DNA 염기 서열 분석

 

모든 생체정보는 생물체의 유전체 안에 뉴클레오타이드의 서열로 암호화되어 있으므로 유전자와 유전체의 기능과 조절을 이해하는 열쇠는 DNA의 염기서열에 있다. 이번 글에서는 현대에 많이 사용되고 있는 DNA 염기서열 분석 밥법에 대해 다루고, 새로 대두되고 있는 염기서열결정 방법에 대해서도 기술해 보겠습니다.

 

 

DNA-염기-서열

 

 

 

 

디데옥시 염기서열결정법은 뉴클레오타이드 위치마다 DNA 사슬의 분석이 끝나는 것을 이용한다

 

 

 

뉴클레오타이드 서열은 다른 생물체 간에 진화관계의 실마리를 밝히기도 하고 인간의 질병의 원인을 이해하는 단서를 제공하기도 한다. 유전자의 염기서열을 아는 것은 PCR을 이용한 클로닝에 필수적인 단계이고, 이를 이용하여 단백질을 대량 생산할 수 있다.

 

염기서열에 관한 정보는 매우 유용하므로 DNA 염기 서열을 빠르고 정확하게 분석하는 방법을 개발하기 위하여 과학자들은 지난 수십년간 많은 노력을 쏟아부었다. 그 결과 10년 전에 비해 훨씬 빠르고 저렴하게 유전체의 뉴클레오타아드 서열을 밝힐 수 있는 정교하고 다양한 방법이 개발되었다.

 

과학자들은 1970년대 후반에 이르러 정제된 DNA 절편의 뉴클레오타이드 서열을 간단하고 빠르게 결정할 수 있는 방법을 개발하였다. 가장 널리 사용되고 계속하여 응용되고 있는 방법은 디데옥시 염기서열결정법(dideoxy suquencing) 또는 이 방법을 개발한 과학자의 이름을 따서 생거 염기서열결정법(Sanger sequencing)이라 부른다.

 

이 방법은 염기서열을 결정하려는 DNA절편의 부분적 복사본을 만들기 위해 특수한 사슬-종결 뉴클레오타이드인 디데옥시뉴클레오사이드 삼인산과 DNA 중합효소를 사용한다. 이 방법은 궁극적으로 원래 DNA 서열의 각 위치에서 합성이 종결된 서로 다른 DNA 복사본을 만들게 된다.

 

원래 개발된 방법은 염기서열 젤에 있는 밴드의 뉴클레오타이드 서열을 하나씩 읽어야 하므로 매우 지루한 방법이지만 오늘날 이러한 과정은 완전히 자동화되었다. 로봇을 이용하여 4가지 서로 다른 형광염료로 표지한 사슬-종료 뉴클레오타이드와 필요한 시료를 용액에 섞어 반응시킨 후, 혼합물 시료를 길고 가는 모세관 젤에서 전기영동 한다. 그다음 감지기가 젤에서 이동하는 각 형광색의 밴드를 탐지하여 기록하고, 컴퓨터가 이 자료를 분석하여 뉴클레오타이드의 서열을 결정하는 것이다. 이렇게 자동화된 디데옥시 방법을 이용하여 인간과 많은 생물체의 유전체의 염기서열을 해독하였다. 

 

 

 

차세대 염기서열결정법을 이용하면 유전체의 염기서열결정을 빠르고 저렴하게 수행할 수 있다

 

 

뉴클레오타이드 서열을 결정하는 새로운 방법이나 지난 10년간 끊임없이 개발되어 유전체 염기서열을 결정하는 것이 매우 빠르고 저렴하게 되었다. DNA 염기서열 비용이 급격히 하락하면서 동시에 염기서열이 결정된 유전체의 수가 급속히 증가하였다. 이렇게 빠른 방법을 이용하여 몇 주 내에 여러 유전체의 염기서열을 동시에 결정할 수 있다. 이러한 소위 2세대 염기서열결정법(Second-generation sequencing method)에 의해 수천 명의 유전체를 비교하여 지구상의 많은 사람으로부터 뉴클레오타이드 서열의 변이를 조사하여 암이나 자폐증과 같은 여러 가지 질병의 위험도를 증가시키는 돌연변이를 파악할 수 있다. 

 

각각의 세부적인 방법은 조금씩 다르지만 라이브러리에 있는 DNA 절편의 염기서열을 결정한 후 이것을 모두 합치면 전체 유전체의 DNA 염기 서열을 결정할 수 있다. 박테리아 세포를 이용하여 이러한 라이브러리를 만드는 대신, 유리 슬라이드나 구슬과 같은 단단한 지지물에 고착된 수많은 무작위의 DNA 절편의 집합체를 PCR로 증폭하여 라이브러리를 만들수 있다. PCR로 증폭한 복제품은 용액 속에서 떠돌아다니는 대신 원래의 부모 DNA 절편 부근에 붙어 있다. 이러한 과정을 통하여 1,000개 정도의 복제품을 가진 각 DNA 절편의 집단을 만들고, 집단의 염기서열을 동시에 결정한다. 이런 실험을 수행하는 가장 보편적인 방법은 일루미나 염기서열결정법이다.  

 

다른 자동화된 디데옥시 염기서열결정법과 같이 일루미나 염기서열결정법은 독특한 색깔의 형광 표지를 붙인 사슬-종결 뉴클레오타이드를 사용한다. 일루미나 방법에서는 형광 표지와 연장을 저해하는 화학기를 제거할 수 있다. DNA 중합효소가 표지 된 사슬-종결 뉴클레오타이드를 첨가한 후 사진을 찍어 각 집단마다 첨가된 뉴클레오타이드를 파악한다. 그리고 표지 된 사슬-종결 뉴클레오타이드를 제거한 후 DNA 중합효소는 다음 뉴클레오타이드를 첨가한다.