11강. 생물정보학(bioinformatics)
추천글 : 【생물학】 생물학 목차
1. 개요 [본문]
2. 비교 유전체학 [본문]
3. 기능 유전체학 [본문]
4. 후성유전학 [본문]
5. 메타유전체학 [본문]
6. 전사체학 [본문]
7. 단백질체학 [본문]
8. 대사체학 [본문]
9. 약리체학 [본문]
10. 표현체학 [본문]
11. 라디오믹스 [본문]
a. 생물정보학 분석 목차
b. 전사체 분석 파이프라인
c. 셀 타입 마커 유전자
1. 개요 [목차]
⑴ 암종 > 102
⑵ 매년 암환자 ~ 2 × 106
⑶ 암을 일으키는 driver mutation ~ 105
⑷ variant combination ~ 100000C6
⑸ 셀 타입 및 셀 상태 ~ 104
⑹ 유전자 조합 ~ 1013
⑺ 항체 서열 ~ 2032
⑻ small molecule 약물 ~ 1060
2. 비교 유전체학(comparative genomics) [목차]
⑴ 인간 게놈의 특징
① 인간 게놈은 31억 개의 염기쌍으로 구성돼 있음
② 1/3 미만이 RNA로 전사되고, 5% 정도만 단백질을 암호화함
③ 단백질을 암호화하는 유전자는 20000 ~ 25000개 정도 : 다른 포유류와 유사한 수준
④ 유전자는 평균적으로 3000 base 정도로 구성돼 있음
⑤ 모든 사람은 최소 99.9% 동일
⑥ 인간 게놈에 반복 서열이 상당히 많음
⑦ 7% 미만의 단백질 암호 유전자가 척추동물 특이적
⑵ 원핵생물 유전자 vs 진핵생물 유전자
① 폴리시스트론성 mRNA vs 모노시스트론성 mRNA (하나의 mRNA에 암호화된 단백질 개수)
② 인트론 (×) vs 인트론 (O)
③ 전사와 번역의 동시성 (O) vs 전사와 번역의 동시성 (×)
④ mRNA processing (×) vs mRNA processing (O)
⑶ 여러 생물의 유전체 크기와 유전자 수의 비교
생물 종류 | 유전체 크기 (Mb : 106) |
단백질 유전자 수 |
단백질 암호서열(%) |
||
원핵생물 | 마이코프라즈마 | 0.58 | 470 | 88 | |
대장균 | 4.64 | 4,300 | 88 | ||
고초균 | 4.20 | ||||
진핵생물 | 균류 | 효모 | 12.6 | 6,200 | 70 |
아스파질러스 | 25.4 | ||||
원생동물 | 테트라하이메나 | 190 | |||
무척추동물 | 예쁜꼬마선충 | 100 | 21,000 | 25 | |
노랑초파리 | 180 | 15,000 | 13 | ||
누에 | 490 | ||||
성게 | 845 | ||||
척추동물 | 복어 | 400 | |||
인간 | 3,000 | 약 23,500 | 1.5 | ||
생쥐 | 3,300 | ||||
식물 | 애기장대 | 125 | 26,000 | 25 | |
벼 | 440 | 35,000 ~ 50,000 |
10 | ||
완두 | 4,800 | ||||
옥수수 | 5,000 | ||||
밀 | 17,000 |
Table. 1. 여러 생물의 유전체 크기
① 생명현상 유지를 위한 최소 유전자 수 : M. genitalium 470 유전자 중 337 유전자
② 유전체의 크기와 생물체의 복잡성 간에 상관관계가 작음
③ 식물은 자주 배수체를 형성하기 때문에 유전체의 크기가 큼
⑷ 단세포 원핵생물과 진핵생물 유전체의 비교
E. coli | Yeast | |
유전체 길이 (염기쌍) | 4,640,000 | 12,068,000 |
단백질 유전자 수 | 4,300 | 6,200 |
대사작용 | 650 | 650 |
에너지 생산 및 저장 | 240 | 175 |
막 수송체 | 280 | 250 |
DNA 복제, 수선, 재조합 | 120 | 175 |
전사 | 230 | 400 |
번역 | 180 | 350 |
단백질 배달, 분비 | 35 | 430 |
세포 구조 | 180 | 250 |
⑸ 다세포 생물 특성에 필요한 필수적인 유전자들 (예 : 예쁜꼬마선충)
기능 | 단백질 영역 | 유전자 |
전사 조절 | 아연집게; 호메오박스 | 540 |
RNA 가공 | RNA 결합 영역 | 100 |
활동전위 전달 | 개폐형 이온 채널 | 80 |
조직 형성 | 콜라겐 | 170 |
세포 상호작용 | 세포외 영역; 글리코실전달효소 | 330 |
세포-세포 신호전달 | G 단백질 연결 수용체 단백질 인산화효소 단백질 인산가수분해효소 |
1,290 |
⑹ 인간(A)과 생쥐(B)의 유전체 비교
① 인간과 생쥐는 염기 서열에서 약 50%의 차이가 있으며, 약 7500만 년 전에 분지됨
② 이들이 가지고 있는 유전체의 크기나 유전자의 수는 별 차이가 없으며, 단지 다 반복서열 요소의 하나인 트랜스포존의 분포가 다를 뿐
③ 유전체의 구성 : 약 180회의 분절과 재결합 사건이 있었으며, 유전체의 90% 이상이 블록으로 이동 - 보존 분체
④ 보존 분체(conserved synteny)
⑺ 인간과 침팬지의 비교
① 인간과 침팬지의 유전자 차이는 1.23%에 불과함
⑻ 미토콘드리아와 엽록체 비교
① 미토콘드리아 유전체학 : 16,569 bp. 유전자 37개
○ 미토콘드리아 내 많은 단백질은 핵으로부터 유래
○ 예 : β 산화, TCA 효소는 세포질로부터 이동
○ 일부의 단백질들이 미토콘드리아 DNA로부터 전사 번역됨
○ 예 : 전자전달계 단백질, ATP 합성효소는 스스로 합성
○ 종결코돈 : CAG
② 엽록체 유전체학
○ 켈빈회로에 쓰이는 효소는 스스로 합성, 루비스코 대단위체는 엽록체, 소단위체는 세포질에서 생성
○ β 산화, TCA 효소뿐만 아니라 전자전달계 단백질, ATP 합성효소도 세포질로부터 이동
③ 엽록체가 미토콘드리아보다 훨씬 유전체 양이 많음
○ 미토콘드리아 : 반복서열, 인트론 없음
○ 엽록체 : 반복서열, 인트론 많음
○ (주석) 미토콘드리아 유전자는 대부분 핵으로 이동
3. 기능유전체학 [목차]
⑴ 개요
① 정의 : 인트론, 조절인자 등 모든 DNA의 기능을 연구하는 학문
② WGS, WES, GWAS, Chip-seq 등의 시퀀싱 기술이 활용됨
⑵ 유전물질의 이동
① 바이러스
③ 이동성 DNA : 트랜스포존, 레트로트랜스포존, LINE, SINE
⑶ 중간빈도 반복서열
① VNTR (비교적 긺), STR (비교적 짧음), 텔로미어
② 유전적 예상현상 : 세대 ↑ → 반복서열 ↑ → 질환 발병 ↑ (예 : 헌팅턴 무도병)
⑷ 고빈도 반복서열
① 상당히 응축, 동원체, 부수체
⑸ 위성 DNA
① A-T가 풍부한 반복 DNA
② 부력 밀도가 작음
⑹ 다유전자군
① 동일유전자군 (예 : rRNA)
② 유사유전자군 (예 : 헤모글로빈)
⑺ SNP(single nucleotide polymorphism)
⑻ CNV(copy number variation)
⑼ LOH(loss of heterozygosity)
⑽ genomic rearrangement
⑾ rare variant
⑴ 개요
① 루프 형성 : 암호화 DNA 상에서 역반복 서열이 존재할 때 일어날 수 있음
② 내재적 전사종결자, t-RNA, 텔로미어 tetra G 등은 루프 형성에 기여함
⑵ 세부 분야
① BS-seq(bisulfide sequencing)
② ChIP-seq(chromatin immunoprecipitation sequencing)
③ Hi-C seqeuencing (high throughput chromatin conformation capture sequencing)
④ ATAC-seq (bulk & single cell)
⑤ NOMe-seq
5. 메타유전체학(metagenomics) [목차]
⑴ 정의 : 주어진 환경에 존재하는 모든 미생물의 유전체의 집합
⑵ 메타게놈, 군유전체학, 범유전체학이라고도 함
6. 전사체학(transcriptomics) [목차]
⑴ 정의
① 전사된 RNA의 기능을 연구하는 학문
② 단백질에 비하여 상당히 민감성이 높은 RNA를 이용함
⑵ 세부 분야
① 벌크 전사체(bulk RNA-seq)
② 단일세포 전사체학(single cell RNA-seq) : 2013년 올해의 기술
③ 공간 전사체학(spatial RNA-seq) : 2020년 올해의 기술
④ 구조전사체학 : 후성유전체학과 관련
⑤ alternative splicing 및 isoform analysis : 2022년 올해의 기술
⑥ RNA 간섭 : miRNA, siRNA 등
⑦ long non-coding RNA
⑧ small RNA
⑨ pseudo gene : 전사는 되지만 번역되지 않는 유전자
7. 단백질체학(프로테오믹스, proteomics) [목차]
⑴ 개요
① 정의 : 번역된 단백질의 발현 양상을 연구하는 학문
② 100만 개 이상의 단백질을 대상으로 함
③ 전사체학은 실제 단백질체학의 약 40%만 설명할 수 있음
Figure. 1. NIH3T3 세포에서 mRNA abundance 대비 protein abundance
④ 장점 : 생리현상과 밀접한 바이오마커를 검출할 수 있음
⑤ 단점 : DNA, RNA에 비해 민감도가 떨어짐
⑵ 세부 분야
① protein expression : cytokine array 등
② PTM(post-translational modification)
③ 구조단백질학
○ 단백질의 4차구조(즉, 여러 폴리펩타이드가 하나의 단백질을 구성하는 경우)
○ 1차구조 상에서 멀리 떨어져 있는 아미노산이 실제로는 매우 가깝게 위치하는 경우가 있음
○ 예 : 트립시노겐에서 triad를 구성하는 His와 Ser은 1차구조 상 멀리 있으나 하나의 active site를 구성
○ 일반적으로 단백질의 서열을 분석하기 위해 peptidase(protease)로 일정 길이 이하의 절편으로 만듦
④ phospho-proteomics
⑤ glycomics
8. 대사체학(metabolomics) [목차]
⑴ metabolite profiling : serum, plasma, urine, CSF 등에서 진행
⑵ tandem mass spec
9. 약리체학(pharmacomics) [목차]
⑴ 개요 : high-throughput screening 기술이 사용됨
⑵ Affymetrix GeneChip : HG-U133 Plus 2.0 Array 등
⑶ Luminex bead arrays(L1000)
⑷ Illumina Human HT-12 v4 Expression BeadChip Array
⑸ mRNA-seq (Illumina Hi-Seq)
⑹ GCP : histone profiling
⑺ P100 : phosphoproteomics
⑻ KINOMEscan
⑼ KiNativ
⑽ MEMA
⑾ ELISA
⑿ RPPA
⒀ ATAC-seq
⒁ Cellarium
⒂ SWATH-MS
10. 표현체학(phenomics) [목차]
⑴ cancer
⑵ metabolic syndrome
⑶ psychiatric disease
11. 라디오믹스(radiomics) [목차]
⑴ 정의 : 핵의학 영상과 유전체 정보를 융합한 학문
입력: 2021.06.12 13:56
수정: 2022.03.17 13:44
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