Genome annotation #

2019년 현재 human을 비롯한 mammalian에서 microbial까지 많은 유전체 프로젝트가 완료되었거나 진행되고 있으며, NCBI의 사이트에서 그 내용을 확인할 수 있다. 이렇게 다양한 종에서 완료되었거나 진행 중인 유전체 프로젝트는 NGS 시대를 맞이하여 더욱 가속화 되었다. 유전체 프로젝트는 시퀀싱을 통해 유전체 서열을 구축하는 단계와 구축된 유전체 서열내 genetic elements(대부분이 repeat 및 단백질 코딩 유전자)를 예측하는 단계로 구성된다. 여기서 유전체 서열내의 genetic elements의 구조와 그 생물학적 기능을 예측하는 것을 Genome annotation이라고 정의하며, Genome annotation은 세 가지 과정으로 구분할 수 있다. 유전체 내의 genetic elements에 대한 구조적 정보를 분석하는 Structural annotation, 유전자의 기능을 규명하는 Functional annotation, 그리고 마지막으로 예측된 결과를 바탕으로 생물학 전문가가 면밀히 분석하는 Manual curation 과정으로 구성되어 있다. 이번 장에서는 Genome annotation에 대한 세 가지 과정에 대하여 구체적으로 알아보고자 한다.

Structural annotation #

Genome annotation의 첫 번째 단계인 Structural annotation은 유전체 서열 내에 존재하는 genetic elements의 위치와 구조 정보를 밝혀내는 것을 목적으로 한다. Genetic elements의 가장 큰 비율을 차지하는 부분은 repeat elements 이고, 단백질을 코딩하는 유전자 영역, 그리고 tRNA, rRNA 및 promoter 영역 등으로 구분하여 분석되어 진다.(그림 1).

그림 1. Structural annotation. 유전체 내의 유전자의 위치 정보와 상세 구조정보를 규명한다.

그림 2. Structural annotation 워크플로우. Ab initio 와 유전체 매핑을 결합한 방식.

반복서열 분석 #

진핵생물의 유전체 서열 중 반복 서열이 가장 많은 영역을 차지하고 있다. Transposon elements를 포함하여 simple repeat region, low complexity 영역이 전체 유전체의 약 30~60% 가량 해당된다. 따라서 반복서열 영역을 우선적으로 선별한 뒤 마스킹 작업을 통해 반복서열 영역에서의 유전자 예측은 예외로 처리한다. 물론, 반복서열 영역 내에도 단백질로 코딩 되는 부분이 존재 하지만, 극히 일부에 해당하기 때문에 추후에 따로 수행한다. 반복서열의 마스킹 작업은 주로 RepeatMasker (http://www.repeatmasker.org/) 분석 프로그램을 이용하여 진행한다. RepeatMasker는 유사성 기반의 검색을 통해 반복서열 데이터베이스에 존재하는 서열과 비교하여 유전체 내에 존재하는 transposon element와 retrotransposon element, rolling circles를 추출하고, TRF(Tandem Repeat Finder)라는 서브 프로그램에 의해 단순반복 서열을 규명한다. 이때 종별로 특이적인 패턴을 가지는 반복서열이 (http://www.girinst.org/) 존재하므로 주기적으로 최신의 반복서열 데이터베이스를 업데이트하여 분석하는 것이 좋다. 생물종별 특이적인 반복서열을 가질수 있으며 이를 위해 해당 생물종의 유전체 서열을 이용하여 자체적인 반복서열 데이터베이스를 구축하고 알려진 반복서열과의 서열 유사성으로 annotation을 수행한다. 가장 대표적인 프로그램은 RepeatModeler이며, RepeatARK, RepeatScout 등도 잘 알려진 프로그램이다.

유전자 모델링 #

단백질로 코딩되는 유전자의 위치를 결정하는 일차적인 단계로 일반적으로 Ab initio 방식과 매핑 방식을 결합하여 사용한다. 이는 수학적 알고리즘을 통해 유전자의 위치를 예측하는 유전자 예측 과정과 실제 시퀀싱하여 밝혀진 mRNA, ESTs, 근연종의 단백질 서열을 유전체 서열에 매핑하여 유전자 모델을 얻는 과정으로 구성된다.

유전자 예측 #

유전자 예측 과정은 대부분 HMM 모델을 이용하여 서열상의 Exon과 Intron을 예측한다. exon과 intron사이의 ‘GT-AG’라는 Splice signal을 인식하고 프로모터 영역과 3’ signal을 인지하는 방식으로 예측을 수행한다. 각 종마다 유전자 모델이 다르므로 정확한 유전자 모델을 설정하고 트레이닝 과정을 통해 종 특이적인 매트릭스를 형성하여 유전자 예측을 수행한다. 이때 예측 프로그램에 따라 연구자가 직접 매트릭스를 생성할 수 있도록 트레이닝을 수행할 수 있는 프로그램을 지원하는 공개용 예측 프로그램(Augustus, SNAP, GlimmerHMM)과 유료로 매트릭스를 구축, 제공하는 유전자 예측 프로그램(Fgenesh), 그리고 주기적으로 업데이트된 매트릭스를 제공하는 프로그램(GeneId)으로 구분할 수 있다. 이들 중에서 가장 많이 사용되는 Softberry사의 Fgenesh는 다른 예측 프로그램에 비해 정확성 및 신뢰성이 높아 국제적인 유전체 프로젝트에서도 이용되고 있다. Fgenesh는 유전자 예측 프로그램에서 가장 핵심이 되는 매트릭스를 제작하여 유료로 서비스하고 있으며, 일반적으로 매트릭스를 제작하는데 약 한 달 정도 분석을 수행한다.

그림 3. Fgenesh 분석 결과

공개용 예측 프로그램으로 EBI에서 개발한 GeneId와 고전적인 예측 프로그램인 GenScan, GlimmerHMM과 Augustus 등이 주로 이용된다. 이들 모두 유전자 예측 프로그램의 사용 시에는 간단한 명령어로 유전자 예측을 진행할수 있다. Augustus의 경우 분석 속도가 다른 프로그램들에 비해 느린 단점이 있다. 유전자 예측은 일반적으로 하나의 프로그램만을 사용하지 않고 여러 개의 프로그램을 동시에 사용하여 여러 개의 유전자 예측 모델을 생성한다. 이 후 유전자의 엑손, 인트론 단위로 규정화 되어있는 scoring 방식을 통해 여러 프로그램에서 중복적으로 예측된 유전자 모델을 우선적으로 채택하게 된다.

유전체 정렬(Genome alignment) #

유전체 상에서 유전자의 위치 및 구조 정보를 파악하는데 가장 중요한 정보를 제공하는 것이 mRNA를 비롯한 실제 서열정보이다. 유전체 프로젝트를 수행하면서 Full-length mRNA 시퀀싱을 함께 진행하는 이유라고 할 수 있다. 그 외 단백질과 ESTs 서열도 유전자 구조 정보를 제공하는 좋은 재료이다[11]. 최대한 많은 양의 실제 데이터(evidence data)를 확보하여 유전체 서열과의 유사성(similarity)을 조사하고 그 위치를 파악한다. DNA 서열의 경우 BLAT[13], Sim4[14], GMAP[16], AAT[15]가 주로 이용되고, 단백질 서열의 경우 BLAST와 wise2 package에 존재하는 Genewise[17], Exonerate를 이용한다. 유전체 서열이 매우 크므로 일차적으로 빠르게 매핑할 수 있는 BLAT이나 BLAST 등으로 대략의 위치를 설정하고 이후 좀 더 정교한 2차 매핑을 수행하는 경우도 있다.

이때, 서열상의 유사성에 의해 유전자 모델(Evidenced Gene Model)이 결정되므로 HSP length, coverage, identity와 같은 파라미터 조건을 엄격하게 설정하여 정확한 Evidenced Gene Model(EGM)을 만드는 것이 일반적이다. 또한 언급한 대부분의 프로그램은 모두 exon/intron 신호를 인지하며 local alignment을 수행하고 있어 intron이 존재하는 유전체 서열에 매핑 하기에 모두 적절한 프로그램이다.

특히 Exonerate의 경우 매핑과 동시에 가능한 유전자 모델을 제시한다. 따라서 유전체 서열과 유연 관계가 가까운 이종의 단백질 서열을 매핑 하여도 좋은 결과를 얻을 수 있다. 다만, 이후 진행되는 consensus gene model을 만들 때 score를 적절히 조절 해야만 한다. 다양한 프로그램을 통해 얻어진 유전자 모델 정보는 모두 동일한 형태의 파일 포맷을 유지하는 것이 좋다. 대부분의 프로그램이 공통적으로 지원하는 파일 형태는 GFF3 포맷이다(그림 4).

그림 4. GFF3 파일 포맷

유전체 모델 결합(Gene model merging) #

앞서 설명한 유전자 예측 프로그램을 통해서 얻어진 Predicted Gene Model(PGM)과 mRNA, EST, 단백질 서열을 유전체에 매핑하여 얻어진 Evidenced Gene Model(EGM)을 합쳐 Consensus Gene Model(CGM)을 만든다. 각 유전자 모델마다 가중치를 다르게 설정하여 동일한 위치에서 중복적으로 지지를 받아 높은 score 합계를 갖는 유전자 모델이 CGM으로 채택이 된다3.

일반적으로 EGM이 PGM 보다 높은 가중치를 가지며 EGM 가운데에서도 full-length mRNA > protein > mRNA > EST 순으로 우선 순위를 배정한다. PGM도 evaluation을 통해 프로그램별 우선순위를 정해주기도 한다. CGM을 만드는 과정은 full-length mRNA를 가장 우선 순위로 채택하되, full-length mRNA가 없을 경우 단백질과 EST, PGM이 제공하는 정보를 통해 complete CGM을 형성한다(그림 5).

그림 5. Consensus Gene Model making

몇 가지 예시를 통해 대표 되는 유전자 모델 형성 과정을 알아보도록 하자. 첫 번째 full-length mRNA를 통해 얻어진 EGM이 partial 단백질과 ESTs에 의해 공통적으로 exon/intron 정보를 제공 받아 complete CGM을 형성하였다(그림 6의 case1). 다음은 mRNA EGM이 없고 단백질 EGM이 가장 높은 가중치를 갖는 유전자 모델이 되어 EST 가 제공하는 3’ 정보를 통해 complete CGM을 형성한 경우 이다. 이때 EST EGM은 단백질 EGM의 partial 형태로 동일한 exon/intron 구조를 보이고 있다. 세 번째는 mRNA, 단백질 모두 존재하지 않고 partial ESTs EGM 만 존재할 때 EST EGM 하나 하나는 모두 낮은 가중치이나 동일한 위치에서 동일한 exon/intron 구조로 여러 ESTs EGM이 지지하고 있으므로 CGM을 형성할 수 있다. 또한 일정부분 동일한 유전자 구조를 갖는 PGM으로부터 3’ 정보를 제공 받아 complete CGM을 형성하였다. 마지막 네 번째 경우 세 번째 경우와 동일하게 PGM과 EST EGM이 존재하는 가운데 두 gene model이 서로 상이한 exon/intron구조를 보이고 있어 어떠한 CGM도 만들 수 없는 상황을 보여주고 있다. 만약 PGM 만이 존재할 경우라도 여러 프로그램을 통해 얻어진 PGM이 모두 동일한 exon/intron 구조를 갖는다면 CGM을 형성 할 수 있다. 대부분의 genome annotation에서 evidence 데이터를 충분히 갖추고 진행되기란 쉽지 않다. 따라서 종종 Evidenced Gene Model(EGM) 없이 Predicted Gene Model(PGM) 만으로 Consensus Gene Model(CGM)을 만드는 경우가 존재한다.

그림 6. Consensus gene model 만들기

이러한 유전자 모델을 형성하는 프로그램으로는 Tigr에서 공개 소스로 제공하는 EVModeler가 있다. Perl 스크립트로 구성된 프로그램은 GFF3 포맷의 gene model 정보를 입력받아 정해진 gene model별 가중치를 토대로 Consensus Gene Model을 제시한다.

이러한 일련의 과정이 모두 포함된 package 프로그램이 Maker, Breaker등이 있다.

C. Alternative splicing analysis 다양한 유전자 모델을 통해 Consensus Gene Model을 형성하고 나면 이후 alternative splicing 분석을 위해 transcripts를 분석한다[12]. mRNA, ESTs, 단백질, NGS reads 서열이 제공하는 다양한 transcripts를 consensus gene model (CGM)에 비교하여 alternative transcript model을 제시 한다. 이후 조직 특이적인 alternative transcripts나 cancer specific alternative transcripts 분석으로 biological meaning에 초점을 두고 분석을 진행하게 된다.

그림 7. Alternative splicing 분석

Functional annotation #

상동성(homology) 기반의 Annotation #

유전체 서열에서 유전자의 위치와 구조 정보를 파악하여 유전자의 서열을 분석한 뒤 그 서열 정보를 통해 유전자의 기능을 유추 한다. 가장 보편적으로 유전자의 기능을 분석하는 방법이 상동성 기반의 분석이다. 다만, 상동성 분석에 기반한 유전자 기능 유추 시 사용되는 데이터베이스에 따라 노이즈 발생률이 차이가 나므로 데이터베이스 구축에 많은 노력을 기울여야 한다. 분석하려고 하는 종과 동일한 종의 단백질 서열을 1차 데이터베이스로 구축하고 다음으로 유연관계가 가까운 종을 대상으로 2차 데이터베이스를 만드는 피라미드 형태의 데이터베이스 구축이 필요하다. 또한 각 데이터베이스에 맞는 상동성 경계 값(cutoff) 조정이 필요하다. 단백질 수준에서의 상동성은 보통 높게는 1e-200에서 낮게는 1e-4 까지 적절한 수준으로 조정을 하게 된다. 그러나 DNA 수준에서의 상동성은 아무리 높은 E-value 경계 값이라도 신뢰할만한 정보가 되지 않는다고 말한다. 따라서 e-value 뿐만 아니라 identity, HSP coverage 등이 상동성 레벨을 정하는 기준이 되기도 한다.

분석에 이용되는 데이터베이스는 그 특성에 따라 약간의 차이가 있다(표 1). 단백질의 기능 규명을 위해 단백질의 1차 구조인 서열 정보부터 2차 구조정보인 도메인 정보, 3차 구조정보에 해당하는 PDB 정보 등 다양한 데이터베이스가 이용된다. 뿐만 아니라 세포내 위치 정보를 통해 기능을 유추하기도 하므로 세포내 위치 정보까지 가능한 모든 정보를 분석할 수 있는 흡사 유전자 기능 백화점과 같은 유전자 기능에 대한 정보 분석이 요구된다. 이러한 통합적인 유전자 기능 분석을 수행하기 위해서는 다양한 알고리즘과 데이터베이스, 분석 프로그램들의 유기적인 네트워크가 구축되어야 하며, 수많은 데이터의 입출력이 이루어지므로 데이터의 효율적인 관리를 위한 시스템도 연계되어야 되므로 상당히 복잡한 대규모 분석 시스템이 요구된다. BioMax사에서는 초기 인간 유전체 기능 분석부터 수백 종의 미생물, 다양한 척추동물, 식물 등의 기능 분석을 수행한 Pedant-Pro(http://www.biomax.com/products/pedantpro.php)라는 유전체 구조, 기능 분석 자동화 시스템을 서비스하고 있다.

Pedant-Pro에서는 크게 세 가지 카테고리로 구성된 데이터베이스를 통해 단백질의 기능을 규명하고 있다. 첫 번째, 단백질의 1차 구조인 서열정보를 이용한 분석으로 GO, MetaCat, FunCat, EC, COGs 데이터베이스를 활용한다(표 2).

단백질의 기능 분석은 DAG 구조를 이용한 계층화 방법으로 다중 기능을 수행하는 단백질의 특성에 맞게 GO와 FunCat을 이용하고 있으며, 그 중 MetaCat은 metabolization 분석에 이용되며 EC는 단백질의 enzymatic function에 각각 초점을 두어 이차적인 세포내 대사회로 분석의 기초자료를 제공하고 있다. COGs는 종간의 ortholog 그룹 정보를 데이터베이스로 구축한 것으로 유사 기능을 갖는 단백질들을 그룹화하여 기능을 유추하는데 도움을 주고 있다. 두 번째로는 단백질의 이차구조정보를 이용한 분석이다. 단백질의 hydrophobicity에 기반을 둔 transmembrane helice 및 site prediction을 수행하는 HMMTOP, TMHMM 그리고 단백질의 signal peptides 및 cleavage site를 예측하는 SignalP 분석이 이에 해당된다.

그림 8. Pedant-Pro 유전자 기능 분석 결과 리포트.
Pedant-Pro의 유전자 구조, 기능 분석 리포트는 웹으로 확인할 수 있으며, 윈도우 방식의 디렉토리/폴더 구조로 각 분석 결과들이 구성되어 있으므로, 연구자가 쉽게 다양한 정보를 습득할 수 있다. 분석 결과 리포트는 다양한 공개 데이터베이스와의 연계 정보와 단백질의 도메인 정보, FunCat과 같은 기능 분류 정보등과 같은 다양한 특징적인 정보들을 볼 수 있다. 또한 단백질의 1차, 2차, 3차 구조에 대한 정보와 단백질의 Paralog 클러스터 정보 등을 확인할 수 있다.

단백질의 서열 정보에 기반하여 얻어진 단백질 내의 도메인 정보는 프로파일 과정을 통해 서로 비슷한 도메인 프로파일을 갖는 단백질들 간의 클러스터 분석에 이용된다. 단순 서열 상동성에서 벗어나 좀 더 구체화된 기능을 중심으로 유전자의 기능을 유추하는 방법을 Pedant-Pro에서 제시하고 있다(그림 9). 유사한 방법으로 synteny 구조를 이용한 ortholog 분석이 있다. 유연관계가 가까운 종과의 synteny 분석을 이용해 유전자의 기능 뿐 아니라 염색체 내의 물리적 위치정보까지 이용하여 유전자의 기능을 규명하게 된다. 이들 방법들은 종간 ortholog 분석에 기초한 비교유전체 분야에 주로 이용되며 그 자세한 내용은 다음에서 다루도록 한다.

그림 9. 도메인 profile을 이용한 protein cluster 분석

Professional Curation #

상동성 기반의 Annotation 수정 #

수학적 알고리즘에 의한 유전자 예측으로 생각할 수 없었던 예외적인 사항이 많이 발생한다. 따라서 이러한 부분은 실제 유전자의 구조를 하나씩 살펴가며 수정 작업을 거쳐 최종적인 유전체 분석을 수행하게 된다. 분석 가능한 소프트웨어로는 Apollo와 Pedant-Pro가 있다. Apollo는 오픈 소스로 제공되며, Berkeley Drosophila Project 수행을 위해 Sanger Institute에서 개발하였다.

유전자의 구조 정보를 편집하기 위한 프로그램으로 evidence 데이터의 alignment 정보와 structural annotation 결과 형성된 Consensus Gene Model 정보를 같이 보며 수정 작업을 수행 한다(그림 12).

그림 10. Apollo. Consensus gene model의 정확성을 manually curation 한다. 유전자의 길이, 위치를 직접 편집하면서 가능한 AS form과 유전자 모델을 만들며, 이를 다시 xml혹은 GFF 형태로 저장하여 genome browser에 이용할 수 있도록 하였다.

입력 포맷으로 GFF3, Ensemble, XML 형식이 가능하며 Chado 데이터베이스로부터 직접 데이터를 읽어 들일수도 있다. 또한 삽입(Insertion), 삭제(Deletion), 확장(Extension), 분리(Split), 결합(Merge), 이동 그리고 변환(Replacement) 등 가능한 모든 유연한 편집 모드를 이용하여 유전자의 구조 정보를 편집할 수 있다. 또한 편집 시 필요한 주석 태그를 덧붙일 수 있는 것 또한 장점이라 할 수 있다.

기능 분석 결과의 수정(functional annotation) #

서열 상동성 및 도메인 정보를 통해 분석되어진 유전자의 기능 정보에서 전문가의 분석에 의존하여 알고리즘에 의한 오류를 수정하거나 분석 정보를 편집, 수정할 수 있다. 이전 페이지에서 언급한 Pedant-Pro에서는 이와 같은 전문가의 수정 기능과 수정된 정보의 업데이트 기능을 지원하고 있어서 최종적으로 가장 정확한 유전체 분석 정보를 얻을 수 있다(그림 13). 수치상 상동성이 높은 단백질로 유전자 매핑이 이루어져야 하므로 발현 정보, 도메인 정보 등을 종합하여 단백질의 기능을 수정해야 할 때 이용하게 된다. 이러한 작업은 대부분 생물학적 지식을 갖춘 다수의 전문가들에 의해 진행되게 된다. 따라서 전문가에 의한 기능 분석 수정에 대한 이력 정보를 관리하는 것 또한 중요하다고 할 수 있다.

그림 11. Pedant-pro annotation edition

출처 #

• http://insilicogen.com/blog/57
• http://insilicogen.com/blog/58
• http://insilicogen.com/blog/59
• http://insilicogen.com/blog/60
• http://insilicogen.com/blog/61
• http://insilicogen.com/blog/62
• http://insilicogen.com/blog/63

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