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 서로 다른 종간의 상응하는 유전자 조합 및 구성을 분석하여 진화론적인 유연관계를 밝히는 비교유전체 분석에  대해 알아보겠습니다.

B. 비교유전체 분석

 서로 다른 종간의 상응하는 유전자 조합 및 구성을 분석하여 진화론적인 유연관계를 밝히는 비교유전체 분석의 가장 기본적인 분석은 ortholog 분석이다. Ortholog란 한 개체가 진화되어 여러 종으로 분화되었을 때, 유전자의 기능이 그대로 보존되어 서로 유사한 기능을 수행하는 것을 의미한다. 미생물의 경우 단순 ortholog 분석에서 확장되어 오페론 단위의 유전자 그룹을 유전체 상의 위치 정보와 함께 분석하는 Positional linkage 방법이 매우 정확하게 분석되고 있다(그림 10).

그림 10. Positional linkage. 미생물의 경우 보통 operon상에서 유사한 기능을 수행하는 단백질들끼리 서로 이웃하여 존재하므로 이를 positional linkage를 통해 정보를 확인한다.

 진화론적인 연관관계 분석 시 이웃하고 있는 유전자의 배열과 조성을 통해 종간 변이 단계를 분석하게 된다. 좀 더 나아가 특정 ortholog 그룹의 유전자들의 존재 유무를 다수의 종에서 분석하여 프로파일링을 수행하고 그 프로파일을 이용하여 유연관계를 밝히는 phylogenetic 프로파일링 기법도 최근 매우 정확히 유전자의 기능을 예측하는 알고리즘으로 알려지고 있다. 비슷한 단백질 프로파일을 갖는 것은 비슷한 기능을 갖는다는 의미를 보여주기 때문에 유전자 기능 분석 시 이용되고 있다(그림 11).

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  10. Centralization for High-throughput Data Analysis

이번 연재에서는 유전자의 기능을 분석하는 Functional annotation 중에 먼저 상동성 기반의 Annotation에  대해 알아보겠습니다.

2-4-2. Functional annotation

 A. 상동성(homology) 기반의 Annotation

 유전체 서열에서 유전자의 위치와 구조 정보를 파악하여 유전자의 서열을 분석한 뒤 그 서열 정보를 통해 유전자의 기능을 유추 한다. 가장 보편적으로 유전자의 기능을 분석하는 방법이 상동성 기반의 분석이다. 다만, 상동성 분석에 기반한 유전자 기능 유추 시 사용되는 데이터베이스에 따라 노이즈 발생률이 차이가 나므로 데이터베이스 구축에 많은 노력을 기우려야 한다. 분석하려고 하는 종과 동일한 종의 단백질 서열을 1차 데이터베이스로 구축하고 다음으로 유연  관계가 가까운 종을 대상으로 2차 데이터베이스를 만드는 피라미드 형태의 데이터베이스 구축이 필요하다. 또한 각 데이터베이스에 맞는 상동성 경계 값(cutoff) 조정이 필요하다. 단백질 수준에서의 상동성은 보통 높게는 1e-200에서 낮게는 1e-4 까지 적절한 수준으로 조정을 하게 된다. 그러나 DAN 수준에서의 상동성은 아무리 높은 e-value 경계 값이라도 신뢰할만한 정보가 되지 않는다고 말한다. 따라서 e-value 뿐만 아니라 identity, HSP coverage 등이 상동성 레벨을 정하는 기준이 되기도 한다.

 분석에 이용되는 데이터베이스는 그 특성에 따라 약간의 차이가 있다(표 1). 단백질의 기능 규명을 위해 단백질의 1차 구조인 서열 정보부터 2차 구조정보인 도메인 정보, 3차 구조정보에 해당하는 PDB 정보 등 다양한 데이터베이스가 이용된다. 뿐만 아니라 세포내 위치 정보를 통해 기능을 유추하기도 하므로 세포내 위치 정보까지 가능한 모든 정보를 분석할 수 있는  흡사 유전자 기능 백화점과 같은 유전자 기능에 대한 정보 분석이 요구된다. 이러한 통합적인 유전자 기능 분석을 수행하기 위해서는 다양한 알고리즘과 데이터베이스, 분석 프로그램들의 유기적인 네트워크가 구축되어야 하며, 수많은 데이터의 입출력이 이루어지므로 데이터의 효율적인 관리를 위한 시스템도 연계되어야 되므로 상당히 복잡한 대규모 분석 시스템이 요구된다. BioMax사에서는 초기 인간 유전체 기능 분석부터 수백 종의 미생물, 다양한 척추동물, 식물 등의 기능 분석을 수행한 Pedant-Pro(http://www.biomax.com/products/pedantpro.php)라는 유전체 구조, 기능 분석 자동화 시스템을 서비스하고 있다.


Pedant-Pro에서는 크게 세 가지 카테고리로 구성된 데이터베이스를 통해 단백질의 기능을 규명하고 있다. 첫 번째, 단백질의 1차 구조인 서열정보를 이용한 분석으로 GO, MetaCat, FunCat, EC, COGs 데이터베이스를 활용한다(표 2).

단백질의 기능 분석은 DAG 구조를 이용한 계층화 방법으로 다중 기능을 수행하는 단백질의 특성에 맞게 GO와 FunCat을 이용하고 있으며, 그 중 MetaCat은 metabolization 분석에 이용되며 EC는 단백질의 enzymatic function에 각각 초점을 두어 이차적인 세포내 대사회로 분석의 기초자료를 제공하고 있다. COGs는 종간의 ortholog 그룹 정보를 데이터베이스로 구축한 것으로 유사 기능을 갖는 단백질들을 그룹화하여 기능을 유추하는데 도움을 주고 있다. 두 번째로는 단백질의 이차구조정보를 이용한 분석이다. 단백질의 hydrophobicity에 기반을 둔 transmembrane helice 및 site prediction을 수행하는 HMMTOP, TMHMM 그리고 단백질의 signal peptides 및 cleavage site를 예측하는 SignalP 분석이 이에 해당된다.

Pedant-Pro의 유전자 구조, 기능 분석 리포트는 웹으로 확인할 수 있으며, 윈도우 방식의 디렉토리/폴더 구조로 각 분석 결과들이 구성되어 있으므로, 연구자가 쉽게 다양한 정보를 습득할 수 있다. 분석 결과 리포트는 다양한 공개 데이터베이스와의 연계 정보와 단백질의 도메인 정보, FunCat과 같은 기능 분류 정보등과 같은 다양한 특징적인 정보들을 볼 수 있다. 또한 단백질의 1차, 2차, 3차 구조에 대한 정보와 단백질의 Paralog 클러스터 정보 등을 확인할 수 있다.

 단백질의 서열 정보에 기반하여 얻어진 단백질 내의 도메인 정보는 프로파일 과정을 통해 서로 비슷한 도메인 프로파일을 갖는 단백질들 간의 클러스터 분석에 이용된다. 단순 서열 상동성에서 벗어나 좀 더 구체화된 기능을 중심으로 유전자의 기능을 유추하는 방법을 Pedant-Pro에서 제시하고 있다(그림 9). 유사한 방법으로 synteny 구조를 이용한 ortholog 분석이 있다.  유연관계가 가까운 종과의 synteny 분석을 이용해 유전자의 기능 뿐 아니라 염색체 내의 물리적 위치정보까지 이용하여 유전자의 기능을 규명하게 된다. 이들 방법들은 종간 ortholog 분석에 기초한 비교유전체 분야에 주로 이용되며 그 자세한 내용은 다음에서 다루도록 한다.


참고문헌

 1. Lowe, T.M. and Eddy, S.R. (1997) tRNAscan-SE: a program for improved detection of transfer RNA genes in genomic sequence. Nucleic Acids Res. 25, 955-964.
 2. Lewis SE, et al. (2002). Apollo: a sequence annotation editor. Genome Biology. 12, research0082
 3. Noh SJ, Lee K, Paik H, Hur CG. (2006) TISA: tissue-specific alternative splicing in human and mouse genes. DNA Res. 13, 229-243
 4. Stanke M, Schoffmann O, Morgenstern B, Waack S. (2006) Gene prediction in eukaryotes with a generalized hidden Markov model that uses hints from external  
 sources. BMC Bioinformatics. 7, 62. 
 5. Burge, C. and Karlin, S. (1997) Prediction of complete gene structures in human genomic DNA.  J. Mol. Biol.   268,  78-94.
 6. Salamov AA, Solovyev VV. (2000) Ab initio gene finding in Drosophila genomic DNA. Genome Res. 10, 516–522.
 7. Majoros, W.H., Pertea, M., and Salzberg, S.L. TigrScan and GlimmerHMM: two open-source ab initio eukaryotic gene-finders Bioinformatics 20, 2878-2879.
 8. G. Parra, E. Blanco, and R. Guigó, (2000) Geneid in Drosophila Genome Research 4, 511-515.
 9. Haas BJ, Salzberg SL, Zhu W, Pertea M, Allen JE, Orvis J, White O, Buell CR, Wortman JR. (2008) Automated eukaryotic gene structure annotation using  
 EVidenceModeler and the Program to Assemble Spliced Alignments. Genome Biology 9, R7
 10. Korf I. (2004) Gene finding in novel genomes. BMC Bioinformatics. 5, 59.
 11. Kan, Z., Rouchka, E.C., Gish, W., and States, D. 2001, Gene structure prediction and AS analysis using genomically aligned ESTs, Genome Res. 11, 889–900.
 12. Eyras, E., Caccamo, M., Curwen, V., and Clamp, M. 2004, ESTGenes: AS from ESTs in Ensembl, Genome Res. 14, 976–987.
 13. Kent, W.J. 2002, BLAT-The BLAST-Like Alignment Tool, Genome Res. 12, 565–664.
 14. Florea, L., Hartzell, G., Zhang, Z., Rubin, G.M., Miller, W. 1998, Computer program for aligning a cDNA sequence with a genomic DNA sequence, Genome Res. 8,
 967–974.
 15. Huang X, Adams MD, Zhou H, Kerlavage AR. (1997) A tool for analyzing and annotating genomic sequences. Genomics. 46, 37–45.
 16. Wu TD, Watanabe CK. (2005) GMAP: a genomic mapping and alignment program for mRNA and EST sequences. Bioinformatics. 21, 1859–1875.
 17. Birney E, Clamp M, Durbin R. (2004) GeneWise and Genomewise. Genome Res. 14, 988–995.

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  10. Centralization for High-throughput Data Analysis

이번 연재에서는 유전자 예측 프로그램과 단백질 서열을 유전체에 매핑하여 얻어진 Gene Model을 결합하는 유전체 모델의 결합(Gene model merging)에 대해 알아보겠습니다.

B-3. 유전체 모델의 결합(Gene model merging)

 앞서 설명한 유전자 예측 프로그램을 통해서 얻어진 Predicted Gene Model(PGM)과 mRNA, EST, 단백질 서열을 유전체에 매핑하여 얻어진 Evidenced Gene Model(EGM)을 합쳐 Consensus Gene Model(CGM)을 만든다. 각 유전자 모델마다 가중치를 다르게 설정하여 동일한 위치에서 중복적으로 지지를 받아 높은 score 합계를 갖는 유전자 모델이 CGM으로 채택이 된다[3].

 일반적으로 EGM이 PGM 보다 높은 가중치를 가지며 EGM 가운데에서도 full-length mRNA > protein> mRNA > EST 순으로 우선 순위를 배정한다. PGM도 evaluation을 통해 프로그램별 우선순위를 정해주기도 한다. CGM을 만드는 과정은 full-length mRNA를 가장 우선 순위로 채택하되, full-length mRNA가 없을 경우 단백질과 EST, PGM이 제공하는 정보를 통해 complete CGM을 형성한다(그림 5).



 몇 가지 예시를 통해 대표 되는 유전자 모델 형성 과정을 알아보도록 하자.
첫 번째 full-length mRNA를 통해 얻어진 EGM이 partial 단백질과 ESTs에 의해 공통적으로 exon/intron 정보를 제공 받아 complete CGM을 형성하였다(그림 6의 case1). 다음은 mRNA EGM이 없고 단백질 EGM이 가장 높은 가중치를 갖는 유전자 모델이 되어 EST 가 제공하는 3’ 정보를 통해 complete CGM을 형성한 경우 이다. 이때 EST EGM은 단백질 EGM의 partial 형태로 동일한 exon/intron 구조를 보이고 있다. 세 번째는 mRNA, 단백질 모두 존재하지 않고 partial ESTs EGM 만 존재할 때 EST EGM 하나 하나는 모두 낮은 가중치이나 동일한 위치에서 동일한 exon/intron 구조로 여러 ESTs EGM이 지지하고 있으므로 CGM을 형성할 수 있다. 또한 일정부분 동일한 유전자 구조를 갖는 PGM으로부터 3’ 정보를 제공 받아 complete CGM을 형성하였다. 마지막 네 번째 경우 세 번째 경우와 동일하게 PGM과 EST EGM이 존재하는 가운데 두 gene model이 서로 상이한 exon/intron구조를 보이고 있어 어떠한 CGM도 만들 수 없는 상황을 보여주고 있다. 만약 PGM 만이 존재할 경우라도 여러 프로그램을 통해 얻어진 PGM이 모두 동일한 exon/intron 구조를 갖는다면 CGM을 형성 할 수 있다. 대부분의 genome annotation에서 evidence 데이터를 충분히 갖추고 진행되기란 쉽지 않다. 따라서 종종 Evidenced Gene Model(EGM) 없이 Predicted Gene Model(PGM) 만으로 Consensus Gene Model(CGM)을 만드는 경우가 존재한다.

이러한 유전자 모델을 형성하는 프로그램으로는 Tigr에서 공개 소스로 제공하는 EVModeler[9]가 있다. Perl 스크립트로 구성된 프로그램은 GFF3 포맷의 gene model 정보를 입력받아 정해진 gene model별 가중치를 토대로 Consensus Gene Model을 제시한다.
 

C. Alternative splicing analysis

다양한 유전자 모델을 통해 Consensus Gene Model을 형성하고 나면 이후 alternative splicing 분석을 위해 transcripts를 분석한다[12]. mRNA, ESTs, 단백질, NGS reads 서열이 제공하는 다양한 transcripts를 consensus gene model (CGM)에 비교하여 alternative transcript model을 제시 한다. 이후 조직 특이적인 alternative transcripts나 cancer specific alternative transcripts 분석으로 biological meaning에 초점을 두고 분석을 진행하게 된다[3].

그림 7. Alternative splicing 분석

다음 연재에서는 유전자의 기능을 분석하는 방법 중에 먼저 상동성 기반의 Annotation에  대해 알아보겠습니다. 많은 관심 부탁드립니다.

참고문헌

 1. Lowe, T.M. and Eddy, S.R. (1997) tRNAscan-SE: a program for improved detection of transfer RNA genes in genomic sequence. Nucleic Acids Res. 25, 955-964.
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 3. Noh SJ, Lee K, Paik H, Hur CG. (2006) TISA: tissue-specific alternative splicing in human and mouse genes. DNA Res. 13, 229-243
 4. Stanke M, Schoffmann O, Morgenstern B, Waack S. (2006) Gene prediction in eukaryotes with a generalized hidden Markov model that uses hints from external  
 sources. BMC Bioinformatics. 7, 62. 
 5. Burge, C. and Karlin, S. (1997) Prediction of complete gene structures in human genomic DNA.  J. Mol. Biol.   268,  78-94.
 6. Salamov AA, Solovyev VV. (2000) Ab initio gene finding in Drosophila genomic DNA. Genome Res. 10, 516–522.
 7. Majoros, W.H., Pertea, M., and Salzberg, S.L. TigrScan and GlimmerHMM: two open-source ab initio eukaryotic gene-finders Bioinformatics 20, 2878-2879.
 8. G. Parra, E. Blanco, and R. Guigó, (2000) Geneid in Drosophila Genome Research 4, 511-515.
 9. Haas BJ, Salzberg SL, Zhu W, Pertea M, Allen JE, Orvis J, White O, Buell CR, Wortman JR. (2008) Automated eukaryotic gene structure annotation using  
 EVidenceModeler and the Program to Assemble Spliced Alignments. Genome Biology 9, R7
 10. Korf I. (2004) Gene finding in novel genomes. BMC Bioinformatics. 5, 59.
 11. Kan, Z., Rouchka, E.C., Gish, W., and States, D. 2001, Gene structure prediction and AS analysis using genomically aligned ESTs, Genome Res. 11, 889–900.
 12. Eyras, E., Caccamo, M., Curwen, V., and Clamp, M. 2004, ESTGenes: AS from ESTs in Ensembl, Genome Res. 14, 976–987.
 13. Kent, W.J. 2002, BLAT-The BLAST-Like Alignment Tool, Genome Res. 12, 565–664.
 14. Florea, L., Hartzell, G., Zhang, Z., Rubin, G.M., Miller, W. 1998, Computer program for aligning a cDNA sequence with a genomic DNA sequence, Genome Res. 8,
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 16. Wu TD, Watanabe CK. (2005) GMAP: a genomic mapping and alignment program for mRNA and EST sequences. Bioinformatics. 21, 1859–1875.
 17. Birney E, Clamp M, Durbin R. (2004) GeneWise and Genomewise. Genome Res. 14, 988–995.

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이번 연재에서는 유전자 모델을 얻는 과정으로 서열 정보를 이용하여 유전체를 정렬(Genome alignment)하는 방법에 대해 알아보겠습니다.

B-2. 유전체 정렬(Genome alignment)

 유전체 상에서 유전자의 위치 및 구조 정보를 파악하는데 가장 중요한 정보를 제공하는 것이 mRNA를 비롯한 실제 서열정보이다. 유전체 프로젝트를 수행하면서 Full-length mRNA 시퀀싱을 함께 진행하는 이유라고 할 수 있다. 그 외 단백질과 ESTs 서열도 유전자 구조 정보를 제공하는 좋은 재료이다[11]. 최대한 많은 양의 실제 데이터(evidence data)를 확보하여 유전체 서열과의 유사성(similarity)을 조사하고 그 위치를 파악한다. DNA 서열의 경우 BLAT[13], Sim4[14], GMAP[16], AAT[15]가 주로 이용되고, 단백질 서열의 경우 BLAST와 wise2 package에 존재하는 Genewise[17]를 이용한다. 유전체 서열이 매우 크므로 일차적으로 빠르게 매핑할 수 있는 BLAT이나 BLAST 등으로 대략의 위치를 설정하고 그 외 다른 프로그램을 이용하여 좀 더 정교한 2차 매핑을 수행하는 경우도 있다.

 이때, 서열상의 유사성에 의해 유전자 모델(Evidenced Gene Model)이 결정되므로 HSP length, coverage, identity와 같은 파라미터 조건을 엄격하게 설정하여 정확한 Evidenced Gene Model(EGM)을 만드는 것이 일반적이다. 또한 언급한 대부분의 프로그램은 모두 exon/intron 신호를 인지하며 local alignment을 수행하고 있어 intron이 존재하는 유전체 서열에 매핑 하기에 모두 적절한 프로그램이다.

 특히 genewise의 경우 매핑과 동시에 가능한 유전자 모델을 제시한다. 따라서 유전체 서열과 유연  관계가 가까운 이종의 단백질 서열을 매핑 하여도 좋은 결과를 얻을 수 있다. 다만, 이후 진행되는 consensus gene model을 만들 때 score를 적절히 조절 해야만 한다. 다양한 프로그램을 통해 얻어진 유전자 모델 정보는 모두 동일한 형태의 파일 포맷을 유지하는 것이 좋다. 대부분의 프로그램이 공통적으로 지원하는 파일 형태는 GFF3 포맷이다(그림 4).

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A. 반복서열 분석

 진핵생물의 유전체 서열 중 반복 서열이 가장 많은 영역을 차지하고 있다. Transposon elements를 포함하여 simple repeat region, low complexity 영역이 전체 유전체의 약 70~ 80% 가량 해당된다. 따라서 반복서열 영역을 우선적으로 선별한 뒤 마스킹 작업을 통해 반복서열 영역에서의 유전자 예측은 예외로 처리한다. 물론, 반복서열 영역 내에도 단백질로 코딩 되는 부분이 존재 하지만, 극히 일부에 해당하기 때문에 추후에 따로 수행한다. 반복서열의 마스킹 작업은 주로 RepeatMasker (http://www.repeatmasker.org/) 분석 프로그램을 이용하여 진행한다. RepeatMasker는 유사성 기반의 검색을 통해 반복서열 데이터베이스에 존재하는 서열과 비교하여 유전체 내에 존재하는 transposon element와 retrotransposon element, rolling circles를 추출하고, TRF(tandem repeat finder)라는 서브 프로그램에 의해 단순반복 서열을 규명한다. 이때 종별로 특이적인 패턴을 가지는 반복서열이 (http://www.girinst.org/) 존재하므로 주기적으로 최신의 반복서열 데이터베이스를 업데이트하여 분석하는 것이 좋다. 2009년 11월 현재 Human을 포함하여 모두 26종에 대한 반복서열 데이터베이스를 제공하고 있으며, 연구자가 원하는 형태의 데이터베이스를 따로 구성하여 사용할 수도 있다. 

B. 유전자 모델링

 단백질로 코딩되는 유전자의 위치를 결정하는 일차적인 단계로 일반적으로 Ab initio 방식과 매핑 방식을 결합하여 사용한다. 이는 수학적 알고리즘을 통해 유전자의 위치를 예측하는 유전자 예측 과정과 실제 시퀀싱하여 밝혀진 mRNA, ESTs, 단백질 서열을 유전체 서열에 매핑하여 유전자 모델을 얻는 과정으로 구성된다.

 B-1. 유전자 예측

 유전자 예측 과정은 대부분 HMM 모델을 이용하여 서열상의 exon과 intron을 예측한다. exon과 intron사이의 ‘GT-AG’라는 splice signal을 인식하고 프로모터 영역과 3’ signal을 인지하는 방식으로 예측을 수행한다. 각 종마다 유전자 모델이 다르므로 정확한 유전자 모델을 설정하고 트레이닝 과정을 통해 종 특이적인 매트릭스를 형성하여 유전자 예측을 수행한다. 이때 예측 프로그램에 따라 연구자가 직접 매트릭스를 생성할 수 있도록 트레이닝을 수행할 수 있는 프로그램을 지원하는 공개용 예측 프로그램(Augustus[4], SNAP[10], GlimmerHMM[7])과 유료로 매트릭스를 구축, 제공하는 유전자 예측 프로그램(Fgenesh[6]), 그리고 주기적으로 업데이트된 매트릭스를 제공하는 프로그램(GeneId[8])으로 구분할 수 있다.  이들 중에서 가장 많이 사용되는 Softberry사의 Fgenesh는 다른 예측 프로그램에 비해서 정확성 및 신뢰성이 높아 국제적인 유전체 프로젝트에서도 이용되고 있다. Fgenesh는 유전자 예측 프로그램에서 가장 핵심이 되는 매트릭스를 제작하여 유료로 서비스하고 있으며, 일반적으로 매트릭스를 제작하는데 약 한 달 정도 분석을 수행한다. 고객은 mRNA, EST, 단백질 서열을 유전체 서열에 매핑 작업을 통해 정확한 유전자 모델을 제공하게 되고, Softberry사에서는 고객이 제공한 데이터와 공개되어 있는 서열을 대상으로 해당 유전체의 대표적인 유전자 모델 집단을 만든 후 매트릭스를 제작하게 된다. 이때, 제작된 매트릭스의 evaluation 자료도 함께 제공한다. 이후 유전자 예측 과정은 리눅스 환경에서 매우 간단하고 빠르게 진행된다. 분석 결과 또한 그림 3에서 보여 지는 것과 같이 유전자별로 TSS(transcription start site), CDS, polyA 등으로 유전체상의 위치 정보와 방향 정보를 알기 쉬운 구조로 제공하고 있다.

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이번 연재에서는 약 2주에 걸쳐 유전체 내의 유전자 위치와 기능을 해독하는 과정인 Genome Annotation에 대해 연재가 될 예정입니다. 오늘은 Genome Annotation 중에서도 첫번째 단계인 유전체 서열 내에서 유전자의 위치와 구조 정보를 밝혀내는 Structural annotation에 대해 알아보겠습니다.

2-4. Genome Annotation

 2009년 현재 human을 비롯한 mammalian에서 microbial까지 많은 유전체 프로젝트가 완료되었거나 진행되고 있으며, NCBI의 사이트에서 그 내용을 확인할 수 있다. 이렇게 다양한 종에서 완료되었거나 진행 중인 유전체 프로젝트는 NGS 시대를 맞이하여 더욱 가속화 되었다. 유전체 프로젝트는 유전체 서열을 시퀀싱을 통해 추출하는 단계와 유전체 내의 유전자 위치와 기능을 해독하는 단계로 구성된다. 여기서 유전체 내의 유전자 위치와 기능을 해독하는 과정을 genome annotation이라고 정의하며, genome annotation은 세 가지 과정으로 구분할 수 있다. 유전체 내의 유전자에 대한 구조적 정보를 분석하는 structural annotation, 유전자의 기능을 규명하는 functional annotation, 그리고 마지막으로 수학적 알고리즘으로 밝혀지지 않는 부분을 생물학 전문가가 면밀히 분석하는 manual curation 과정으로 구성되어 있다. 이번 장에서는 genome annotation에 대한 세 가지 과정에 대하여 구체적으로 알아보고자 한다.

 2-4-1. Structural annotation

 
 Genome annotation의 첫 번째 단계인 structural annotation은 유전체 서열 내에서 유전자의 위치와 구조 정보를 밝혀내는 것을 목적으로 하여 유전체 서열 전체의 유전자 지도를 완성한다. 유전체 서열에는 실제 단백질을 코딩하는 유전자 영역과 그 외 나머지 영역으로 크게 나눠진다. 그중 유전자는 exon과 intron으로 나눠지고 유전자의 발현을 조절하는 프로모터 영역이 일반적으로 유전자의 앞단에 위치하고 있다(그림 1).




다음 연재에서는 진핵생물의 유전체 서열 중 가장 많은 영역을 차지하는 반복서열 분석법과 유전자 모델링 중에서 유전자의 위치를 예측하는 유전자 예측에 대해 알아보겠습니다.
많은 관심 부탁드립니다.


참고문헌

 1. Lowe, T.M. and Eddy, S.R. (1997) tRNAscan-SE: a program for improved detection of transfer RNA genes in genomic sequence. Nucleic Acids Res. 25, 955-964.
 2. Lewis SE, et al. (2002). Apollo: a sequence annotation editor. Genome Biology. 12, research0082
 3. Noh SJ, Lee K, Paik H, Hur CG. (2006) TISA: tissue-specific alternative splicing in human and mouse genes. DNA Res. 13, 229-243
 4. Stanke M, Schoffmann O, Morgenstern B, Waack S. (2006) Gene prediction in eukaryotes with a generalized hidden Markov model that uses hints from external  
 sources. BMC Bioinformatics. 7, 62. 
 5. Burge, C. and Karlin, S. (1997) Prediction of complete gene structures in human genomic DNA.  J. Mol. Biol.   268,  78-94.
 6. Salamov AA, Solovyev VV. (2000) Ab initio gene finding in Drosophila genomic DNA. Genome Res. 10, 516–522.
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 8. G. Parra, E. Blanco, and R. Guigó, (2000) Geneid in Drosophila Genome Research 4, 511-515.
 9. Haas BJ, Salzberg SL, Zhu W, Pertea M, Allen JE, Orvis J, White O, Buell CR, Wortman JR. (2008) Automated eukaryotic gene structure annotation using  
 EVidenceModeler and the Program to Assemble Spliced Alignments. Genome Biology 9, R7
 10. Korf I. (2004) Gene finding in novel genomes. BMC Bioinformatics. 5, 59.
 11. Kan, Z., Rouchka, E.C., Gish, W., and States, D. 2001, Gene structure prediction and AS analysis using genomically aligned ESTs, Genome Res. 11, 889–900.
 12. Eyras, E., Caccamo, M., Curwen, V., and Clamp, M. 2004, ESTGenes: AS from ESTs in Ensembl, Genome Res. 14, 976–987.
 13. Kent, W.J. 2002, BLAT-The BLAST-Like Alignment Tool, Genome Res. 12, 565–664.
 14. Florea, L., Hartzell, G., Zhang, Z., Rubin, G.M., Miller, W. 1998, Computer program for aligning a cDNA sequence with a genomic DNA sequence, Genome Res. 8,
 967–974.
 15. Huang X, Adams MD, Zhou H, Kerlavage AR. (1997) A tool for analyzing and annotating genomic sequences. Genomics. 46, 37–45.
 16. Wu TD, Watanabe CK. (2005) GMAP: a genomic mapping and alignment program for mRNA and EST sequences. Bioinformatics. 21, 1859–1875.
 17. Birney E, Clamp M, Durbin R. (2004) GeneWise and Genomewise. Genome Res. 14, 988–995.

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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

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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   3. Expression study
   4. Epigenomics
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   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 Application으로 유전자의 염기서열에는 변화를 주지 않으면서 유전자의 발현 등에 영향을 주어 개체의 차이를 나타내게 하는 현상에 대해 연구하는 Epigenomics의 분석 방법에 대해 알아보겠습니다.

2-3. Epigenomics

 2003년 인간 유전체에 대한 서열해독 이후로, 유전체에 대한 기능적 분석에 연구가 증가하면서, 이른바 post genomics시대가 도래하고 유전체 연구와 함께 이들의 발현과 작용에 대한 연구들이 활발해 지고 있다.  Epigenetics라는 분야는 이러한 흐름을 주도하는 분야로서, 유전되는 DNA서열로만 설명이 불가능한 부분의 해석을 돕고, 보다 발전적인 유전체 연구를 목적으로 진행되고 있다. Epigenetics에서 가장 주요하게 여겨지는 부분은 유전자의 발현으로서, 유전자가 유전체에 존재하지만, 발현여부에 따라 세포내 역할이 달리지고, 달라진 발현양상은 유전물질처럼 후대에게도 영향을 주는 것이다. 이는 기존의 유전체가 답하지 못했던 물음에 실마리를 제공하면서, 유전체를 좀 더 잘 이해하기 위한 수단으로 이용되고 있다[1].

2-3-1. Methylation Analysis

 Genome methylation을 알아보기 위한 기존의 방법은 Methylation Sensitive Restriction Enzyme (MSRE)을 이용하거나,  살펴보고자 하는 특정 영역에 해당하는 프라이머를 작성하여 PCR을 수행 하는 방법 등이 이용되었다. 그러나 NGS 기술의 발달로 epigenetics 분야의 연구 또한 대량의 functional gene study가 일반화 되어가고 있다. 가장 대중적인 방법은 genomic DNA를 추출하여 bisulfate를 처리한 후에 NGS를 통한 대량 sequencing을 수행하는 것이다(그림 2).

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이번 연재에서는 Next Generation Sequencing의 두 번째 Application인 Expression study 중에 유전자와 엑손의 발현 및 발현된 유전자의 각종 변이 등을 한 번에 연구할 수 있는 RNA-Seq 분석에 대해 알아보겠습니다.

2-2-6. RNA-Seq Analysis

 Serial Analysis of gene Expression(SAGE), Cap Analysis of gene expression (CAGE), 그리고 Massively Parallel Signature sequencing(MPSS)은 특정 유전자의 발현 양 정보를 얻고자 하는 목표로 수행되는 방법들이다. 이러한 방법들은 많이 이용되고 있지만 Sanger 방법에 바탕을 둔 것으로 높은 비용과 짧은 reads는 reference 서열에 유일하게 매핑하기 힘들다는 문제점을 가지고 있다. 이러한 문제점들을 극복하기 위한 방법으로는 유전자와 엑손의 발현 및 발현된 유전자의 각종 변이 등을 한 번에 연구할 수 있는 RNA-Seq기술이 있다[1].

표 1에서 보는 것과 같이 RNA-Seq을 분석 할 수 있는 프로그램에는 여러 가지 소프트웨어가 있는데 그 중에 CLC Genomics Workbench는 annotation된 Reference 유전체 서열과 mRNA 시퀀싱 reads를 바탕으로 새로운 엑손의 발굴뿐만 아니라 유전자 발현 레벨을 계산할 수 있다. RNA-Seq 분석은 몇 가지 단계로 수행된다. 먼저, Reference 서열에서 모든 유전자를 추출한다. 이 때 유전자 서열의 다른 annotation들은 보존된다[23].

다음으로 영역 주변의 엑손-엑손 경계를 추출한다. 그 다음으로 모든 엑손-엑손 junctions plus에 대한 Reference assembly가 수행된다. 이 assembly로부터 각각의 유전자에 대해 발현 수치가 계산되고 putative exon을 확인할 수 있다. 발현 수치는 RPKM(reads per kilobase of exon model per milion mapped reads)방법으로 측정된다(그림 9).

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이번 연재에서는 어제에 이어 Next Generation Sequencing의 두 번째 Application인 Expression study에 대한 내용으로 Differentially Expressed Genes(DEGs) Functional annotation 중에 Text-mining을 통한 대사회로 분석과 Promoter 영역 분석을 통한 발현 조절 메카니즘 분석에 대해 알아보겠습니다.

B. Text-mining을 통한 대사회로 분석

 대사회로 분석은 세포내 유전자들이 생물학적으로 기능이 유사하거나 동일한 조절 기작을 통해 동일 시간상에서 유사한 발현 양상을 보일 것이라는 가정 하에 이루어진다. 선별된 유전자들(DEGs) 사이에서의 대사회로 분석을 통하여 대사회로 내에서 유전자들의 발현양상에 따라 up-regulation 혹은 down-regulation 되는지 분석할 수 있다. 또한 이들 간의 signal 관계가 upstream에 존재하는지 down- stream에 존재하는지 여부를 분석할 수 있다. 이러한 분석이 가능한 프로그램으로는 Ariadne사의 Pathway Studio가 있다[16].

DEGs를 이용한 pathway 분석으로 유전자간의 조절 관계와 upsteam, downstream 단백질을 GUI를 통한 그래픽으로 확인이 가능하다[16].

Pathway Studio는 차등발현유전자들을 조절하는 상위 조절인자를 분석하거나 차등발현유전자들이 공통적으로 작용하고 있는 질병, 세포내 프로세스 등을 분석할 수 있는 유용한 프로그램이다. 

C. Promoter 영역 분석을 통한 발현 조절 메카니즘 분석

 선별된 유전자에 대해서 유전자의 발현 양을 조절하고 세포내의 항상성 유지를 위해 여러 유전자들 간의 긴밀한 네트워크를 통해 이뤄지는 유전자 조절 메카니즘을 분석한다. 유전자의 구조 중에서 특히 유전자의 기능에 중요한 영향을 미치는 부분은 유전자의 발현을 조절하는 프로모터 영역이다. 프로모터를 포함한 유전자의 upstream에 존재하는 전사인자  binding site의 예측을 통해 유전자의 발현 조절이 어떠한 메카니즘을 통해 이뤄지는지를 분석한다.


가장 대표적인 프로그램으로 BIOBASE사의 TRNASFAC을 꼽을 수 있다[15]. 실험적으로 검증된 전사인자들로 생물 전문가의 꼼꼼한 검증을 통해 구축된 데이터베이스는 현재 인간을 중심으로 식물, 효모R에 이르기까지 계속해서 확대 되고 있다. TRANSFAC의 서브 프로그램인 Patch와 Match를 활용하면 미지의 유전자 upstream 서열의 binding 가능한 전사인자를 검색할 수 있고, 이는 유전자 네트워크에서의 생물학적인 의미를 찾을 수 있는 기초 데이터가 된다.

다음 연재에서는 유전자와 엑손의 발현 및 발현된 유전자의 각종 변이 등을 한 번에 연구할 수 있는 RNA-Seq기술에 대해 알아보겠습니다.

많은 관심 부탁드립니다.

참고문헌

1. Mortazavi A, Williams BA, McCue K, Schaeffer L, Wold B. (2008) Mapping and quantifying mammalian transcriptomes by RNA-Seq. Nat Methods. 7, 621-628.
2. Fei Z, Tang X, Alba RM, White JA, Ronning CM, Martin GB, Tanksley SD, Giovannoni JJ. (2004) Comprehensive EST analysis of tomato and comparative genomics of fruit ripening. Plant J. 40, 47–59
3. Rensink WA, Lee Y, Liu J, Iobst S, Ouyang S, Buell CR. (2005) Comparative analyses of six solanaceous transcriptomes reveal a high degree of sequence conservation and species-specific transcripts. BMC Genomics. 6, 124
4. Ronning,C.M. et al. (2003) Comparative analyses of potato expressed sequence tag libraries. Plant Physiol. 131, 419–429
5. Guo J, Zhu P, Wu C, Yu L, Zhao S, Gu X. (2003) In silico analysis indicates a similar gene expression pattern between human brain and testis. Cytogenet Genome Res. 103, 58-62
6. Benjamini, Y., Daniel Yekutieli. (2001) The control of the false discovery rate in multiple hypotheses testing under dependency. Annal. Stat. 4(29), 1165–1188
7. Tsai CA, Hsueh HM, Chen JJ. (2003) Estimation of false discovery rates in multiple testing: application to gene microarray data. Biometrics. 59, 1071-81
8. Audic S, Claverie JM. (1997) The significance of digital gene expression profiles. Genome Res. 7, 986–995
9. Roche 454 : Products & Solutions - Multiplexing
(http://www.454.com/products-solutions/experimental-design-options/multiplexing.asp)
10. Tatusov RL, Koonin EV, Lipman DJ. (1997) A genomic perspective on protein families. Science. 278, 631-637
11. Kato T, Murata Y, Miura K, Asai K, Horton PB, Koji T, Fujibuchi W. (2006) Network-based de-noising improves prediction from microarray data, BMC Bioinformatics. 7, S4
12. Noh SJ, Lee K, Paik H, Hur CG. (2006) TISA: tissue-specific alternative splicing in human and mouse genes. DNA Res. 5, 229-243
13. Zeeberg BR, Feng W, Wang G, Wang MD, Fojo AT, Sunshine M, Narasimhan S, Kane DW, Reinhold WC, Lababidi S, Bussey KJ, Riss J, Barrett JC, Weinstein JN. (2003) GoMiner: a resource for biological interpretation of genomic and proteomic data, Genome Biol. 4, R28
14. GeneSpring GX : Products & Services - GeneSpring GX Software
(http://www.chem.agilent.com/en-US/products/software/lifesciencesinformatics/genespringgx/pages/default.aspx)
15. Wingender E, Chen X, Hehl R, Karas H, Liebich I, Matys V, Meinhardt T, Prüss M, Reuter I, Schacherer F. (2000) TRANSFAC: an integrated system for gene expression regulation. Nucleic Acids Research. 28, 316-319
16. PathwayStudio : Products-pathway Studio
(http://www.ariadnegenomics.com/products/pathwaystudio/)
17. Eveland AL, McCarty DR, Koch KE. (2007) Transcript profiling by 3'-untranslated region sequencing resolves expression of gene families. Plant Physiol. 146, 32-44.
18. Torres TT, Metta M, Ottenwälder B, Schlötterer C. (2008) Gene expression profiling by massively parallel sequencing. Genome Res. 1, 172-7.
19. Vega-Arreguín JC, Ibarra-Laclette E, Jiménez-Moraila B, Martínez O, Vielle-Calzada JP, Herrera-Estrella L, Herrera-Estrella A. (2009) Deep sampling of the Palomero maize transcriptome by a high throughput strategy of pyrosequencing. BMC Genomics. 10, 299.
20. Wang ET, Sandberg R, Luo S, Khrebtukova I, Zhang L, Mayr C, Kingsmore SF, Schroth GP, Burge CB. (2008) Alternative isoform regulation in human tissue transcriptomes. Nature. 2456, 70-76.
21. Johnson JM, Castle J, Garrett-Engele P, Kan Z, Loerch PM, Armour CD, Santos R, Schadt EE, Stoughton R, Shoemaker DD. (2003) Genome-wide survey of human alternative pre-mRNA splicing with exon junction microarrays. Science. 302, 2141-2144.
22. Ledford H. (2008) Human genes are multitaskers. Nature. 456, 9.
23. CLC Genomics Workbench: RNA-Seq analysis
(http://www.clcbio.com/index.php?id=1330&manual=RNA_Seq_analysis.html)

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