유전체 프로젝트
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1. 개요
유전체 프로젝트는 생명체의 유전체 정보를 해독하고 분석하는 연구를 포괄하며, 유전자 지도 작성 기술 발달과 DNA 염기서열 분석 비용 감소에 힘입어 다양한 생물종으로 확대되었다. 게놈 염기서열 분석은 샷건 시퀀싱과 같은 방법으로 진행되며, 염기 서열 조립 및 주석 과정을 거쳐 유전체의 구조와 기능을 밝힌다. 주요 유전체 프로젝트로는 인간 게놈 프로젝트, 네안데르탈인 게놈 프로젝트, 침팬지 게놈 프로젝트 등이 있으며, 식물, 동물, 미생물 등 다양한 생명체의 게놈 연구가 진행되고 있다. 이러한 연구는 질병 연구, 맞춤형 의학, 농업 생산성 향상 등 다양한 분야에 응용되며, 생명 윤리 및 사회적 문제와도 관련된다.
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1000 유전체 프로젝트는 질병 연관성 연구를 위해 인간 유전적 변이에 대한 포괄적인 목록을 작성하는 국제 협력 연구 프로젝트이다. - 유전체 프로젝트 - 참조 유전체
참조 유전체는 종을 대표하는 염기 서열로, 유전체 분석 시 지침이 되는 유전체 지도로서, 여러 개체의 유전체 정보를 모아 재구성한 반수체 형태이며, 인간 참조 유전체는 인간 게놈 프로젝트의 결과인 hg38이 널리 사용되고, 유전체 분야의 표준 개념을 제공하며, 다양한 유기체의 참조 게놈 조립을 위한 국제 프로젝트와 한국인 표준 유전체 지도 구축 노력도 진행되고 있다.
| 유전체 프로젝트 |
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2. 게놈 염기서열 분석
DNA 염기서열 분석 기술의 향상으로 새로운 게놈 염기서열 분석 비용이 꾸준히 감소했으며(염기쌍당 비용 기준), 새로운 기술 덕분에 게놈을 훨씬 더 빠르게 해독할 수 있게 되었다. 연구 기관들은 모델 생물로서 중요성이 높거나, 인간 건강과 관련된 종 (예: 병원성 세균 또는 질병 매개체인 모기)이나 상업적 중요성이 있는 종 (예: 가축 및 작물)의 게놈 해독에 집중해 왔다. 또한, 분자 진화에서 중요한 질문에 답하는 데 도움이 될 게놈을 가진 종(예: 침팬지)에게도 관심을 가졌다.
미래에는 게놈 해독이 더욱 저렴하고 빨라질 것으로 예상된다. 이를 통해 동일 종의 여러 개체로부터 완전한 게놈 염기서열을 결정할 수 있게 될 것이다. 인간의 경우, 인간 게놈 다양성 프로젝트를 통해 인간 유전적 다양성을 더 잘 이해할 수 있을 것이다.
2. 1. 염기서열 분석 방법
과거에는 진핵생물의 게놈(예: 벌레 '''꼬마선충''')을 해독할 때, 게놈 전체에 일련의 지표를 제공하기 위해 먼저 게놈 지도를 작성하는 것이 일반적이었다. 한 번에 염색체 전체를 해독하는 대신, 조각 조각(해당 조각이 더 큰 염색체에서 대략 어디에 위치하는지에 대한 사전 지식을 가지고)으로 해독했다. 기술의 변화, 특히 컴퓨터의 처리 능력 향상은 이제 게놈을 한 번에 '샷건 시퀀싱'할 수 있다는 것을 의미한다(전통적인 방식과 비교할 때 이 접근 방식에는 주의해야 할 사항이 있다).DNA 염기서열 분석 기술의 향상으로 새로운 게놈 염기서열 분석의 비용이 꾸준히 감소했으며(염기쌍당 비용 기준), 새로운 기술로 인해 게놈을 훨씬 더 빠르게 해독할 수 있게 되었다.
2. 2. 게놈 조립 (Genome Assembly)
게놈 조립은 짧은 DNA 염기 서열 조각(리드)들을 가져와서 DNA가 유래된 원래의 염색체를 나타내는 것을 다시 조립하는 과정이다. 샷건 시퀀싱 프로젝트에서는, (일반적으로 단일 유기체, 세균에서 포유류에 이르기까지 모든 것)의 모든 DNA를 먼저 수백만 개의 작은 조각으로 분해한다. 그런 다음 이러한 조각들은 자동 시퀀싱 기계에 의해 "읽혀진다". 게놈 조립 알고리즘은 모든 조각을 가져와 서로 정렬하고, 두 개의 짧은 염기 서열, 즉 ''리드''가 겹치는 모든 위치를 감지함으로써 작동한다. 이러한 겹치는 리드는 병합될 수 있으며, 이 과정이 계속된다.게놈 조립은 매우 어려운 계산 문제이며, 많은 게놈이 반복 서열이라고 하는 많은 수의 동일한 서열을 포함하기 때문에 더욱 어려워진다. 이러한 반복 서열은 수천 개의 뉴클레오타이드 길이일 수 있으며, 특히 식물과 동물의 큰 게놈에서 다른 위치에서 발생한다.
결과적으로 생성된 (초안) 게놈 염기 서열은 시퀀싱된 콘티그 정보를 결합한 다음 연결 정보를 사용하여 스캐폴드를 생성하여 생성된다. 스캐폴드는 염색체의 물리적 지도를 따라 배치되어 "골든 패스"를 만든다. 게놈 어셈블링이란, 대량의 짧은 DNA 단편의 염기 서열을 결정하고, 원래의 염색체의 DNA 염기 서열을 구축하려는 과정으로, 염기 서열 어셈블링 등으로도 불린다. 샷건 시퀀싱에 의한 프로젝트에서는, 샘플로부터 얻어진 DNA는 단편화된다. 이들 각각의 단편은 리드라고 불리며, 시퀀서를 통해 염기 서열이 결정된다. 얻어진 리드는 생물정보학적 알고리즘에 의해 겹치는 부분을 탐색하여 연결해 간다.
게놈 어셈블링은 매우 어려운 기술적 문제를 안고 있다. 그것은 마이크로새틀라이트나, SINE, LINE과 같은 반복 서열이 게놈에 대량으로 포함되어 있기 때문이다. 특히, 게놈 크기가 큰 동식물에서는 이러한 반복 서열은 수천 염기쌍에 이르거나, 대량으로 흩어져 있다.
결과적으로 얻어지는 드래프트 서열은, 컨티그 단위로 묶여, 영역별 정보와 연결하기 위한 발판이 된다.
2. 3. 게놈 어노테이션 (Genome Annotation)
1980년대 이후, 분자 생물학과 생물정보학은 DNA 주석의 필요성을 만들어냈다. DNA 주석 또는 유전체 주석은 DNA 서열에 생물학적 정보를 식별하고 첨부하는 과정이며, 특히 유전자의 위치를 식별하고 해당 유전자가 무엇을 하는지 결정하는 과정이다.3. 주요 게놈 프로젝트
DNA 염기서열 분석 기술의 향상으로 새로운 게놈 염기서열 분석 비용이 꾸준히 감소하고 있으며, 새로운 기술 덕분에 게놈 해독 속도가 훨씬 빨라졌다. 연구 기관들은 모델 생물로서 중요성이 높거나, 인간 건강과 관련된 종 (예: 병원성 세균, 질병 매개체인 모기), 또는 상업적 중요성이 있는 종 (예: 가축 및 작물)의 게놈 해독에 중점을 두고 있다. 또한, 분자 진화에서 중요한 질문에 답하는 데 도움이 될 게놈을 가진 종(예: 침팬지)에도 주목하고 있다.
미래에는 게놈 해독이 더욱 저렴하고 빨라져서, 동일 종의 여러 개체로부터 완전한 게놈 염기서열을 결정할 수 있을 것으로 예상된다. 인간의 경우, 이를 통해 인간 유전적 다양성을 더 잘 이해할 수 있을 것이다.
다음은 완료되었거나 곧 완료될 예정인 주요 게놈 프로젝트 목록의 일부이다.
| 생물종 | 학명 | 프로젝트 | 비고 |
|---|---|---|---|
| 사람 | 호모 사피엔스 | 인간 게놈 프로젝트 | 완료 |
| 사람 | 호모 사피엔스 | 인간 게놈 프로젝트–Write | 진행 중 |
| 고대 에스키모인 | 고대 인류 | ||
| 네안데르탈인 | 호모 사피엔스 네안데르탈렌시스 | 네안데르탈인 게놈 프로젝트 | 부분 완료 |
| 침팬지 | 파노 트로글로디테스 | 침팬지 게놈 프로젝트 | 완료 |
| 털매머드 | 맘무투스 프리미게니우스 | [2] | |
| 젖소 | 보스 타우루스 | 소 게놈 프로젝트 | 완료[1] |
| 꿀벌 | 꿀벌 게놈 시퀀싱 컨소시엄 | ||
| 말 | 말 게놈 | [3] | |
| HRDetect | |||
| 인간 마이크로바이옴 프로젝트 | |||
| 포도 | 국제 포도 게놈 프로그램 | ||
| 국제 헵맵 프로젝트 | |||
| 토마토 | 토마토 150+ 게놈 재시퀀싱 프로젝트 | ||
| 100,000 게놈 프로젝트 | |||
| 100K 병원체 게놈 프로젝트 | |||
| 국제 마우스 표현형 컨소시엄 IMPC | |||
| 녹아웃 마우스 표현형 프로젝트 KOMP2 | |||
| 자이언트 세쿼이아 | 세쿼이아덴드론 자이간테움 | 세쿼이아 국립공원의 1,360년 된 나무에서 채취한 단일 수정된 씨앗에서 추출[4] |
3. 1. 인간 게놈 프로젝트 (Human Genome Project)
인간 게놈 프로젝트는 사람(''호모 사피엔스'')의 게놈 전체 염기서열을 해독하고 유전자 지도를 작성하는 국제 협력 프로젝트로, 1990년에 시작되어 2003년에 완료되었다. 한국 연구진도 참여하여 한국인의 유전체 정보 해독에 기여하였다.[2]이 외에도 다양한 생물종에 대한 게놈 프로젝트가 완료되었거나 진행 중이다. 주요 프로젝트는 다음과 같다.
- 침팬지 게놈 프로젝트: 침팬지(''파노 트로글로디테스'')
- 털매머드(''맘무투스 프리미게니우스'')[2]
- 소 게놈 프로젝트: 젖소(''보스 타우루스'')[1]
- 꿀벌 게놈 시퀀싱 컨소시엄: 꿀벌
- 말 게놈: 말[3]
- 자이언트 세쿼이아(''세쿼이아덴드론 자이간테움''): 세쿼이아 국립공원의 1,360년 된 나무에서 채취한 단일 수정된 씨앗에서 추출[4]
3. 1. 1. 네안데르탈인 게놈 프로젝트
네안데르탈인(''호모 사피엔스 네안데르탈렌시스'')의 게놈 일부를 해독하는 네안데르탈인 게놈 프로젝트가 진행되었다. 이 프로젝트는 멸종된 고인류의 유전체를 분석하여 인류 진화 과정을 밝히는 데 기여하고 있다.3. 2. 기타 동물 게놈 프로젝트
DNA 염기서열 분석 기술의 발달로 침팬지, 젖소, 개, 말, 고양이 등 다양한 동물의 게놈 프로젝트가 완료되었거나 진행 중이다.[2] 이러한 게놈 프로젝트는 분자 진화에서 중요한 질문에 답하고, 종 간 비교 연구 및 질병 연구에 활용된다.[2]특히, 소 게놈 프로젝트는 한국 축산업 발전에 기여할 수 있는 중요한 연구로 평가된다. 소 게놈 정보는 한우의 품종 개량, 질병 저항성 향상, 생산성 증대 등에 활용될 수 있으며, 이는 한국 축산업의 경쟁력을 강화하는 데 이바지할 수 있다.
| 동물 | 학명 | 프로젝트 완료 여부 | 비고 |
|---|---|---|---|
| 침팬지 | Pan troglodytes | 완료 | 침팬지 게놈 프로젝트 참조 |
| 젖소 | Bos taurus | 완료 | 소 게놈 |
| 개 | Canis familiaris | 완료 | |
| 말 | Equus caballus | 진행 중 | |
| 고양이 | Felis catus | 진행 중 |
3. 3. 식물 게놈 프로젝트
DNA 염기서열 분석 기술의 발전으로 벼, 애기장대, 토마토, 포도 등 주요 작물의 게놈 해독이 완료되었다. 이러한 게놈 정보는 품종 개량 및 생산성 향상에 활용되고 있다. 특히, 한국 연구진은 벼 게놈 해독에 주도적으로 참여하여 식량 안보 강화에 기여하고 있다.[1] [2]3. 4. 미생물 게놈 프로젝트
2008년 10월 기준으로 세균 780개 균주, 고세균 53개 균주, 바이러스 2700종의 게놈 해독이 완료되었다.[5] 고세균은 발견된 종이 적어 해독된 수는 세균이나 바이러스보다 적지만, 해독된 비율은 가장 높다. 바이러스는 숙주 유전자에 의존하므로 게놈 크기가 작다.미생물 게놈 프로젝트는 질병 진단 및 치료제 개발, 산업적 활용 등 다양한 분야에 기여하고 있다.
3. 4. 1. 메타게놈 분석
메타게놈 분석은 단일 균주의 분리 및 배양 과정을 거치지 않고, 미생물 집단으로부터 직접 게놈 DNA를 조제하여, 그 이질적인 게놈 DNA를 그대로 시퀀싱한다. 따라서 메타게놈 분석을 통해 기존 방법으로는 어려웠던 난배양균의 게놈 정보를 얻을 수 있게 되었다.4. 게놈 프로젝트의 응용
게놈 프로젝트는 기초 생명과학 연구뿐만 아니라 의학, 농업, 산업 등 다양한 분야에 응용되어 인류의 삶에 큰 영향을 미치고 있다.
참조
[1]
서적
Bioinformatics and functional genomics
https://archive.org/[...]
Wiley-Blackwell
[2]
뉴스
Mammoth genome sequence completed
https://www.bbc.co.u[...]
2015-04-23
[3]
웹사이트
2007 Release: Horse Genome Assembled
http://www.genome.go[...]
2018-04-19
[4]
논문
A Reference Genome Sequence for Giant Sequoia
2020-11-01
[5]
웹사이트
日本寄生虫学会用語委員会 「暫定新寄生虫和名表」 2008年5月22日
http://jsp.tm.nagasa[...]
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