Week 13. Genome World and Our Future
사람은모두다르다!
무엇이사람을다르게하는가? Genome( 게놈 ) 의차이가각각의사람을다르게만든다! Genome( 게놈 = 유전체 ) 이란? 유전체 ( 遺傳體 ) 는한개체가갖는유전정보 ( 유전자 =gene) 의총합이다. 고등생물의유전정보는세포내핵속의 DNA에포함되어있는염기서열에암호화되어있다. Gene ( 유전자 ) 이란? 게놈에서염기서열의특정한위치에있는구간으로유전형질의단위가되는것이다. 또는 DNA 염기서열가운데정보를갖고있는부분을뜻한다. 30억개의인간유전체의염기서열중약 1% 만이유전자구간이다.
생물은생물이포함하고있는유전체내의유전자들의발현에의해형태를형성하며 DNA 에암호화되어있는유전정보들은자손들에게이어지며한생물의계통이이어진다. 그러므로한생물내의유전체염기서열전체를밝히는작업은그생물을이해하고활용함에있어서가장기본적인정보가된다. 현재인간을포함한모델생물 (model organism) 들의전체유전체를밝히는작업들이진행중이며, 혁신적인염기서열결정기술에의해각각의생물들이갖는전체유전체들을밝히는비용과시간이혁명적으로줄어들고있다. 모델생물 (model organism)? 생물에대한세포학적, 유전학적, 진화적등등모든분야의연구에있어서전체생물을다연구할수없으므로진화적으로중요하거나, 또는경제적인활용성등을고려하여몇몇생물에있어서집중적으로우선적인연구가이루어지고있다. 이들생물들을모델생물이라고하고, model animal로서는예쁜꼬마선충, 초파리, 생쥐등이있고, model plant들로는애기장대, 벼, 토마토등이있다.
인간유전체결정사업 (Human Genome Project; HGP) 1990년 ~2003년까지이루어진국제협력사업으로인간게놈에있는약 30억개의뉴클레오티드염기쌍의서열을밝히는것을목적으로한프로젝트이다. 이프로젝트는미국, 영국, 일본, 독일, 프랑스등 5개국의공동노력과셀레라지노믹스 (Celera Genomics) 라는민간법인의후원을받아이루어지게되었다. 인간게놈프로젝트의목적은인간유전자의종류와기능을밝히고, 이를통해개인간, 인종간, 환자와정상인간의유전적차이를비교하여질병의원인을규명하는데있다. 이렇게알아낸유전정보는질병진단, 난치병예방, 신약개발, 개인별맞춤형치료등에이용될수있다는점에서큰의의가있다. - 13년간약 3조원 ( 25억불 ) 소요. - 아폴로프로젝트에비견되는인류최대규모의과학프로젝트. 인간유전체사업이전에는약 10만개의유전자가있을것이라예상했지만, 실제로는 3만개밖에되지않음. 다큐멘터리 : DNA secret of life episode 3 Human Race https://www.youtube.com/watch?v=mju9dl7a3zi 인간유전체결정사업에대한것임. 다큐멘터리를다볼수는없고 개인적으로보면서 다음질문의답을찾아보시오 ( 시험에출제 ). 1) Sanger는그의고전적인염기서열결정방법으로 Virus의 DNA 염기서열을결정하는데몇년이걸렸나? (9분 30초부터 ) 2) 인간유전체결정사업에서기존의연구자들과매우다른혁신적인방법인 whole genome shut gun 방법을제시한사람은누구인가 (Celera Genomics를세움 )? (19분부근 ) 3) 인간유전체를결정해보니인간유전자는생쥐보다단지??? 개의유전자가더많았다. (49분부근 )
생물에포함되어있는 DNA 염기서열을밝히는것은매우어려운작업이었는데, 고전적인염기서열방법은 Sanger에의해개발되었고, 현재 Sanger 방법에의해서한번에약 900개의염기서열을밝혀낼수있다. DNA 염기서열의결정은 2005년부터새로운기술에의해많은양의염기서열을짧은시간에해독해내는혁명적인기술이발달하게되었는데, 이를 Next Generation Sequencing (NGS; 차세대염기서열결정법 ) 이라한다. NGS에의한유전체연구는해를거듭할수록기술력이진보하여유전자은행 (GenBank) 에축적되는 DNA 염기서열의양은기하급수적으로증가하고있으며, 그단위비용은혁신적으로줄어들고있다. GenBank ( 유전자은행 )? 각각의연구자들이각각의생물로부터결정해낸염기서열들은미국 National Center for Biotechnology Information (NCBI) 을주축으로하여세계의여러기관들이연결되어있는 GenBank에축적되어향후연구를위해누구나축적된염기서열에접근하여이를이용할수있다. 차세대염기서열결정장치
GenBank 의염기서열축적 : 기하급수적인증가를보인다. 2007 년부터 2010 년까지의 3 년간유전자정보데이터는그이전의 24 년간누적데이터와같은양이다. TED TALK Richard Resnick: Welcome to the genomic revolution https://www.ted.com/talks/richard_resnick_welco me_to_the_genomic_revolution 유전체시대에대한매우재미있는요약입니다. 여러번시청하고영어가잘안들리는사람은 Korean script 를이용하여내용을파악해봅시다! 게놈해독비용의하락속도는무어의법칙보다빠르다. 보라색선이무어의법칙에따른비용하락속도이고, 초록색선이게놈해독비용하락속도이다. 무어의법칙 (Moore s law) 이란컴퓨터반도체업계에서반도체칩의용량이 18개월마다 2배씩늘어나며, 가격은반으로떨어진다는법칙이다.
인간유전체사업 결정 이후 유전체 연구분야는 획기적인 발전을 함. 이후 이루어진 업적들. 왓슨 클릭 DNA 분자모델 제시 닭 유전체 멘델 유전법칙발견 벌 유전체 생어에 의한 염기서열 결정법 개발 침팬지 유전체 인간유전체사업 시작 효모 유전체 완성 예쁜꼬마선충 유전체 완성 개 유전체 최초의 개인유전체 초파리 유전체 완성 대장균 유전체 완성 한족 유전체 인간 유전체 초안 생쥐 유전체 완성
NGS에 의한 최초의 개인유전체: James Watson 닭 유전체 벌 유전체 아프리카인 유전체 침팬지 유전체 소 유전체 개 유전체 최초의 개인유전체 한족 유전체 한국인 유전체
한국인유전체분석개요 2009년한국인김성진박사 ( 현차의과대학의생명과학과 ) 는자신의유전체를한국인대표유전체로서모두밝혀 Nature 지에발표. - 821억개의염기서열데이터를만들어냄 (82.1 Gbp). - 한개인유전체총량의 29배에해당하는염기서열임. 디스크에저장된형태로는 82G에해당함. 오류가없도록중복해서데이터를만들어냄. 한국인의유전체결정에따라맞춤형의료시대에한발더다가감. 김성진 Craig Venter 염기서열의공유상황약 92 만개의염기서열이중국인및백인과다른한국인만의고유의염기서열이라는것을밝힘
맞춤형의료 : 개인의유전자차이에의해나타나는약에대한반응성을고려한의료기술 로서개인유전체 $1,000 시대에의한개인전장유전체 (whole genome) 염기서열을바 탕으로한다. 현재는 $1,000 2012 년 Korean Telecom (KT) 은헬스인포매틱스업을추가하여 bioinformatics 사업진출 을선포하였고, 김성진박사유전체이후한국인 200 명에대한상세유전체결정사업에 투자하였다. 통신회사가왠유전체사업? 왜일까???
2014 년 1 월 22 일뉴스 1000 달러게놈시대열리다 http://plug.hani.co.kr/futures/1616424 NGS 의선두주자인일루미나 (Illumina) 사에서새로운모델의염기서열결정장치를만들어냄으로서 1000 불의금액으로인간유전체를결정할수있는시대가열려서맞춤형의료를실현할수있게됨. 2016 년 5 월 16 일뉴스하버드대 ' 인조인간게놈 ' 비밀회의 "10 년내전체유전체합성 " http://www.yonhapnews.co.kr/bulletin/2016/05/15/0200000000akr20160515012200009.html?fdb20170 3 Gbp 로이루어진인간유전체를인공적으로 합성 하여만들어냄!!! 개인유전체시대의시작 각자의전체유전체를밝혀개인식별, 개인적유전 병치료, 맞춤형의료, 궁극적으로는클로닝에이 용될수있음. 미래사회를장악하고있는 DNA 염기배열이다. 우주선을발사하는회사 < 가타카 > 를출입하기위해본인확인을하려면매일약간양의혈액을엄지손가락으로부터뽑아내야한다. 이상황에서영화가타카를안보고갈순없죠. 영화카타가편집본 https://www.youtube.com/watch?v=etetjfckmnu 소량의시료로부터짧은시간내에염기서열을모두밝혀내는것은 NGS 기술의발달에의해이미공상과학의내용이아닌현실이다. 기계의소형화만이남은과제임.
NGS에 의한 최초의 개인유전체: James Watson 닭 유전체 벌 유전체 아프리카인 유전체 침팬지 유전체 소 유전체 개 유전체 최초의 개인유전체 한족 유전체 한국인 유전체 네안데르탈인 유전체
PCR 기술과염기서열결정기술의발달로화석생물에서의 DNA 염기서열결정도가능. 1990년 1700만년전목련화석에서염기서열결정성공 (Clarkia 화석지대 ) Nature지발표. 1992년같은지역에서 Taxodium ( 나자식물 ) 화석에서의염기서열결정성공. PNAS지발표. 1992년 2,500만년전호박속의흰개미화석에서염기서열결정성공. Nature지발표. 1993년 2,500만년전호박속의침없는벌화석에서염기서열결정성공. 위의연구결과를배경으로쥬라기공원 영화가만들어짐 쥬라기월드비하인드 https://www.youtube.com/watch?v=ddzkr7xqtyu&feature=player_detailpage 영화이야기임!!! 사실이아닙니다요. 주라기공원에담긴공룡복제이론 https://www.youtube.com/watch?v=ociqsnd3inw 쥬라기공원충격기에의한화석연구방법 https://www.youtube.com/watch?v=gtfikvr4iwu 쥬라기공원의과학적사실짧은다큐. YTN 사이언스 https://www.youtube.com/watch?v=mrrvzccawy4 - 시청후다음사항을정리하여둡시다 ( 시험출제 ) - 우리나라의공룡발자국화석이왜쥬라기공원 1 편의스토리를바꾸는데기여하게되었을까? - 왜쥬라기공원의공룡복제는현실적으로불가능하다고생각되나? - 그러면메머드의복제는어떤방법으로실현할수있을까?
미국아이다호클라키아화석지대화석으로부터의 DNA 추출연구에대한이야기 Clarkia의식물화석은약 17 MYBP (million years before present) 의진정한의미의화석. 시베리아에보존된메머드는약 5만년전의것으로이는진정한화석이아닌동결된조직임. 호박속의모기와마찬가지로산화되지않은상태에서화학적으로매우잘보존된화석이기때문에 DNA가남아있을가능성이있음. 매우보존이잘되어있어서바위를깨서식물잎을보면한동안초록색으로보이는것이확인될정도임. 약 30초정도지나면산화되어검은색이됨. 지금까지단세번화석식물로부터일부유전자가성공적으로증폭되어염기서열이결정된바있음. 최근의성공은 DNA sequences from Miocene fossils: An ndhf sequence of Magnolia latahensis (Magnoliaceae) and an rbcl sequence of Persea pseudocarolinensis (Lauraceae). American Journal of Botany (2004) 91:615-620 Sangtae Kim, Doug Soltis, Pam Soltis, and Youngbae Suh
화석잎을갈아 DNA 추출을위해추출버퍼에넣은후원심분리하면 초록색을확인할수있음. 아마도엽록체는잘보존되어있지않을까
Magnolia latahensis (Berry) Brown
Persea pseudocarolinensis Lexquereux
Plants are Cool Too Episode 2: Fossilized Forests (Clarkia fossil bed 소개 ) https://www.google.co.kr/?gws_rd=cr#q=plants+are+cool+too+episode+2 Clarkia 화석지대식물화석에서의지금까지의연구는 PCR 증폭에의해일부유전자 의염기서열을밝힌것이었음. 유전체시대라고하는데 NGS 기술이엄청발달했다고하던데 NGS 를이용해서화석속의모든 DNA 염기서열을밝히면어떨까? 한국연구재단모험연구 project 실패의가능성이큰실험을모험적으로시도해보는연구에투자하는프로그램. 2015 년선정과제 : A plaeogenomic study of Miocene fossils from Clarkia fossil bed: focused on Magnolia latahensis 신생대중신세크라키아화석지대의목련화석을이용한고유전체연구 - 성신여자대학교김상태 - 이연구는현실적으로쥬라기공원스 토리랑가장근접한연구라고나할까 Dr. Bill Ramber Dr. David Tank
Big Questions 과학 Chap. 4 우리를인간이도록하는것은무엇일까?
도구를사용하는것은인간만의특징인가? No 호모하빌리스 (Homo habilis): 약 233만년 ~140만년전제4기플라이스토세에살았던사람속화석인류이며, 도구의인간이라는의미이다. 1962년에서 1964년까지루이스리키와그의아내메리리키에의해탄자니아세렝게티국립공원의올두바이협곡에서처음발견되었다. 키는평균약 130~150cm였으며뇌용량은약 600~850cc였다. 인간의큰두뇌, 하지만크기가중요할까? 고래, 코끼리, 돌고래는인간보다큰뇌를갖음. 신경세포의수는인간이다른종들보다압도적으로많음. (= 피질 ) 인간두뇌의핵심부분크기가커지고능력이향상되었다고생각하기도함. 청각, 언어를관장하는부분과공간지각에관련된부분이네안데르탈인보다크다 ( 대뇌피질에위치함 ).
인간두뇌가커진것에대한또다른이론 : 두뇌크기가커진것은유전적원인때문이아니라음식물을요리해먹기시작한때문임. 익힌음식물은영양흡수가잘되어두뇌가필요한에너지를공급할수있었음. ( 두뇌는우리몸전체사용에너지의 20~30% 를사용함 ) 언어 가인간을정의하는특징이될수있을까? 반드시그렇지는않은듯 인류문명의발달 : 인간이이룬성취는집단적지능에기초를두고있다. 인간신경연결망에서교차점은사람자신이다. 각자한가지일을하고그것에익숙해지면교환을통해결과를결합하고공유함으로써사람들은그들이생각할수도없었던일까지할수있게된다 -Matt Ridley - TED TALK: I am my connectome http://www.ted.com/talks/sebastian_seung 내가무엇일까에대한대단히감명적인 talk 입니다. 시청하고 connectome에대하여고민해봅시다. Connectome: 연결된것의총합.
생활속의과학 (SS50900) 영화, 과학기사, 다큐멘터리로바라보는현대과학이야기. 생명과학화학부김상태
The Last Take Home Message in This Lecture I am my connectome!!! Thank you very much. I wish you have a nice vacation!