[Quipu Issue Paper] Epigenomics Ⅱ - ChIP-seq

연재 순서

   1. Assembly
   2. Variation study
   3. Expression study
   4. Epigenomics
   5. Genome Annotation
   6. Next Generation Bioinformatics
   7. Data Management for web 2.0 Era
   8. Semantic Network for Integrated Biology Data
   9. Gene Network Discovery by Text-mining
  10. Centralization for High-throughput Data Analysis

이번주 연재에서는 Next Generation Sequencing의 세 번째 Application인 Epigenomics 중에 단백질에 binding된 DNA 서열을 분리하여 NGS 방식의 시퀀싱을 통해 binding site를 동정하는 방법인 CHIP-Seq 분석 방법에 대해 알아보겠습니다.

2-3-2. ChIP-seq


 CHIP(chromatin-immunoprecipitation)은 특정 유전체 영역에 binding 하는 히스톤이나 전사 인자(Transcription Factors, TFs)와 같이 특정 DNA서열에 binding 하는 단백질과 genomic fragments를 분리하기 위해 많이 응용 되어 왔다. 이 기술은 빠르게 발전하여 large-scale의 TF-DNA interactions 혹은 chromatin packaging (histone modification을 통한 genomic DNA와의 packaging) 연구에 중심 기술로 자리 잡았다. CHIP-Seq은 기존의 CHIP-chip에서 보여 지던 해상도의 한계와 chip에 올려 진 프로브에 대한 한계를 극복하는 방법으로 단백질에 binding된 DNA 서열을 분리하여 NGS 방식의 시퀀싱 통해 binding site를 동정하는 방법으로 발전하였다(그림 3). 그 결과 genome wide epigenetic study가 가능하게 되었다.

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그림 3. CHIP-Seq을 이용한 단백질 binding site 규명.
Genomic DNA와 특정 단백질의 binding 후 단백질 specific antibody를 이용하여 
분리한다. 이후 단백질을 제거하고 NGS 기술을 이용하여 시퀀싱 한다[5].

 CHIP-seq은 실험적으로 짧은 DNA 절편에 binding하는 특성 때문에 non-specific binding complex의 background 처리가 반드시 필요하다. 이를 해결하기 위해 실험적으로는 antibody 만을 사용한 대조군을 설정하여 비교하는 방법과, 통계학적으로는 주어진 단백질이 주어진 위치에 정확하게 binding 할 확률을 계산하도록 하는 것이다. 이때 genome 전체 서열(g)에 주어진 서열(t)이 정확하게 mapping될 확률은 t/g로 포아송 분포 (poisson distribution) 혹은 negative binomial distribution을 이용하여 추정하게 된다[3].
 이후 consensus binding sequence를 도출하게 되면 이를 데이터베이스로 하여 다른 종의 분석에 이용할 수 있게 된다. 이렇게 TF와 그에 관련된 정보로 전문화 하여 구축된 데이터베이스 중 거의 유일한 곳이 BIOBASETRANSFAC이다(그림4)[6].

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그림 4. TRANSFAC.
Transcription factor와 binding site 및 관련
pathway정보를 담고 있는 유일한 TF database.

 TRANSFAC은 genome내의 유전자 upstream 분석에 기초 자료를 제공하여 유전자 조절 메카니즘 분석에 필수적으로 이용되고 있다. 실험적으로 검증된 TF의 정보를 manual curation을 통해 고품질의 데이터를 쌓아가고 있으며, 그간 CHIP-chip 방식의 데이터로 밝혀지던 정보들이 CHIP-seq 방식의 데이터로 전환 되면서 더욱 빠르게 진행되고 있어 이를 이용한 BIOBASE의 데이터베이스 또한 더욱 빠르게 쌓여갈 것으로 예상된다. 뿐만 아니라 이미 human의 경우 모든 유전자의 upstream을 분석하여 binding 가능한 TF를 제공하고 있으며, 이를 이용한 pathway 분석에도 많은 데이터와 분석 프로그램을 제공하고 있다. 그중 TRANSPATH는 affymatrix data를 이용한 발현 분석 시 DEGs의 pathway를 분석하는데 해당 유전자의 upstream에 존재하는 TFs와 관련 pathway를 분석하여 세포내 전체적인 유전자의 기능을 살펴볼 수 있도록 하였다[6].

 이러한 CHIP-Seq은 다양한 플랫폼에서 분석이 가능한 가운데, CLC NGS Cell을 이용하여 assembly를 진행하게 되면 genbank 형식의 ‘.gbk' 파일을 reference로 사용하여 GUI 형태로 유전체 전체의 분포를 확인할 수 있어 데이터 해석의 용이함을 얻을 수 있다(1-2. Assemble 참조). 또한 비슷하게 Illumina의 Genome Analyzer의 경우 ChIP-seq 분석을 통해 얻어진 작은 서열들을 ELAND를 이용하여 유전체에 정렬하게 되고 그 결과는 UCSC genome browser를 통해 유전체 내의 위치와 분포를 확인할 수 있다(그림 5).

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그림 5. UCSC genome browser를 통한 TF binding site의 유전체 내 위치 확인.
붉은색으로 정렬된 바는 NGS로 시퀀싱 되어진 reads로
유전체와의 reference assemble를 통해 위치를 확인한다.[4]





다음 연재에서는 약 2주에 걸쳐 유전체 내의 유전자 위치와 기능을 해독하는 과정인 genome annotation에 대해 알아보겠습니다.
많은 관심 부탁드립니다.


참고문헌

 1. Horner DS, Pavesi G, Castrignanò T, De Meo PD, Liuni S, Sammeth M, Picardi E, Pesole G. (2009) Bioinformatics approaches for genomics and post genomics applications of next-generation sequencing. Brief Bioinform. [Epub ahead of print]
 2. Weber M, Schubeler D. (2007) Genomic patterns of DNA methylation: targets and function of an epigenetic mark. Curr Opin Cell Biol. 19, 273-80
 3. Roch 454 : Applications - Epigenetics
 (http://www.454.com/applications/ChIP-seq-methylation-epigenetics.asp)
 4. Illumina : Applications - Gene Regulation and Epigenetic Analysis
 (http://www.illumina.com/applications.ilmn#dna_protein_interaction_analysis_chip_seq)
 5. Appied Biosystems : Applications & Technologies - The SOLiD System
 (http://www3.appliedbiosystems.com/AB_Home/applicationstechnologies/SOLiD-System-Sequencing-A/index.htm)
 6. Kel, A., Voss, N., Jauregui, R., Kel-Margoulis, O. and Wingender, E. (2006) Beyond microarrays: Find key transcription factors controlling signal transduction pathways BMC Bioinformatics. 7, S13



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2010/03/12 08:18 2010/03/12 08:18

NGS 분석전략 세미나 개최 후기

 지난 2월 5일, 저희 (주)인실리코젠의 Codes팀은 "Practical bioinformatics pipeline for NGS data"라는 주제로 세미나를 개최하였습니다.

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이번 교육은 당사에서 발간한 Quipu Issue Paper 2호의 "NGS 시대의 분석전략 2"을 중심으로 최근 가장 이슈가 되고 있는 NGS 데이터의 assembly, 그리고 그 이후에 진행할 수 있는 다양한 분석들에 대한 내용들을 크게 3가지 세션으로 나누어 구성하였습니다. 또한 생물정보 분야의 중심 역할을 하고 있는 한국생명공학연구원 국가생물자원정보관리센터(KOBIC)의 많은 연구원분들을 대상으로 진행되었습니다.

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NGS 데이터의 assembly는 유전체 분석에 있어서 데이터 플랫폼의 종류와 어떤 어셈블러를 사용하느냐에 따른 분석 전략 및 파이프라인은 꼭 필요할 것이라 생각합니다. 이에 첫 번째 세션De novo assemblyReference assembly에 사용되고 있는 여러 가지 어셈블러들의 종류, 장단점 비교, 실제 데이터 벤치마킹 결과 등에 대한 내용으로 준비하였고, 발표 중간중간 관련 사항에 대한 질문과 열띤 토론으로 참석하신 연구원분들의 많은 관심을 받았습니다.

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두번째 세션 SNP 분석 방법 및 최근 capture array 분석의 실제 연구사례, 관련 솔루션 등을 소개한 variation 분석 파트와 EST 데이터를 이용한 functional annotation, Organism-specific 분석, Ortholog/Paralog 유전자 분석방법 등에 대한 expression 분석 파트로 구분되어 진행되었으며 마지막 세션은 NGS와 생물정보 파이프라인을 이용한 Genome annotation에 대한 내용으로 현재 NGS 염기서열 결정 이후 문제점 및 이슈를 분석하고 효율적인 전략들을 소개하였습니다. 또한 structural annotation과 functional annotation의 분석 방법 및 실제 Codes팀의 분석 컨설팅 파이프라인 관련하여도 설명 드릴 수 있는 좋은시간이 되었습니다.

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이렇게 바쁜 와중에도 하루의 일정을 직접 방문하여 소화해주신 KOBIC 연구원분들께 감사의 인사를 드리며, 진행된 교육으로 인해서 NGS 데이터를 분석하고 연구하시는데 조금이나마 도움이 되었으면 하는 바램입니다. 또한 "NGS시대의 분석전략 3"의 발간도 부탁하실 정도로 기술소식지와 세미나에 큰 관심을 보여주셔서 더욱 뜻 깊은 시간이었고, 앞으로도 이러한 교육의 자리를 많이 준비하도록 노력하겠습니다.

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책자로 발간되었지만, 이번 세미나 내용을 포함한 NGS시대의 분석전략은 더욱 많은 연구자분들께 유익한 정보를 제공해 드리고자 블로그 연재도 계속 진행중입니다. 이와 관련한 자세한 문의사항은 저희 (주)인실리코젠의 Codes팀에게 연락 부탁드립니다.

(Tel: 031-278-0061, E-mail: codes@insilicogen.com)



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2010/02/25 17:37 2010/02/25 17:37

연재 순서

   1. Assembly
   2. Variation study
   3. Expression study
   4. Epigenomics
   5. Genome Annotation
   6. Next Generation Bioinformatics
   7. Data Management for web 2.0 Era
   8. Semantic Network for Integrated Biology Data
   9. Gene Network Discovery by Text-mining
  10. Centralization for High-throughput Data Analysis


이번 연재에서는 Next Generation Sequencing의 첫 번째 Application인 Variation study 중에 CNV (Copy Number Variation) 분석법에 대해 알아보도록 하겠습니다.

 2-1-2. CNV (Copy Number Variation) Analysis                                    


 SNP가 유전적 다형성의 대명사로 여겨졌지만 이외에도 정상 표현형인 인간의 유전체에 유전자 복제 수(copy number) 변이가 존재하여 유전적 다양성에 기여하고, 암 또는 많은 질병 감수성과도 연관될 가능성이 높다는 연구 결과가 보고되면서 유전체의 구조적 변이에 대한 관심이 대두되었다. CNV(Copy Number Variants)는 reference 유전체와 비교해서 copy number의 차이를 보이는 1kb 이상의 DNA 조각으로 정의하며, 평균 크기는 29kb에서 523kb 정도로 예상된다고 한다.

현재 전체 유전체에서 CNV를 발굴하는 방식 중 가장 흔히 사용되는 방식은 CGH (comparative genomic hybridization)의 원리에 DNA 칩의 기술을 접목시킨 array-CGH이다. 마이크로어레이 기반 CGH 실험 분석 목적은 모든 유전체 안에서 각각의 유전자 조각들이 반복 횟수 변화를 보이는 부분을 선별해 내거나 반복 횟수의 양적 변화를 찾는 것이다. 이렇게 마이크로어레이 플랫폼을 이용해 발굴된 CNV는 분석에 이용된 플랫폼 의존 특성을 가지게 되어 최종 데이터의 질적인 측면과 연관되어 분석 결과의 치우침 문제를 유발할 수 있다. 또한 hybridization 효율이 프로브 마다 다양하고, 실제 copy number의 프로브 서열이 아닐 가능성도 고려해야 하는 한계에 봉착하였다. 이에 이를 극복할 만한 대안이 필요한 상황에서 NGS 기술의 보급은 CNV 발굴의 차세대 플랫폼으로 등장하였다. 앞서 언급된 NGS 기술을 통한 SNP 분석과 마찬가지로 유전체 서열과 다양한 fragment size의 paired-end reads를 assembly 함으로써 시퀀싱 coverage를 이용한 잠재적인 CNV를 분석할 수 있다(그림 4).

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그림 4. aCGH와 CNV-seq 방법의 분석 과정 비교


그러나 SNP와 같이 하나의 염기서열 차이로 변이를 확인하는 것이 아니기 때문에 assembly 분석 시 시퀀싱 오류로 인하여 다른 부분에 정렬되어 잘못된 variation을 검출하게 되는 가능성도 배제할 수는 없다. 따라서 최근 Robust 통계 모델을 기본으로 하면서 aCGH와 NGS 기술의 이점들만 조합하여 효율적인 CNV 분석에 대한 논문이 발표되었고 이러한 방법을 이용하여 두 개체(Dr. J. Craig Venter와 Dr. James Watson) 사이의 CNV를 분석한 평가 결과도 함께 확인할 수 있어 이 후 aCGH와 NGS 기술을 접목한 CNV 분석 방법이 충분히 발전할 것으로 생각된다[4]. 이렇게 진행한 연구 방법과 결과들은 웹사이트를 통하여 무료로 이용할 수 있다(http://tiger.dbs.nus.edu.sg/CNV-seq).

다음 연재에서는 전체 유전체의  염기서열 분석이 아닌 관심있는 특정 유전체의 일부분을 분석하는 방법인 Sequence Capture 기술에 대해 알아보도록 하겠습니다.
많은 관심 부탁드립니다.




참고문헌

 1. 이종극 (2006) 질병유전체분석법(Genetic Variation and Diseases)
 2. Eck SH, Benet-Pagès A, Flisikowski K, Meitinger T, Fries R, Strom TM. (2009) Whole genome sequencing of a single Bos taurus animal for single nucleotide polymorphism discovery. Genome Biol. 10(8), R82.
 3. Ganal MW, Altmann T, Röder MS. (2009) SNP identification in crop plants. Curr Opin Plant Biol. 2, 211-217
 4. Xie C, Tammi MT. (2009) CNV-seq, a new method to detect copy number variation using high-throughput sequencing. BMC Bioinformatics. 10, 80
 5. Illumina : SNP Genotyping and CNV Analysis
  (http://www.illumina.com/documents/products/datasheets/datasheet_genomic_sequence.pdf)
 6. Bentley DR. et al. (2008) Accurate whole human genome sequencing using reversible terminator chemistry. Nature. 2008 456, 53-59
 7. Ng SB. et al. (2009) Targeted capture and massively parallel sequencing of 12 human exomes. Nature. 461, 272-276
 8. Koboldt DC, Miller RD, Kwok PY. (2006) Distribution of human SNPs and its effect on high-throughput genotyping. Hum Mutat. 3, 249-254.
 9. 박종화 (2009) 변이체학을 위한 생정보학 분석도구. Medical POSTGRADUATES. 3(37), 131-133
 10. 유향숙, 김선영 (2009) Variome 국제연구동향. Medical POSTGRADUATES. 3(37), 134-137
 11. 임선희, 정연준. (2009) 새로운 유전체 변이의 등장 : 유전자 복제수 변이. Medical POSTGRADUATES. 3(37), 149-153

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2010/02/18 09:17 2010/02/18 09:17
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[Quipu Issue Paper] Variation study Ⅰ

연재 순서

   1. Assembly
   2. Variation study
   3. Expression study
   4. Epigenomics
   5. Genome Annotation
   6. Next Generation Bioinformatics
   7. Data Management for web 2.0 Era
   8. Semantic Network for Integrated Biology Data
   9. Gene Network Discovery by Text-mining
  10. Centralization for High-throughput Data Analysis

이번 주 Quipu Issue Paper 기술 소식지에서는 Next Generation Sequencing의 첫 번째 Application인 Variation study에 대해 5번에 걸쳐 연재될 예정입니다.  다양한 variation study에 대한 소개에 앞서 오늘은 NGS reads를 이용한 assembly에 기반을 둔 variation 분석은 어떻게 이루어지는지 알아보도록 하겠습니다.  

2. Application of Next Generation Sequencing


 2-1. Variation Study


 Next Generation Sequencing 기술은 이제 유전체 연구의 밑바탕이 되고 있다. 수백 Mega base에서 Giga base에 이르기까지 엄청난 양의 염기서열 분석을 수행해내면서 전체 염기서열 결정 및 re-sequencing을 통해 유전체 상의 여러 가지 변이 연구를 활발히 하게 하였다. 이는 시간과 가격적으로 효과적인 마커를 개발할 수 있을 뿐만 아니라 개인 맞춤 의학에 빠르게 다가갈 수 있도록 하고 있다. NGS를 이용한 variation 연구는 대부분 양쪽 말단 서열을 동시에 해독하는 방법인 paired-end 시퀀싱을 사용하고, 평균 시퀀스 배수를 유전체의 20~40X로 시퀀싱을 진행하여 reference 서열에 정확한 맵핑과 정렬을 통해 비교하는 것이 보통이다. 이 후 분석된 막대한 양의 정보들 가운데 의미 있는 SNP나 CNV 분석을 위한 이차적 분석에 전문적 수준의 생물정보학적 도구가 필수적으로 이용되고 있다.

 NGS reads를 이용한 variation 분석은 기본적으로 assembly에 기반을 둔다. 특정 원하는 영역의 서열만을 골라 시퀀싱 하는 amplicon 시퀀싱 방법과 유전체 서열 전체를 대상으로 시퀀싱하는 두 가지 방법 모두 일차적으로 assembly를 수행하고 이후 서열간의 비교 분석을 통해 variation 분석을 진행한다. 따라서 대부분의 assembler는 assembly 뿐만 아니라 이후 SNP와 같은 variation 분석이 가능하도록 추가 기능을 제공하고 있다. 그러나 서열 하나 정도의 variation이 아닌 넓은 범위에 걸쳐 발생하는 variation은 single reads 혹은 짧은 fragment의 paired-end 시퀀싱으로는 한계가 있다. 이를 극복하기 위해 분석 목적에 따라
시퀀싱 타입을 다양하게 디자인하고 있다.

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그림 1. NGS reads를 alignment를 이용한 genome 서열 내의 variation 탐색.
다양한 fragment size 설정으로 SNP, CNV 및 구조적 variation 탐색이 가능하다.

 일반적으로, variation 분석에는 fragment size를 다양하게 구성한 paired end 시퀀싱을 추천한다. SNP 뿐만 아니라 CNV와 같은 넓은 지역에서의 variation과 구조적 변화까지 분석하기에는 길이에 제한이 있는 single reads 보다는 다양한 길이로 구성된 paired reads를 이용하여 기준이 되는 reference 서열에 모두 alignment가 수행될 수 있도록 하는 것이 효율적이기 때문이다. 그림 1에서 보여 지는 것과 같이 reference 서열과 비교했을 때 1.5kb의 insertion이 존재하는 경우 500bp fragment의 paired-end 서열은 한쪽만 alignment 되고 다른 한쪽은 alignment가 수행되지 않을 것이다. 그러나 2kb fragment paired-end 서열의 경우  양쪽 서열이 모두 reference 서열에 alignment 되면서 1.5kb의 insertion이 일어났음을 인지할 수 있게 된다. 또한 양쪽 서열의 alignment 방향을 체크하여 inversion이 일어났는지도 확인이 가능하다[7]. 표 1에서는 분석 목적에 따른 최적화된 NGS reads 타입을 소개하고 있다[5]. 현재 paired-end의 fragment size는 200bp에서 5kb 까지 가능한 수준이다. 그 중 2-5 kb의 long fragments의 시퀀싱은 fragment 양 끝 말단을 ligation 하여 circular 형태로 만들고 이후 다시 circular 형태의 서열을 400-600bp 길이로 절편을 만들어 그중 양쪽 끝 말단의 서열을 포함하고 있는 fragment만을 선별하여 시퀀싱을 수행한다[5]. 이러한 방법은 긴 서열 중 필요한 양쪽 끝 말단만을 추출하여 시퀀싱의 샘플로 이용하는 것으로 ‘mate paired ends’라 하며, 시퀀싱의 품질을 높이는 하나의 방법이 된다.

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결론적으로, ‘1-2. Assembly’ 에서도 언급 하였듯이 variation을 목적으로 분석하는 경우에는 분석하려는 서열들 간의 차이를 인지하고 이를 반영한 assembly가 수행되어야 한다. 따라서 reference assembly 수행에서도 reference 서열과 시퀀싱 된 reads간의 차이는 SNP와 같은 서열하나일 수도 있고 CNV나 구조적 변형 같은 넓은 범위의 variation도 있기 때문에 표 1에서 언급한데로 다양한 길이의 fragment size로 분석하는 것이 언급된 모든 variation을 분석하기에는 가장 적합하다[5].

다음 연재에서는 다양한 variation study 중에 SNP(Single Nucleotide Polymorphism) 분석법에 대해 알아보도록 하겠습니다.

많은 관심 부탁드립니다.

참고문헌

 1. 이종극 (2006) 질병유전체분석법(Genetic Variation and Diseases)
 2. Eck SH, Benet-Pagès A, Flisikowski K, Meitinger T, Fries R, Strom TM. (2009) Whole genome sequencing of a single Bos taurus animal for single nucleotide polymorphism discovery. Genome Biol. 10(8), R82.
 3. Ganal MW, Altmann T, Röder MS. (2009) SNP identification in crop plants. Curr Opin Plant Biol. 2, 211-217
 4. Xie C, Tammi MT. (2009) CNV-seq, a new method to detect copy number variation using high-throughput sequencing. BMC Bioinformatics. 10, 80
 5. Illumina : SNP Genotyping and CNV Analysis
  (http://www.illumina.com/documents/products/datasheets/datasheet_genomic_sequence.pdf)
 6. Bentley DR. et al. (2008) Accurate whole human genome sequencing using reversible terminator chemistry. Nature. 2008 456, 53-59
 7. Ng SB. et al. (2009) Targeted capture and massively parallel sequencing of 12 human exomes. Nature. 461, 272-276
 8. Koboldt DC, Miller RD, Kwok PY. (2006) Distribution of human SNPs and its effect on high-throughput genotyping. Hum Mutat. 3, 249-254.
 9. 박종화 (2009) 변이체학을 위한 생정보학 분석도구. Medical POSTGRADUATES. 3(37), 131-133
 10. 유향숙, 김선영 (2009) Variome 국제연구동향. Medical POSTGRADUATES. 3(37), 134-137
 11. 임선희, 정연준. (2009) 새로운 유전체 변이의 등장 : 유전자 복제수 변이. Medical POSTGRADUATES. 3(37), 149-153














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2010/02/16 14:19 2010/02/16 14:19
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  1. Assembly
   2. Variation study
   3. Expression study
   4. Epigenomics
   5. Genome Annotation
   6. Next Generation Bioinformatics
   7. Data Management for web 2.0 Era
   8. Semantic Network for Integrated Biology Data
   9. Gene Network Discovery by Text-mining
  10. Centralization for High-throughput Data Analysis

Quipu Issue Paper 기술 소식지 첫 번째 연재로 NGS Assembly 중에 Reference assenbly에 대해 알아보도록 하겟습니다.

1. Next Generation Sequencing?



 1-2. Assembly


 Next Generation Sequencing(NGS)으로 인한 무제한적인 서열 데이터 생산은 이후 생물정보학적 분석의 가장 큰 도전 과제가 되었다. 일차적으로 많은 양의 데이터 관리부터 분석과정 마다의 computing 속도가 문제로 제기 되었다. 그중 가장 첫 번째 단계가assembly이다. NGS 서열의 assembly는 그 목적에 따라 크게 reference assembly와 de novo assembly로 구분 지어진다. Reference assembly의 경우 variation 및 epigenetics 연구에 주로 이용되고 de novo assembly의 경우 기존의 genome project에서 진행하던 whole genome sequencing에 이용되고 있다. 세부적인 내용을 다음에서 알아보자.


  1-2-1. Reference assembly


 Re-sequencing을 통한 기존의 reference 서열과의 비교로 유전체 상의 variation 연구를 목적으로 진행하는 시퀀싱은 주로 single reads를 얻는 시퀀싱 보다는 paired-end 시퀀싱이 수행된다. 그 이유는 다양한 질병 관련 유전자의 SNP 및 CNV 분석을 위해서는 single reads 보다는 paired-end reads가 더 유용하기 때문이며, 이들 데이터는 앞서 언급한 다양한 플랫폼에서 생산되고 있다. 이렇게 생산된 NGS 데이터를 분석할 수 있는 프로그램은 오픈 소스로 제공 되는 것과 그렇지 않은 것들로 여러 개가 존재한다. 그 중 오픈 소스로 제공하는 SOAP[1], MAQ[2] 그리고 ZOOM[3]은 paired-end short read에 최적화 되어 있고, Newbler는 long reads인 454 reads에 최적화 되어 있다. 이렇게 대부분 특정 NGS 플랫폼에서 생산된 데이터만을 다룰 수 있도록 고정화되어 있는 것에 반해 CLC bio사의 CLC NGS Cell[4]은 언급된 모든 플랫폼의 데이터를 분석할 수 있는 장점이 있다[14]. 이들 프로그램에 대하여 좀 더 자세히 알아보자.

 NGS assembly 프로그램을 평가하는데 있어 가장 큰 이슈는 분석 속도와 결과의 정확성, 그리고 그 외 분석의 용이성을 들 수 있다. 이들에 대한 비교 분석을 위해 표 1에서 보여 지는 paired-end의 short reads을 대상으로 여러 가지 분석을 수행하였다. 이러한 분석은 64-bit Xeon E5420 CPUs에 32 GB memory system에서 수행되었다[1].

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첫 번째인 분석 속도에서는 CLC NGS Cell이 가장 빠른 것으로 평가 되었다(표 2)[5].
SIMD 기술을 이용한 병렬 데이터 처리로 속도 면에서 월등히 높은 성능을 나타내었다. 그 외 SOAP의 경우 reference 서열을 2-bit로 전환하여 index 파일을 이용한 연산 처리로 좋은 결과를 보이고 있다(2009.11 현재 SOAP의 경우 업그레이드를 통해 분석 속도가 많이 향상 되었다).

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  특히, Maq의 경우 Illumina와 SOLiD의 paired-end reads를 대상으로 human 유전체에 맵핑할 경우 CPU time으로 10 시간 동안 백만 개 paired-end reads를 assembly 할 수 있다고 밝혔다[2]. 같은 시험을 위해 자체적으로 SOLiD reads를 대상으로 CLC NGS Cell을 이용하여 분석했을 때 CPU time으로 5시간 28분에 분석이 완료됨을 확인하였다.  두 번째로 NGS read의 alignment 비율 및 정확성을 살펴보았다. 최근 논문 PLoS ONE에 기재된 ‘Mapping Accuracy of Short Reads from Massively Parallel Sequencing and the Implications for Quantitative expression Profiling’에서는 BLAT[15], SSAHA2[16], Bowtie[17], SeqMap[18], MAQ, CLC NGS Cell을 대상으로 다양한 종의 데이터로 프로그램의 정확성을 다각도로 분석한 결과를 발표 하였다[6]. 그 결과 그림 1에서 보여 지는 것과 같이 SSAHA2와 CLC NGS Cell이 높게 평가되었다. 이 중 SSAHA2는 Sanger institute에서 개발된 프로그램으로 현재 SOLiD data를 제외한 모든 플랫폼의 데이터를 분석할 수 있다[7]. 기본적으로 Smith-Waterman alignment를 수행하며 2-bit로 전환하여 정확한 assembly를 수행한다. 그 다음 CLC NGS Cell은 모든 플랫폼의 데이터를 처리함과 동시에 SSAHA2와 같이 안정적으로 reads 길이에 관계없이 정확한 assembly를 수행하고 있다. 또한 특이할만한 점은 yeast, drosophila, arabidopsis 그리고 human을 대상으로 한 다양한 데이터로 short reads와 long reads(>50bp)에 대한 프로그램 성능을 비교 하였음에도 불구하고(MAQ: short read만이 분석 가능), 프로그램별로 일관성 있는 결과를 보여주고 있다는 것이다. 각기 다른 종과 read 길이로 약간의 차이는 보이나 전반적으로 동일한 분석 패턴을 보이고 있어, 이는 곧 데이터의 특성보다는 프로그램별 알고리즘의 차이가 분석 결과에 더 많은 영향을 미치는 것으로 해석된다. 따라서 NGS를 이용한 분석에서 다양한 프로그램을 이용하여 분석 파이프라인을 구축하는 것 보다는 사전에 충분한 테스트를 통해 동일한 알고리즘으로 구성된 프로그램을 이용하는 것이 결과의 안정성과 정확성을 높일 수 있는 하나의 방법이 될 수 있겠다.      

NGS를 이용한 연구에서 특히 re-sequencing을 하는 경우 대부분 유전체 상의 variation 연구를 목적으로 진행된다. 따라서 re-sequencing된 데이터는 기존의 reference 서열과는 다른 variation을 가지는 특성이 있으므로 이를 고려한 assembly 알고리즘이 필요하다.


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그림 1. 프로그램별 다양한 데이터 셑으로 구성된 reference assembly 시험 결과. 회색바는 alignment 된 비율, 붉은색바는 부정확한 alignment를 각각 나타낸다

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그림 2. Reads의 다양한 mutation 비율에 따른 mapping의 정확성 시험. Drosophila genome과 transcripts를 reference로 하여 reads의 mutation 비율을 각각 3%, 6%, 9%로 조정하여 mappping을 수행. 회색바는 alignment된 reads의 비율을 의미하며 붉은색 바는 부정확하게 alignment된 비율을 나타낸다.

그림 2에서는 각 프로그램별 variation을 고려한 assembly 결과를 보여주고 있다[6]. Drosophila의 transcripts와 유전체 서열을 각각 reference로 하고 mutation 비율이 각기 다른 NGS reads를 맵핑하여 프로그램의 정확성을 확인 하였다. 이도 역시 CLC NGS Cell과 SSAHA2가 가장 우수한 결과를 보이고 있다. 그러나 CLC NGS Cell의 경우 mutation 비율에 상관없이 안정적인 정확성을 보이고 있는 반면, SSAHA2는 mutation 비율이 커짐에 따라 정확성이 떨어지는 문제점을 들어내고 있다. 따라서 SSAHA2를 이용할 경우 사전에 데이터의 특성을 미리 파악하여 적절히 이용하는 것이 좋을 듯하다.

마지막으로 분석의 용이성을 여러 가지 측면으로 살펴보았다. NGS 분석을 목적으로 개발된 MAQ, SOAP, 그리고 CLC NGS Cell은 모두 웹에서 다운로드가 가능하다. 이 중 CLC NGS Cell은 압축만 해제하면 바로 실행할 수 있는 바이너리 파일을 제공하고 있고, SOAP과 MAQ은 각각 압축 해제 후 compile을 통해 쉽게 설치가 가능하다.

이 후 분석에 필요한 입력 데이터 형식은 CLC NGS Cell이 가장 호환성이 좋아 FASTA, FASTQ, csfasta(SOLiD), Scarf, Sff의 모든 형식의 파일을 입력 받을 수 있었으며 SOAP과 MAQ은 각각 프로그램에 맞는 형식이 따로 존재하여, 이들 형식으로 전환할 수 있는 프로그램을 따로 제공하고 있는 실정이다. 이때 paired-end reads의 경우 분석 결과의 신뢰성과 정확성을 높이기 위해 assembly 수행 전에 서열이 쌍으로 존재하는지 여부를 체크하게 되는데, 이를 점검할 수 있는 프로그램을 CLC NGS Cell과 MAQ은 제공하고 있다. 이는 분석자에게 NGS reads의 전처리 과정을 수월하게 진행할 수 있게 하는 편의성도 고려된 것이다.

Reference 서열 또한 CLC NGS Cell은 FASTA 형식과 genbank 형식의 파일을 바로 입력 받을 수 있는 장점을 가지고 있으며, 나머지 프로그램은 각각의 형식으로 전환할 프로그램을 제공하여 한 번의 분석 단계를 더 수행하도록 되어있다. 그 외 분석에 필요한 옵션사항은 약간의 차이를 보일뿐 큰 차이는 없었으나, 다음 분석을 위한 assembly 결과 파일의 데이터 호환성에서는 CLC NGS Cell과 MAQ이 SOAP보다는 우위를 나타내었다. 마지막으로 NGS 분석 프로그램에서 중요하게 체크해야 할 사항 중에 하나는 assembly 과정을 나눠 진행하고 이후에 결과를 하나로 합쳐 볼 수 있는 기능이 있는지를 살펴보는 것이다.

제한된 computing power로 이처럼 큰 사이즈의 유전체 서열과 NGS reads를 분석해야 하므로 한 번에 데이터를 분석 한다는 것은 매우 어려운 일이다. 따라서 가능한 분산 처리로 데이터를 나눠 분석하고 이들을 통합할 수 있는 기능이 있어야만 한다. 다행히 이러한 기능은 CLC NGS Cell(join_assemblies)과 MAQ(mapmerge)에서 제공을 하고 있었다. 이들 각각의 특징은 표 3에서 자세히 확인할 수 있다.

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다음 연재에서는 Reference assembly에 이어서 NGS Assembly 중에 de novo assembly에 대해 알아보도록 하겠습니다. 많은 관심 부탁드립니다.


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Posted by 人Co

2010/02/09 11:17 2010/02/09 11:17