유전자 염기서열은 어떻게 분석하는걸까? (Sequencing)

전문가용 아니고 비전문가용입니다.... 전공 아니에요 

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아래 영상은 인간 게놈 프로젝트에서 사용된 DNA 염기서열의 분석 방법이다. 이 방식을 Sanger Sequencing이라고 하고, 약 20년간 30억달러가 소모되어 2001년에 인간의 염기 지도를 만든 방법이다... 당시 비용은 게놈 당 약 $100M 정도가 들어갔다고 한다. 

해당 방법을 짧게 요약하자면 (1) 이중나선 DNA를 열로 분리하고 (2) 해당 부분을 여러개 복제한다. 

원래는 DNA 복제를 위한 재료로 ACGT 염기를 넣어주는데, 염기서열 분석에서는 이러한 일반 염기와 함께, 형광물질로 표기된 Terminator Base를 같이 넣어준다. 이들 염기는 일반 ACGT 염기와 동일하게 합성에 관여하나 다른 점이 있다.

(1) 각기 다른 색상의 형광물질이 달려있고 (2) 이들 염기가 부착되면 DNA 합성이 중단된다.  

일반 염기와 함께 낮은 비율로 형광 염기가 들어있기 때문에, 이것들을 재료로 넣고 복제를 돌리면 아래와 같이 다양한 길이의 염기가 생성된다. (랜덤하게 형광물질이 몇 번째 순서에 붙느냐에 따라 염기가 몇 번째에 끊기는지가 결정된다) 사진에는 하나씩만 나오는 것 처럼 나왔지만 실제로는 많은 수의 Copy가 만들어진다. 

그러면 용액 속에는 여러가지 길이의 염기들이 존재하게 된다. 이 염기들을 전기영동으로 분리하면 DNA의 길이에 따라 순서대로 이동하게 되는데, (짧은 염기는 가벼우니 먼저 끌려오고, 긴 염기는 오래걸린다) 이들이 순서대로 들어오며 나타내는 색깔의 순서를 통해 우리가 원하는 DNA의 염기서열을 확인할 수 있다 

이렇게 Sequencing 된 여러개의 DNA 조각들의 겹치는 부분들을 이래 저래 조합을 하거나, 이미 밝혀진 Reference DNA를 기반으로 DNA를 맞춰보게 된다. 방법이나 알고리즘은 다양하게 존재한다. 만약 Reference 가 될만한 DNA가 없이 처음부터 DNA 서열을 파악하는 경우 이를 De novo Assembly라고 부른다. 

아래는 Reference가 있는 경우의 Sequencing 모식도... 

Illumina의 경우 이러한 단점들을 극복하기 위해, High-Throughput Sequencing을 도입한다. 시각적인 방법으로 동시에 수많은 염기를 분석하는데, 사진보다는 아래처럼 영상으로 보는게 확실하다... 

이렇게 염기별로 한 종류의 색깔을 주는 것 뿐 만 아니라, 두가지, 혹은 1가지 색깔을 이용한 Sequencing도 존재한다.  이 방법 뿐만 아니라, 전류 변화를 통해 좀 더 긴 길이의 염기를 분석할 수 있게 하는 Oxford Nanopore 방법도 존재한다.

 아래 영상에 매우 자세하게 설명되어있다. 

일루미나는 이러한 유전자 비용 분석 과정에서 가격을 극적으로 낮추면서 산업 발전에 크게 기여했다... 자료에 따라 상이하나, 그 덕분에 Illumina는 차세대 유전자 분석 시장(NGS)에서 약 70~90%의 점유율을 가진 것으로 추정하고 있다.