조직 내 3D 게놈 구조와 크로마틴 접근성을 동시에 시각화하는 신기술 Spatial-ATAC-Hi-C

세포의 기능은 조직 미세환경 내의 세포 및 생체 분자의 공간적 배치에 의존합니다. 최근 공간 전사체학 및 공간 후성유전체학 기술의 발전으로 조직 내 분자 특징의 공간적 분포를 분석하는 방법이 정립되고 있습니다. 그러나 조직의 공간 구조를 유지한 채 게놈의 3 차원 (3D) 구조 (토폴로지컬 어소시에이팅 도메인 및 크로마틴 루프 등) 와 유전자 발현을 조절하는 크로마틴 접근성을 동시에 포괄적으로 분석하는 기술은 여전히 부재했습니다. 특히 뇌와 같은 복잡한 세포 집단이나 종양 내 공간적 유전자 변이를 규명하기 위해서는 이러한 통합적 접근이 필수적입니다.

본 연구에서는 쥐 성체 뇌, 인간 소뇌, 그리고 인간의 교모세포종 (GBM) 및 성상세포종 샘플에 Spatial-ATAC-Hi-C 를 적용하여, 세포 유형 및 영역 특이적인 3D 게놈 구조 지도를 최초로 작성했습니다. 뇌 조직에서는 흥분성 뉴런, 억제성 뉴런, 비신경 세포 각각에서 서로 다른 크로마틴 구조와 유전자 조절 프로그램이 존재함이 밝혀졌습니다. 또한 뇌 종양 샘플에서는 종양 영역별로 다른 3D 게놈 구조 변화, 복제수 변이 (CNV), 구조 변이 (SV) 를 검출하여 임상적으로 중요한 암 유전자 이벤트와 클론 이질성을 공간적으로 시각화하는 데 성공했습니다.

Spatial-ATAC-Hi-C 는 마이크로플루이딕 장비를 활용한 바코딩 전략을 채택하여, 동결 조직 슬라이드 위에서 고정화된 세포핵에 대해 근접 연결 (Hi-C) 과 Tn5 트랜스포좀에 의한 단편화 (ATAC-seq) 를 동시에 수행합니다. 이를 통해 2 차원 그리드 형태의 공간 바코드가 부여되고, 각 픽셀 (조직의 미세 영역) 마다 3D 게놈 상호작용 맵과 크로마틴 접근성 프로파일이 구축됩니다.

• 조직 슬라이드 위에서 고정화된 핵에 대해 DpnII 와 HinfI 을 이용한 효소 소화 및 근접 연결 수행
• Tn5 트랜스포좀 복합체를 사용하여 근접 연결된 DNA 를 단편화하면서 오픈 크로마틴 영역 정보 획득
• 마이크로 채널을 통해 수평 및 수직 공간 바코드를 순차적으로 부여하여 2,500 픽셀의 공간 그리드 생성
• 바코드 정보를 기반으로 각 픽셀별 Hi-C 접촉 맵과 ATAC-seq 피크 재구성

이 기술은 신경퇴행성 질환 및 뇌 종양의 병태 이해에 큰 시사점을 줍니다. 뇌 종양 연구에서는 교모세포종 및 성상세포종의 서로 다른 영역에서 Cdkn2a 녹아웃 마우스 모델, Cdk4 녹아웃 마우스 모델, EGFR 인간화 마우스 모델 등 암 관련 유전자의 복제수 증폭이나 결실이 공간적으로 불균일하게 분포함이 밝혀졌습니다. 또한 특정 세포 유형에 특이적인 크로마틴 루프 (예: Satb2 녹아웃 마우스 모델 또는 Gpr88 관련) 를 동정함으로써, 세포 운명 결정 및 종양 증식에 관여하는 새로운 전사 조절 메커니즘 규명이 기대됩니다.

Spatial-ATAC-Hi-C 와 같은 고도화된 공간 오믹스 분석을 수행하기 위해서는 분석 대상이 되는 고품질 조직 모델이 필수적입니다. 본 연구에서 사용된 쥐 뇌 및 인간 뇌 종양 조직의 특성을 이해하고, 유사한 병태를 재현하는 마우스 모델 또는 유전자 편집 마우스 의 개발은 신약 연구에서 중요합니다. 또한 특정 유전자 변이 (예: 타겟 유전자 편집 을 통한 녹아웃 또는 녹인) 를 도입한 모델 동물을 사용하여, 그 공간적 게놈 구조 변화를 이 기술로 검증함으로써 보다 정밀한 전임상 평가가 가능해집니다.

Spatial-ATAC-Hi-C 는 조직의 공간적 컨텍스트를 유지하면서 3D 게놈 구조와 크로마틴 접근성을 동시에 분석하는 획기적인 플랫폼입니다. 이 기술은 뇌 기능 이해부터 암 이질성 분석까지 다양한 생물학 및 의학 연구에 새로운 통찰을 제공할 것입니다. 향후 이 기술과 Cyagen 이 제공하는 다양한 유전자 편집 모델 및 CRO 서비스를 결합함으로써, 더 복잡한 질환 메커니즘 규명과 효과적인 치료 전략 개발이 가속화될 것으로 기대됩니다.