서 유전자 발현을 변경하는 Perturb-seq라고 불리는 이 기술은 각 유전적 섭동이 세포를 어떻게 변경하는지 포괄적으로 매핑했다. 이 기술은 스테로이드에 대한 일종의 CRISPR을 중심으로 한다. Perturb-seq는 일단 세포에 도입되면 수천 개의 유전자를 빠르게 변경한다. 단일 세포가 어떻게 반응하는지 확인하기 위해 게놈 규모에서 잔인한 변화가 일어난다.

 

즉, Perturb-seq는 과학자들이 DNA 코드를 기능으로 번역하는 데 도움이 되는 대규모 도구이다. 즉, 세포의 내부 작동을 밝히는 로제타 스톤(Rosetta Stone)이다. 수년 동안 제작 중인 데이터 세트는 누구나 탐색할 수 있도록 열려 있다.

 

Norman은 "이 데이터 세트는 생물학의 다른 부분에서 온 사람들이 아직 생각해보지도 못한 모든 종류의 분석을 가능하게 할 것이라고 생각한다. 갑자기 그들은 이것을 사용할 수 있게 되었다."라고 말했다.

 

변형 중 손실

 

유전자의 기능은 무엇일까? 유전자가 운명이라고 생각하기 쉽지만 그것은 사실과 거리가 멀다. 엄청난 양의 스파게티나 해변을 따라 걷는 것과 같은 환경적 요인은 유전자 발현, 신체 기능, 잠재적으로 몸과 마음을 쉽게 변화시킬 수 있다.

 

그렇다면 결과가 항상 유동적이라면 전체 게놈 시퀀싱의 요점이 무엇일까? "유전학의 중심 목표는 유전자형과 표현형 사이의 관계를 정의하는 것이다."라고 저자는 말했다. 즉, 어떤 유전자가 실제로 무엇을 할까?

 

과학자들은 유전자형과 표현형 사이의 다리를 만들기 위해 오랫동안 노력해 왔다. 힘든 과정이다. 예를 들어, 한 가지 방법은 장애와 관련이 있을 수 있는 유전자를 하나씩 교란시켜 세포의 행동을 관찰하는 것이다. "순방향 유전학"이라고 불리는 이 아이디어는 표현형에 초점을 맞추기보다는 유전자에 초점을 맞춘 것이다. 대안적 접근 방식인 "역 유전학"은 특정 유전적 편집으로 몸이나 마음이 어떻게 변하는지 깊이 파고든다.

 

각 방법은 힘든 투쟁이다. 우리 몸에는 20,000개 이상의 유전자가 있고 모든 세포는 약간 다르게(동일한 유전적 변화가 있더라도) 행동하기 때문에 유전자 기능을 해독하는 데 수십 년은 아니더라도 몇 년이 걸린다.

 

프로세스 속도를 높이는 방법이 있을까?

 

CRISPR 로제타 스톤

 

CRISPR, 오랫동안 유전자 편집 멀티툴로 존경받는 이 방법은 생물학적 번역기로 더욱 발전했다. 그 중심에는 유전자 발현을 분석하기 위해 2016년에 처음 발표된 Perturb-seq라는 기술이 있다. Perturb-seq를 사용하면 단일 세포에서 유전자를 켜거나 끄는 결과를 추적할 수 있다. 이 방법은 한 번에 여러 유전자를 변경하는 효율성으로 2020년에 빠르게 명성을 얻었다.

 

팀은 세포 생물학의 큰 승리라고 말했다. 과학자들이 유전자와 단백질을 연결하는 거대한 거미줄을 쉽게 제거해 왔지만 개별 유전자의 역할을 규명하는 것은 쉽지 않은 일이었다. Weissman은 "우리는 종종 '유전자 X'가 무너진 모든 세포를 가져와 평균을 내서 어떻게 변화했는지 확인한다."라고 말했다. "그러나 때때로 유전자를 녹다운하면 동일한 유전자를 상실한 다른 세포가 다르게 행동하며 평균적으로 그 행동을 놓칠 수 있다."

 

Perturb-seq의 기본 개념은 매우 간단하다. 유아가 물건을 부수고 그 결과를 본 후 자신이 한 일을 깨닫는다고 상상해 보자. Perturb-seq는 CRISPR-Cas9를 사용하여 한 번에 여러 유전자를 침묵시키며, 이는 때때로 세포의 행동을 변경할 수 있다. 이 도구는 강력하지만 사전 정의된 생물학적 질문에 대해 한 번에 최대 수백 개의 유전적 섭동을 연구하여 확장하기 어려웠다.

 

그렇다면 방법을 전체 게놈으로 확장하지 않는 이유는 무엇일까?

 

Norman은 "Perturb-seq의 장점은 편견 없는 방식으로 큰 데이터 세트를 얻을 수 있다는 것이다. “그런 종류의 데이터 세트에서 얻을 수 있는 한계가 무엇인지 완전히 아는 사람은 아무도 없다. 이제 문제는 실제로 그것으로 무엇을 하느냐 하는 것이다.”

 

세포의 삶

 

새로운 연구에서 팀은 CRISPR을 사용하여 인간 세포에서 게놈 전체를 변화시키는 마법의 소스를 처음 발견했다. 주요 요점은 유전자를 추적하는 "블러드하운드"인 가이드 RNA(sgRNA) 라이브러리를 최적화하는 것이었다. 다음으로 CRISPR에 감염된 세포를 포획해 유전자 발현을 분석했다. 전반적으로 팀은 거의 2,000개의 유전자에 집중했다. 상호 참조는 각 세포의 표현형에 따라 변경된 유전자를 사용한 다음 세포 결과와 연결된 네트워크로 유전자를 클러스터링했다.

 

한 가지 불가사의한 유전자가 눈에 띄었다: C7orf26. CRISPR로 이를 제거하면 세포가 유전자 활동을 제어하는 분자를 만드는 데 도움이 되는 통합자(integrator)라고 불리는 거대한 분자 복합체를 구축하는 방식이 변경되었다. Perturb-seq 이전에는 C7orf26이 이전에 이 컴플렉스와 연결되지 않았다.

 

다른 분석에서 팀은 "딸 세포"가 부모 게놈을 상속하는 방식을 변경하는 유전자의 하위 집합을 발견했다. 예를 들어, 일부 유전자를 제거하면 세포가 분열할 때 염색체의 분포가 변경되었다. 염색체를 추가하거나 제거하면 다운 증후군으로 이어지는 등 우리의 생물학이 근본적으로 바뀔 수 있다.

 

Norman에게 이 측면은 Perturb-seq에서 가장 흥미로운 부분이다. "단일 세포 판독을 통해서만 얻을 수 있는 표현형을 포착한다. 다른 방법으로는 따라갈 수 없다."

 

이 데이터베이스는 시작에 불과하다. 팀은 다른 인간 세포 유형에 Perturb-seq를 사용하려고 하며 모든 데이터는 협업에 사용할 수 있다. 초저가 게놈 시퀀싱 솔루션인 Ultima Genomics의 등장으로 단일 세포 CRISPR 스크린은 iPSC(유도 만능 줄기 세포)의 게놈 분석과 같은 생명 공학에서 훨씬 더 큰 역할을 할 것으로 보인다.

 

Weissman에게 그것은 심지어 우리가 세포의 신비에 접근하는 방식의 변화를 촉발할 수도 있다. "어떤 생물학을 볼 것인지 미리 정의하는 대신 유전자형-표현형 관계에 대한 이 지도가 있으며 실험을 수행하지 않고도 데이터베이스에 들어가서 스크리닝할 수 있다."라고 그는 말했다.

 

이미지 출처: Jen Cook/Chrysos Whitehead Institute