DNA 염기 서열 분석
차세대 염기 서열 분석(NGS) 등을 포함한 DNA 서열 결정 기술로 유전체 연구와 진단에 이용된다.
DNA를 이루는 염기 A, T, G, C가 어떤 순서로 늘어서 있는지를 실제로 읽어 내는 기술입니다.
PCR이 '책을 복사하는 일'이라면, 염기 서열 분석은 '그 책을 실제로 읽는 일'입니다. 복사만 해서는 안에 무엇이 적혀 있는지 알 수 없습니다.
쉽게 말하면
서열을 읽는 고전적인 방법은 DNA 합성을 일부러 중간에 멈추는 데서 출발합니다. 새 가닥을 만들다가 특수하게 표시된 뉴클레오타이드가 끼어들면 그 자리에서 합성이 딱 멈추도록 해 두면, 길이가 제각각인 조각들이 잔뜩 생깁니다. 이 조각들을 길이 순으로 늘어놓고 마지막 염기가 무엇이었는지를 차례로 확인하면 원래 서열이 복원됩니다. 즉 '길이 = 위치'이고 '표지 = 그 위치의 염기'입니다.
읽으려면 재료가 충분해야 하므로 PCR로 대상 구간을 먼저 늘리는 것이 보통입니다. 한 가닥의 DNA로는 신호가 너무 약해 아무것도 읽히지 않습니다.
차세대 염기 서열 분석(NGS)은 발상을 한 번 더 뒤집습니다. 긴 DNA를 잘게 부수어 짧은 조각 수백만 개를 만든 다음, 그 조각들을 한꺼번에 병렬로 읽습니다. 조각 하나하나는 짧지만 서로 겹치는 부분이 있으므로, 컴퓨터가 겹치는 부분을 단서로 퍼즐을 맞추듯 원래 순서를 재구성합니다. 이 방식 덕분에 한 사람의 유전체 전체를 읽는 비용과 시간이 크게 줄었고, 암 조직의 돌연변이를 찾거나 병원체의 종류를 판별하는 일이 실제 진료에서 가능해졌습니다. 동시에 개인의 유전 정보가 대량으로 쌓이면서 생명 윤리의 새로운 쟁점이 생겼습니다.
이렇게 나타납니다
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예시 1길이가 위치를 알려 준다합성이 3번째 염기에서 멈춘 조각, 4번째에서 멈춘 조각, 5번째에서 멈춘 조각… 이 조각들을 짧은 것부터 늘어놓고 각각의 끝 염기를 읽으면 3번, 4번, 5번 자리의 염기를 순서대로 알게 됩니다. 서열을 '한 번에' 읽는 게 아니라 '멈춘 자리들을 모아' 재구성하는 것입니다.
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예시 2짧은 조각을 이어 붙이는 NGS책을 잘게 찢어 조각을 잔뜩 만들되, 찢는 위치를 다르게 해서 여러 벌을 만듭니다. 조각들끼리 겹치는 부분이 생기므로 그 겹침을 단서로 원래 페이지를 복원할 수 있습니다. 같은 자리를 여러 조각이 겹쳐 읽으면 읽기 오류도 걸러집니다.
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예시 3암 조직의 돌연변이 찾기환자의 정상 세포와 암세포의 서열을 각각 읽어 비교하면, 암세포에만 있는 염기 변화를 찾아낼 수 있습니다. 그 변화가 어떤 유전자에 생겼는지에 따라 잘 듣는 약이 달라지므로, 서열을 읽는 일이 곧 치료 방법을 고르는 일이 됩니다.
자주 하는 오해
PCR과 염기 서열 분석을 같은 것으로 여기기
이렇게 생각하기 쉬움PCR을 돌리면 DNA 서열을 알 수 있다
실제로는PCR은 특정 구간을 '늘리는' 기술이고, 서열 분석은 염기의 '순서를 읽는' 기술입니다. PCR 결과만으로는 그 구간이 있다/없다, 길이가 얼마다 정도만 알 수 있습니다.
PCR 결과를 전기 영동하면 밴드의 위치로 길이를 알 뿐, A인지 G인지는 알 수 없습니다. 서열을 알려면 별도의 읽기 과정이 필요합니다. 다만 읽을 재료를 대량으로 확보하기 위해 앞 단계에서 PCR을 쓰기 때문에 두 기술이 자주 붙어 다닙니다.
서열을 읽으면 그 사람의 형질을 다 알 수 있다고 생각하기
이렇게 생각하기 쉬움유전체 서열을 다 읽었으니 키, 성격, 병까지 전부 예측할 수 있다
실제로는서열은 '무엇이 적혀 있는가'만 알려 줍니다. 그 유전자가 언제, 어디서, 얼마나 발현되는지와 환경의 영향까지 알아야 형질을 설명할 수 있습니다.
같은 유전체를 가진 일란성 쌍둥이도 살아가면서 서로 달라집니다. 대부분의 형질은 여러 유전자와 환경이 함께 작용한 결과이므로, 단일한 서열 정보만으로 결정되는 형질은 오히려 소수입니다. 이 한계를 모르면 유전자 검사 결과를 과잉 해석하게 됩니다.
선수 개념 — 이걸 먼저 알아야 해요
이후 개념 — 이 개념을 배우면 이어집니다
같은 단원의 개념 — 생명공학 기술
자주 묻는 질문
Q1NGS가 기존 방법과 다른 핵심은 무엇인가요?
'한 번에 하나씩'이 아니라 '짧은 조각 수백만 개를 동시에' 읽는다는 점입니다. 조각 하나의 길이는 짧아졌지만 병렬로 처리해 전체 처리량이 비교할 수 없이 커졌고, 그 결과 유전체 하나를 읽는 비용과 시간이 크게 줄었습니다.
Q2같은 자리를 여러 번 읽는 이유가 있나요?
읽기에는 언제나 오류가 섞이기 때문입니다. 같은 위치를 여러 조각이 겹쳐서 읽으면 다수의 결과로 오류를 걸러 낼 수 있습니다. 그래서 서열 분석에서는 '얼마나 겹쳐 읽었는가'가 결과의 신뢰도를 좌우합니다.
Q3유전체를 읽는 것만으로 유전병을 진단할 수 있나요?
원인 유전자와 그 변이가 분명히 알려진 병이라면 큰 도움이 됩니다. 하지만 여러 유전자와 환경이 함께 작용하는 병은 서열만으로 확정할 수 없고, '위험이 높다' 정도의 정보를 줄 뿐입니다.
교육과정 2022 개정 · 고3 생명과학 · 생명공학 기술
수록 심화 (교육과정 밖 확장 개념)
읽어 낸 유전 정보를 누가, 어디까지 쓸 수 있는지는 생명 윤리에서 다룹니다.
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