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A better cell atlas with full-length isoform sequencing

2023-05-22 09:26:36

무수히 많은 다양한 세포 유형, 상태 및 그 기능을 이해하는 것은 생물학을 이해하는 데 필수적입니다. Cell atlas 프로젝트와 컨소시엄은 조직, 장기 및 유기체의 다양한 세포 유형을 매핑하여 인간의 건강과 질병을 더 잘 이해하는 데 도움이 되는 reference resource를 생성하는 것을 목표로 합니다. RNA 시퀀싱 기술은 이러한 이니셔티브의 핵심입니다. 전장 전사체 시퀀싱으로 세포 유형에 대한 보다 상세하고 완전한 분석이 가능함을 확인하여 점점 더 많은 연구자들이 유전자분석에서 transcript isoform 분석으로 옮겨 가고 있다는 사실을 발견했습니다. PacBio 기술을 활용한  사용한 벌크 및 단일 세포 long-read isoform sequencing은 전사체에 대한 보다 포괄적인 뷰를 제공함으로써  세포 아틀라스 이니셔티브 연구를 위한 강력한 도구로서 활용 가능합니다.

 

UCLA, Upenn 공동연구팀의 최근 논문이 이를 뒷받침하고 있습니다.

 

“A novel cell-specific atlas of gene isoform expression reshapes our understanding of brain development and disease.”


 

이 연구는 short-read scRNA-Seq의 기술적 한계로 인해 이전의 genome 특성 연구는 주로 유전자 수준의 변화로 제한되어 인간의 뇌에서 진행되는  복잡한 alternative splicing 과 다양한 isoform의 결과를 포착할 수 없었습니다. 이러한 한계를 극복하기 위해 연구팀은 벌크 및 single cell Iso-Seq 방법으로 HiFi sequencing 을 활용하였습니다. 그 결과로 조직 및 단일 세포 수준에서  발생하는  신피질의 배아영역 (Germinal Zone)과  피질판(Cortical Plate) 영역의 전체 길이 전사체를 자세하게 프로파일링 하였습니다. 

연구팀은  Iso-Seq 리드들로 전사체 특성을 더 잘 분석할 수 있다는 것을 발견했습니다.

 

“…over 99% of the full-length reads were confidently aligned to the human reference genome, a marked improvement over the 85% mapping rate of short read RNA-Seq, enhancing discovery of novel splice isoforms.”

 

그 결과 연구원들은 다음과 같은 놀라운 새로운 발견을 했습니다.

 

- Detection of 214,516 unique isoforms covering 22,391 genes, 72.6% of the isoforms are novel, while many are predicted to have a functional impact at the protein-coding level and are supported by peptide evidence. In total, this new resource expanded the proteome by over 92,000 proteoforms.

 

- Identification of 27 Mb of the human genome that is transcriptionally active in the developing human brain but not currently annotated in Gencode.

 

- Characterization of novel isoform switches during cortical neurogenesis, implicating previously uncharacterized RNA-binding protein-mediated and other regulatory mechanisms in cellular identity and disease.

 

- Isoform-based single-cell clustering identified sub-clusters and transitory states not discernible using gene-based single-cell clustering.

 

이 새로운 자원을 활용하여 연구팀은 "신경 발달 장애와 관련된 수천 개의 희귀한 de novo 위험 변이체의 우선 순위를 재지정하고 위험 유전자가 유전자당 관찰되는 고유한 isoform의 수와 밀접하게 관련되어 있음을 확인하였습니다."

 

“…uncovers a substantial contribution of transcript-isoform diversity in cellular identity in the developing neocortex, elucidates novel genetic risk mechanisms for neurodevelopmental and neuropsychiatric disorders, and provides a comprehensive isoform-centric gene annotation for the developing human brain.”

 

 

Full-length transcript isoform analysis reveals new insights into biology and disease

 

Single cell  Iso-Seq 데이터는 표현된 전사체에 대한 지식을 크게 확장할 수 있는 힘이 있습니다.

 

Weill Cornell의 연구팀이 여러 마우스 뇌 영역, 세포 하위 유형 및 발달과정 상의  타임포인트에서 전체 길이 RNA isoform을 종합적으로 분석한 논문에서도 확인할 수 있습니다. 


 

"높은 정확도의 single-cell PacBio sequencing 데이터로  확인된 새로운 splice site를 확인하고 GENCODE annotation을 22.1% (40,184개 transcript)로  향상"하고 "유전자의 75%에 대해 하나 이상의  phenotypic origin에서 다양한 full-length isoform  expression을 확인” 

 

사우디아라비아와 싱가포르 연구원들의 장판 단일 세포 염기서열 분석에서 나온 대장암의 이소형 해상도 전사체 아틀라스라는 제목의 또 다른 사전 인쇄에서는 "최초의 이소형 해상도 CRC [ colorectal cancer] transcriptomic atlas”는 종양 세포에서 수백 가지의 조절되지 않은 전사체 구조를 식별하고 다중 스플라이싱 이벤트의 다양한 조합으로 인해 거의 300개를 포함합니다.



 

 

   

 

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