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DNA microarray #
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Experiment

DNA Microarray #

DNA Microarray란? #

DNA Microarray는 DNA chip 또는 Biochip이라고도 하며, 유리 슬라이드와 같은 고체 표면에 수천개에서 수만개의 유전자(Target DNA)를 고정시켜 형광표지를 한 probe DNA를 hybridzation 시킨 것이다. 유전체 정보로부터 시작된 유전자의 발현 정보는 유전자의 기능을 이해하는 데 매우 중요한 도구가 된다. 그래서 오래전 부터 유전자의 발현을 조사하기 위한 다양한 방법이 개발되어 사용되었다. Northern blotting이나 RT-PCR방법과 같은 전통적인 유전자 발현 연구에서는 매우 제한된 숫자의 연구만을 연구할 수 있었기 때문에 8~10만개 이상으로 추정되는 인간의 유전자들의 발현 정도를 측정하려 한다면 아마도 수천 수만번 이상을 실시해야 했었다. 기존의 분자생물학적 지식과 현대에 와서 급속도로 발전한 기계 및 전자공학의 기술을 접목하여 만들어진 것이 바로 Microarray이다. 현재는 모든 유전자의 정보의 확보와 DNA 칩 기술의 발전으로 세포 속에 발현되는 대량의 유전자 발현을 동시에 측정할 수 있다.

보통 DNA microarray의 일반적인 분석에서는 두 그룹간의 상대적인 유전자 발현의 정도를 비교하지만 때로는 여러 종류의 시료에 대하여 유전자 발현의 정도를 비교하여 다수의 시료간에 유전자 발현의 정도를 그룹핑(clustering)함으로써 상대적 유사성을 비교하여 분석한다. 예를들면, 다양한 종류의 암 세포주를 DNA microarray방법을 이용해 대량의 유전자에 대한 유전자의 발현을 조사하여 개별 세포들 간의 유전자 발현 패턴의 유사성을 비교할 수도 있다. 이러한 분석방법은 유사한 그룹에서만 발현되는 고유한 유전체 바이오 마커 발굴에 활용되고 있다. 한편 DNA microarray에서 생상된 differential gene expression data를 이용한 다양한 생물학적 경로(pathway) 분석은 DAVID 프로그램 또는 Ingenuity Pathway Analysis(IPA) 프로그램 등을 이용하면 손쉽게 분석할 수 있다.

!Image 위의 이미지에서 전체 평균과 비교하여 유전자 발현이 높으면 붉은색으로 발현양이 낮으면 녹색으로 표시된다. 출처: 基因芯片聚类分析图-图片图谱/ www.bioon.com

DNA microarray 분석방법의 주 목적은 두 그룹 사이에 유전자 발현의 차이를 비교하는 데 있다. 예를 들면, 세포주에서 약물을 처리하기 전과 처리 후에 유저낮 발현에 차이를 보이는 유전자를 찾거나 정상조직과 질병 조직간에 유전자 발현의 차이를 보이는 유전자 및 발현 양의 차이를 대량의 유전자를 대상으로 조사할 수 있는 매우 강력한 분석 방법이다.

한편 microarray를 이용한 유전자 발현 데이터를 이용하여 논문을 발표하는 경우에는 public gene expression database에 연구에 사용된 expression data를 기탁하도록 되어 있다. 그 덕택에 대부분의 유전자 발현 data는 public database에 보관되어 있어 일반 연구자도 이용 가능하게 되었다. 가장 대표적인 유전자 발현 데이터베이스로는 미국의 GEO(Gene Expression Omnibus)와 영국의 Array Express가 있다.

Microarray의 원리 #

전사체 연구에서 가장 많이 사용되고 있는 DNA microarray 기술은 유리 슬라이드와 같은 곳에 유전자의 알려진 염기서열을 가진 DNA 조각(probe)을 일정한 간격으로 촘촘히 올려 제작된다. DNA chip은 형광으로 표지된 cDNA를 결합시킨 후에 형광의 강도로 유전자 발현의 정도를 측정하게 된다. 그리고 두 그룹 간의 유전자 발현 차이를 알고자 할 때는 두 그룹의 cDNA를 각각 두가지 다른 형광(Cy5 & Cy3)으로 표지하여 DNA chip에 동시에 결합시켜서 두 형광의 상대적 강도를 비교함으로써 유전자발현의 차이를 비교한다. 일반적으로 대조군에서 분리된 cDNA는 Cy5(붉은형광)으로 표지하고 처리군의 cDNA는 Cy3(초록색 형광)으로 표지하여 DNA chip에 결합한다. 만약에 대조군과 처리군 간에 유전자의 발현이 동일하면 붉은색 형광과 초록색 형광이 동일하게 결합함으로써 두 색이 합성되어 노란색을 띄게 된다. 그러나 붉은 형광이 더 강하게 검색되면 대조군에서 유전자 발현은 강하지만 처리군에서는 유전자 발현이 상대적으로 매우 낮아졌음을 알 수 있다. 반대로 초록색이 강하게 검색되는 경우에는 대조군에 비하여 처리군에서 유전자가 더 많이 발현된 결과임을 나타낸다.

따라서 DNA microarray 실험을 통해 측정된 Cy5와 Cy3형광의 절대적인 값으로 유전자의 발현 양을 측정하고 두 그룹간의 상대적인 발현의 정도를 비교하여 유전자 발현이 증가(up-regulation)하였는지 또는 감소 (down-regulation)하였는지를 조사할 수 있다. 이러한 DNA microarry는 다양한 조건 하에서 대량의 유전자 발현을 동시에 모니터링 할 수 있어 세포 속에서 일어나는 다양한 유전자 발현의 경로를 이해하는데 매우 효과적인 연구 방법이다.

[출처] YouTube, DNA microarray

Microarray의 종류 #

Microarray를 통해 유전자 발현을 측정하는 방법으로는 크게 one-dye와 two-dye 방식이 있다. hybridization 즉, 상보결합 반응을 측정할 때, 두 샘플에 동일 형광물질을 입힌 후 두 개의 서로 다른 microarray 에서 반응시켜 측정하는 방식을 one-dye microarray 라 하고, Target과 Reference 샘플에 각각 적색, 녹색 형광물질을 입힌 후 한 개 microarray 에서 반응시켜 측정하는 방식을 two-dye microarray 라 한다.

One-dye 방식에서는, 25 ~ 60 mer 정도되는 oligo-nucleotide 서열을 microarray 에서 직접 쌓아 올려, 반도체 제작 공정과 비슷한 방식으로 제작하기 때문에 microarray 에 집적되어 있는 probe 의 숫자가 two-dye 에 비해 상대적으로 많다. 따라서 genome-wide 칩 제작에 용이하고, 또한 샘플마다 동일 형광물질을 사용하기 때문에, 형광물질에 따라 측정값이 달라질 수 있는 two-dye 와 비교했을 때 비교적 정확한 측정값이 나올 수 있습니다.

Two-dye는 Target,Reference 샘플의 유전자 발현 차이를 한 개의 칩에서 확인할 수 있다는 장점이 있다. 그러나 microarray에 probe를 붙일 때 기계적인 printing 방식을 이용하거나 반응 샘플 종류에 따라 서로 다른 형광물질을 쓰는 등, 정확한 발현량 측정하기 어렵다는 점에서 현재는 사용 빈도가 감소되는 추세이다.

Microarray의 응용 #

현재 사용되는 대표적인 one-dye microarray 로는 human, monkey, dog 등 포유류를 포함한 20종이 넘는 연구에 Illumina, Affymetrix, Agilent microarray가 있다.

REFERENCE #

이종극/질병유전체분석법3(Genetic Variation and Disease)/도서출판 월드사이언스/2015/

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