단일 세포 수준의 이질성과 가소성, 트랜스크립션 인자 용량으로 해독하다¶
원제목: Decoding single-cellheterogeneity and plasticity
핵심 요약
- 단일 세포 시퀀싱과 대규모 세포 지도를 통해 광범위한 전사 다양성이 밝혀졌지만, 세포 상태 전반의 조절 결과 예측은 여전히 어렵다는 점을 강조함.
- 새로운 기술인 scTF-seq는 트랜스크립션 인자(TF) 용량에 따른 정량적 전사 반응을 단일 세포 수준에서 매핑하여 TF 용량의 중요성을 규명함.
- TF 용량과 환경 맥락이 세포 이질성과 가소성을 어떻게 조절하는지에 대한 정량적 프레임워크를 제시하며, 세포 상태 공학의 정밀도를 높일 수 있음을 시사함.
상세 내용¶
단일 세포 이질성과 가소성은 발생, 재생, 질병 진행, 세포 공학 등에서 매우 중요한 역할을 합니다. 최근 단일 세포 시퀀싱 및 대규모 세포 지도 작성 기술의 발전으로 광범위한 전사 다양성이 밝혀졌지만, 특히 인간 골수 중간엽 줄기/기질 세포(MSC)와 같이 잘 연구되지 않은 세포 집단을 포함한 생리적, 병리학적 맥락에서 조직 구성을 완전히 파악하는 것은 여전히 어려운 과제입니다. 동시에, 전사 인자(TF)가 염색질에 결합하고 조절 DNA를 해석하는 방식을 포함하여 유전자 전사의 분자적 결정 요인 및 조절 로직을 밝히는 데 상당한 진전이 있었습니다. 그러나 세포 상태의 전체 스펙트럼에 걸쳐 조절 결과를 정량적으로 예측하는 능력은 여전히 제한적입니다. 이러한 격차는 특히 TF가 주도하는 세포 재프로그래밍에서 두드러지며, TF 용량이 유전자 발현 프로그램 및 세포 운명 전환에 미치는 영향은 여전히 잘 이해되지 않고 있습니다.
이러한 과제를 해결하기 위해 본 연구는 단일 세포 해상도로 TF 용량별 조절 활동을 분석하기 위한 실험 및 분석 프레임워크를 개발했습니다. 이 연구의 핵심은 scTF-seq로, 바코드 처리되고 독시사이클린 유도성 TF 과발현 기술로, 광범위한 TF 용량 범위에 걸친 전사체 반응을 정량적으로 매핑할 수 있습니다. 마우스 배아 MSC에 적용된 scTF-seq는 384개의 TF에 대한 이득-기능(gain-of-function) 지도를 생성했습니다. 이를 통해 이전에는 알려지지 않았던 TF 기능을 식별하고, 용량 의존적 및/또는 무작위적인 재프로그래밍 이질성을 유도하는 단조롭고 비단조적인 용량-반응 패턴을 강조하며, TF를 다른 재프로그래밍 능력 및 용량 민감도 범주로 분류할 수 있었습니다. 또한, 조합 scTF-seq 실험은 상대 TF 수준에 따라 달라지는 협력적 및 길항적 효과를 포함한 복잡하고 용량 의존적인 TF 상호작용을 밝혀냈습니다.
이러한 발견을 바탕으로, scTF-seq를 다중 양식(multimodal), 시간적, 공간적 단일 세포 프로파일링으로 확장할 것을 제안합니다. 이러한 통합은 TF 용량을 염색질 접근성, cis-조절 요소 활성, 동적 유전자 조절 네트워크 구조, 그리고 전사 기계의 공간적 및 생물리적 조직화와 직접적으로 연결하여, TF 용량이 유전자 조절 및 세포 이질성을 어떻게 형성하는지에 대한 메커니즘적 통찰력을 제공할 것입니다. 마지막으로, 노화 대조군 및 백혈병으로 재형성된 골수에서 분리된 인간 골수 MSC에 단일 세포 전사체 프로파일링을 적용하여 고해상도 MSC 지도를 생성했습니다. 이 보완적인 연구는 기능적으로 분극화된 MSC 상태, 질병 관련 MSC 재형성, 그리고 배양에 의해 유발되는 전사 다양성의 억제를 보여주었습니다. 종합적으로, 본 연구는 TF 용량과 환경 맥락이 어떻게 세포 이질성과 가소성을 지배하는지를 해독하는 정량적 프레임워크를 확립하며, 이를 통해 세포 상태의 보다 정확하고 예측 가능한 공학이 가능해질 것입니다.
편집자 노트¶
이번 연구는 세포 생물학과 유전체학 분야에서 매우 흥미로운 진전을 보여주고 있습니다. '단일 세포 이질성'이라는 말은 모든 세포가 동일하지 않다는 것을 의미하며, 이것이 우리 몸의 복잡한 기능과 질병의 발생에 중요한 역할을 합니다. 특히, '세포 가소성'은 세포가 환경 변화에 맞춰 자신의 기능이나 형태를 바꿀 수 있는 능력을 말하는데, 이 두 가지 개념을 이해하는 것은 신약 개발이나 재생 의학에 필수적입니다. 문제는 이 복잡한 세포의 세계를 어떻게 정확하게 들여다볼 수 있느냐 하는 점입니다. 기존에는 세포 하나하나의 유전체 정보를 분석하는 기술이 발전했지만, 특정 단백질(전사 인자, TF)의 양이 세포의 운명을 얼마나, 그리고 어떻게 바꾸는지에 대한 정밀한 연구는 부족했습니다.
이번 연구에서 개발된 'scTF-seq'라는 새로운 기술이 바로 이 간극을 메워줍니다. 이 기술은 마치 '전사 인자 농도계'와 같아서, 특정 전사 인자를 얼마나 많이 세포에 주입했을 때 유전자가 어떻게 반응하고 세포가 어떤 변화를 겪는지 단일 세포 수준에서 상세하게 측정할 수 있게 해줍니다. 마치 요리할 때 재료의 양에 따라 맛이 달라지듯, 전사 인자의 양에 따라 세포의 행동이 달라진다는 것을 과학적으로 증명하고 예측할 수 있는 기반을 마련한 것입니다. 이는 암세포의 비정상적인 증식이나 줄기세포를 원하는 세포로 분화시키는 등의 과정에서 특정 전사 인자의 최적 농도를 찾는 데 결정적인 역할을 할 수 있습니다. 이는 앞으로 개인 맞춤형 치료나 질병 예방 연구에 큰 영향을 줄 것으로 예상됩니다.