유전자염기서열디자인분석도구
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배상수 교수팀, 손쉽게 사용할 수 있는 유전자 프라임교정 디자인·분석 도구 개발
- 논문명 : PE-Designer and PE-Analyzer: web-based design and analysis tools for CRISPR prime editing
- 저자정보 : 황규호(제1저자, 한양대), 정유경(한양대), Habib Omer (한양대), 홍성아(한양대), 임가영(기초과학연구원), 김진수 교수(기초과학연구원, 서울대), 배상수 교수(교신저자, 한양대)
- 지원 : 과학기술정보통신부 바이오의료기술개발사업 ‘KOREA BIO GRAND CHALLENGE’와 농촌진흥청 신육종기술실용화사업단
- 게재 : 핵산연구 분야 세계적 학술지 「Nucleic Acid Resaerch」5월 3일 온라인판
연구내용
연구배경
- 기존 크리스퍼 유전자가위는 특정 유전자 서열을 유도하는 효율이 낮고 염기교정은 특정 유형의 치환만 유도할 수 있다는 한계를 지니고 있으나, 프라임교정은 모든 치환과 삽입, 결실을 기존 크리스퍼 유전자가위보다 높은 효율로 유도할 수 있다는 장점을 가지고 있다.
- 프라임교정을 이용하기 위해서는 기존의 유전자가위 기술들과 달리, 타깃 서열과 더불어 주변 서열도 같이 고려해야 하는 등 타깃을 디자인하거나 분석하는 과정에서 더 많은 고려사항이 필요하다.
- 따라서 기존에 개발된 유전자가위의 디자인과 분석 웹 도구를 프라임교정에 이용하는 것에 한계가 있어 프라임교정을 위한 새로운 웹 도구 개발이 필요했다.
연구내용
- 본 연구진은 누구나 쉽게 프라임교정을 이용할 수 있도록 디자인 웹 도구(PE-Designer)와 분석 웹 도구(PE-Analyzer)를 개발하였다.
- 프라임교정을 위한 디자인 웹 도구는 받은 서열에서 프라임교정이 가능한 모든 서열과 해당 서열들의 비슷한 서열이 해당 게놈에 있는지를 보여주고, 이미지를 통하여 이용자가 쉽게 이용하고 타깃을 설계할 수 있도록 개발되었다.
- 프라임교정을 위한 분석 웹 도구는 차세대 염기서열 분석 결과 파일을 받아 각 돌연변이를 정량하여 표와 그래프로 보여주며 분석 과정에서 파일을 서버에 업로드 하는 과정 없이 한 번에 여러 파일을 동시에 처리할 수 있도록 개발되었다.
기대효과
- 프라임교정을 디자인하고 분석하는 것은 기존에 비해 복잡해 졌지만 이번 프라임교정 디자인 및 분석 웹 도구 개발을 통해 앞으로 연구자들이 쉽게 프라임교정을 이용할 수 있을 것이라 사료된다.
보도자료
- 배상수 한양대 화학과 교수팀이 프로그래밍에 대한 지식 없이도 복잡한 유전자(DNA) 염기서열을 디자인하고 분석할 수 있는 도구(PE-Designer & PE-Analyzer)를 개발했다고, 한양대가 14일 밝혔다.
- 최근 유전질환을 치료하거나 새로운 질병 모델 개발을 위해 DNA의 특정위치에 타깃 염기서열이 생기도록 유도하는 ‘프라임교정(Prime editing)’ 기술이 각광받고 있다. 프라임교정 교정 기술을 다루기 위해서는 프로그래밍이 필수적인데, 배 교수팀이 개발한 도구를 이용할 경우 프로그래밍을 익히지 않고도 인터넷 브라우저에서 간편하게 디자인작업과 분석을 진행할 수 있다.
- DNA 조작을 위해 보편적으로 사용된 크리스퍼 유전자가위(CRISPR-Cas9)는 사용이 간편하지만 사용자가 원하는 특정 염기서열로 바꾸기 힘들다는 단점이 있었다. 이후 개발된 염기교정(Base editing)은 기존 단점이 개선됐으나 여전히 제한된 유형의 염기서열만 치환할 수 있다는 한계를 가졌다.
- 이런 문제점들을 해결하고자 최근에는 모든 종류의 염기서열을 치환·삽입·결실(deletion)할 수 있는 프라임교정 기술이 등장했다.
- 하지만 여전히 어려움이 존재한다. 프라임교정 기술을 사용하기 위해서는 타깃 염기서열이 기존 염기서열과 잘 결합할 수 있게 타깃 염기서열과 타깃 주변의 염기서열도 함께 고려해야했다. 이 과정에서 방대한 양의 데이터 분석이 필요했고, 연구진들은 데이터 분석에 앞서 고도의 프로그래밍 능력을 갖춰야만 했다.
- 이러한 연구진들의 어려움을 줄이기 위해 배 교수팀은 기초과학연구원(IBS) 유전체교정연구단(단장 김진수)과 공동연구를 통해 누구나 쉽게 이용할 수 있는 ‘프라임교정을 위한 디자인 및 분석 웹 도구’를 개발했다.
- 디자인 웹 도구는 프라임교정이 가능한 모든 DNA를 이용자에게 보여주며 해당 내용을 상호작용 가능한 이미지로 시각화해 편의를 개선했고, 이용자가 실험할 종(種)의 정보를 받아 각 염기서열과 비슷한 염기서열이 해당 유전체(genome)에 있는지 계산해 이를 수치로 보여준다.
- 디자인 과정에 이어 분석 웹 도구를 통해 유전자 교정 결과를 누구나 쉽게 분석할 수 있도록 했다. 특히 차세대 유전자 시퀀싱 결과와 같은 용량이 큰 파일을 서버에 업로드 하는 과정없이 개인 웹 브라우저에서 분석할 있도록 해 분석 속도를 크게 향상시켰다.
- 배상수 교수는 “현재 연구팀이 운영하고 있는 웹사이트는 전 세계 130여개 국에서 매일 300여 명의 연구자들이 무료로 이용하고 있고 누적 사용량은 약 7년간 200만회가 넘었다”며 “이번 프라임교정 디자인 및 분석 웹 도구 개발을 통해 연구자들이 쉽게 프라임교정을 이용할 수 있을 것”이라고 말했다.
- 이번 연구는 핵산연구 분야의 세계적 학술지 「Nucleic Acid Resaerch」 (IF 11.501)에 5월 3일자 온라인 판에 게재됐다. 이번 연구는 과학기술정보통신부 바이오의료기술개발사업 ‘KOREA BIO GRAND CHALLENGE’와 농촌진흥청 신육종기술실용화사업단 지원을 받아 진행됐다.
그림 설명
- 프라임교정을 위한 디자인 웹 도구의 결과 페이지
- 디자인 웹 도구는 이용자가 유전자 서열과 원하는 변이 정보를 입력하면 위 그림과 같은 결과를 보여준다. 맨 위 이미지는 상호작용이 가능하며 선택이 가능한 서열 정보들과 선택된 정보를 보여준다. 아래의 표를 통해서 각 서열에 대한 자세한 정보를 볼 수 있으며 필터기능을 이용하여 원하는 조건에 맞는 서열을 찾을 수 있다.
- 프라임교정을 위한 분석 도구의 결과 페이지
- 프라임교정을 위한 분석 웹 도구는 차세대 염기서열 분석 결과 파일과 목표 서열의 정보를 받아서 위 그림과 같은 결과를 보여준다. 맨 위 표는 각 돌연변이 패턴에 대한 정량 분석을 보여준다. 중간 부분의 그래프는 각 위치에서 삽입, 결실, 치환이 얼마나 일어났는지를 보여준다. 각 유전자 서열에 대한 자세한 정보는 하단 표를 통하여 볼 수 있으며 특정 돌연변이 패턴이나 유전자 서열을 검색하여 찾아볼 수 있다.
