임상 진단율의 향상을 위한 차세대 염기서열 분석 방법의 적용

강지언(Ji-Un Kang) 한국콘텐츠학회 2023 한국콘텐츠학회논문지 Vol.23 No.2

차세대 염기서열 분석(NGS) 기술은 최근 여러 해 동안 연구에서 임상 진단으로 범위가 빠르게 확대되며, 유전자 관련 진단에 혁명을 일으키고 있다. 최근 정교한 분해능과 정확성으로 염기서열 분석을 빠르고 효율적으로 분석하고 있으며, 표적 유전자 염기서열 분석에서 전체 엑솜 염기서열 분석으로의 전환은 DNA 염기서열분석 비용 절감이 현실화되고 있음을 보여 주고 있다. 지난 여러 해 동안, NGS 관련 기술의 급속한 발전은 희귀 질병에서의 원인 유전자 분석을 구체화하며 진단 및 치료 응용을 현실화하고 있으며, 종양 전체 게놈 염기서열 분석을 통한 관련 유전자 규명은 오랫동안 약속된 목표를 구현하는데 큰 의미를 부여하고 있다. 본 연구에서는 NGS 분석 방법의 장점과 임상적 응용, 기술적 과제 및 앞으로의 전망에 대하여 논의해 보았다. Next-generation sequencing (NGS) technology has rapidly expanded its scope from research to clinical diagnosis, revolutionizing genetic diagnosis. Recently, we have been rapidly and efficiently diagnosing sequencing with sophisticated resolution and accuracy, and the conversion to full exome sequencing shows that the cost of DNA sequencing is being reduced. Over the years, rapid advances in NGS-related technologies have materialized causative gene analysis in rare diseases to realize diagnostic and therapeutic applications, and related gene identification through tumor-wide genome sequencing has evolved with great significance in realizing long-promised goals. In this study, we discussed about advantages of the NGS method, clinical application, future prospects, and technical challenges.

오래된 유해의 mtDNA 염기서열 분석을 위한 Sanger 염기서열 분석과 차세대 염기서열 분석의 비교

홍승범,박정현,김지영,안희중 한국과학수사학회 2013 과학수사학회지 Vol.7 No.3

본 연구에서 사용된 차세대 염기서열 분석 기반의 비교시험은 Applied Biosystems社의 3130 xl과Roche社의 GS junior (454 GS FLX) 염기서열 분석 장비를 이용하여 60년 이상 오래된 유해 100구의mtDNA 염기서열 분석을 수행하였다. 그 결과, GS junior가 95%에 해당하는 mtDNA 고변이 좌위에서더 높은 민감도와 식별력을 갖는 것으로 나타났다. 또한, 전반적인 염기서열 분석 결과의 base-calling 오류는 ‘random sampling’ 오류를 감안하더라도 높은 coverage 및 depth에 의해 상대적으로 낮은 수치를 나타냈다. GS junior는 상대적으로 많은 리드를 확보할 수 있기 때문에 단일 염기 변이 분석 결과에서3130 xl에 비해 6% 더 많은 염기 변이를 찾은 것으로 나타났다. 그러나 HV2의 309와 315에서 C insertion 으로 6 량체 이상 늘어나게 되면 poly C-stretch 현상이 발생하여 분석 성공률이 낮아진다. GS junior에서는 309와 315의 분석 성공률이 3130 xl에 비해 25%와 70%로 나타나 상대적으로 낮게 분석되었다.

차세대 염기서열 결정기에서 생성된 리드의 효과적인 정렬을 위한 소수 기반의 해시 알고리즘과 클러스터링 방법

경규호,박치현,여윤구,박상현 한국정보과학회 2012 데이타베이스 연구 Vol.28 No.2

Sequence alignment which maps DNA sequence fragment into reference genome sequence composed of 3 billion nucleotides is basic and fundamental problem in genomic. With the advent of next generation sequencing(NGS) machine and developing the technology, the researches which can fast and accurately align a large amount of short reads into reference genome have been studied. Because an alignment method has to map short reads into reference fast and accurately, both of speed and accuracy are major factor. However, they are in the trade-off relation and it is difficult to make an algorithm which satisfies both two factors. In this paper, we propose the novel hash method which can present the genomic fragment composed of A, C, G, T and N with prime number. We also propose the clustering approach which can consider the mis-match and bit transformation approach for enhancing alignment speed. To verify the superiority of our method, we used the real genome sequence published by NCBI as a reference data and obtained the simulated data from that. We compared the performance with BWA algorithm using the simulated data. The results showed that our method had higher accuracy and lower error rate than the ones of comparative method. 유전체 염기서열 정렬은 유전체 연구에서 가장 기본적이고 핵심적인 문제로 약 30억 개의 염기서열 문자로 구성된 레퍼런스 지놈 시퀀스에 염기서열 조각을 비교 정렬하여 맵핑되는 위치를 탐색하는 방법이다. 특히 최근 차세대 염기서열 분석(Next Generation Sequencing) 기술이 발전하면서 생성된 대량의 짧은 리드(read)를 빠르고 정확하게 레퍼런스 지놈 시퀀스에 정렬할 수 있는 방법에 대한 연구가 수행되고 있다. 짧은 리드 정렬 알고리즘은 대량의 데이터를 빠르고 정확하게 맵핑해야 하기 때문에 속도와 정확도에 주요한 의미를 두고 있지만 두 요소 사이의 트레이드오프(trade-off) 관계 때문에 두 가지 모두를 만족하는 알고리즘을 만들기란 매우 어렵다. 본 연구에서는 소수를 이용하여 A, C, G, T, N으로 이루어진 염기서열을 효과적으로 표현할 수 있는 새로운 해시 방법을 제안하고 미스매치(mis-match)를 고려할 수 있는 클러스터링(clustering) 방법과 비트(bit) 변환을 적용하여 정확하고 빠르게 염기서열을 정렬할 수 있는 알고리즘을 제시한다. 제안하는 방법의 우수성을 검증하기 위해 NCBI의 실제 인간 염색체를 레퍼런스 시퀀스로 사용하였고, 동일 시퀀스를 이용하여 만든 시뮬레이티드 데이터를 이용하여 BWA와 제안하는 방법에 대한 비교 실험을 수행하였다. 결과적으로 제안하는 방법이 비교 알고리즘과 비교하여 더 높은 정확도와 더 낮은 오류율이 확인되었다.

Hitting Set 문제를 이용한 차세대 염기서열 분석 리드의 처리속도 개선 방법

박태원(TaeWon Park),김소라(Sora Kim),최석문(SeokMoon Choi),조환규(Hwan-Gue Cho),이도훈(DoHoon Lee) 한국정보과학회 2011 정보과학회논문지 : 시스템 및 이론 Vol.38 No.6

최근에 등장한 Next Generation Sequencing(NGS)은 전통적인 방법에 비해 빠르고 저비용으로 대용량의 단편 서열 데이터를 얻을 수 있는 차세대 염기서열 분석 기술을 말한다. 이렇게 얻어진 NGS 데이터를 분석하는 단계 중에서 얼라인먼트(alignment) 단계는 시퀀서에서 얻은 대량의 리드(read)를 참조 염기서열에 맵핑하는 단계로 NGS 데이터 분석의 가장 기본이면서 핵심인 단계이다. 얼라인먼트 도구는 긴 참조 염기서열을 색인화해서 짧은 리드를 빠르게 맵핑하는 용도로 사용된다. 현재 많이 사용되고 있는 일반적인 얼라인먼트 도구들은 입력데이터에 대한 별도의 전처리 과정이 없으며 나열된 리드를 순차적으로 맵핑하는 단순한 구조를 가지고 있다. 본 논문은 NGS 데이터의 특징 중에 특히 리드간의 중복성을 이용한 리드의 효율적 공통 부분서열을 찾는 방법을 보여준다. 중복된 공통 부분서열과 그것이 포함된 리드의 관계를 그래프 이론의 Hitting Set 문제로 모델링하고 여러 리드가 포함하는 공통 부분서열을 사용해서 얼라인먼트 단계의 효율을 높일 수 방법을 제안한다. Next Generation Sequencing(NGS) is a faster and lower cost new sequencing technique getting huge-large scale fragment, called reads, sequence data than traditional sequencing. The next step to analyze the large-scale reads is to align to the reference genome sequence which is a fundamental and most important stage. Alignment tools in NGS are used for mapping short reads quickly using a indexed reference sequence. Most general alignment tools process listed reads sequentially without analyzing redundancy of inter-read of NGS data. In this paper, we explore efficient common subsequences using redundancy of inter-read in characteristics of NGS data. Relation between redundant common subsequences and reads containing them is modeled as hitting set problem in graph theory. Also we suggest a way to improve performance of alignment stage.

차세대 염기서열 분석법을 이용한 유전성 유방암에서의 유전자 정밀 진단의 임상적 유용성

강지언 한국콘텐츠학회 2024 한국콘텐츠학회논문지 Vol.24 No.2

The incidence of breast cancer continues to increase, and about 10% of patients are diagnosed as hereditary cancer. Recently, breast cancer-related genetic panels using Next Generation Sequencing (NGS) have emerged as a standard test method that can replace existing pathological tests, leading to innovative changes in breast cancer research. Currently, more than 30 genes, including BRCA, are simultaneously examined using NGS analysis technology to find specific genes involved in the development and progression of breast cancer and to improve the effectiveness of chemotherapy and establish patient-specific treatment strategies. In addition, unnecessary chemotherapy can be omitted if the risk of breast cancer recurrence is evaluated through NGS and determined as a low-risk group in genetic prognostic analysis. It is expected to become a life changer that enhances the effectiveness of chemotherapy and provides optimal customized treatment for individual patients by implementing gene-targeted treatment beyond the existing treatment paradigm through NGS-based customized precision medical care. 유방암은 여성에서 발생률이 지속적으로 증가하는 암 중의 하나로 환자 중 약 10%는 유전성 암으로 진단되고 있다. 최근 차세대 염기서열 분석(Next Generation Sequencing, NGS)을 활용한 유방암 관련 유전자 패널들이 기존 병리검사를 대체할 수 있는 표준 검사법으로 대두되면서 유방암 치료 및 예방에 혁신적인 변화를 일으키고 있다. 현재 NGS 분석을 통하여 BRCA를 비롯한 30여종의 유전자 분석이 이루어지고 있으며 이를 통해 유방암의 발생과 진행에 관여하는 특정 유전자를 찾아 유전자로 표적치료를 시행함으로써 항암치료 효과를 높이고 유방암을 예방하는데 도움을 주고 있다. 또한 NGS 분석을 통해 유방암 재발 위험도를 평가하여 유전자 예후 예측 분석에서 저위험군으로 평가될 경우 불필요한 항암치료를 생략할 수도 있다. 이렇게 NGS 기반 맞춤 정밀의료를 통해 기존 치료 패러다임을 넘어 새로운 유전자 표적치료를 시행함으로써, 항암치료 효과를 높이고 환자별 최적의 맞춤 치료를 제공하는 라이프 체인저가 될 것으로 기대된다.

시공간 효율적 DNA 서열 검색 알고리즘을 이용한 유전체 서열 어셈블러

윤경오(Kyong Oh Yoon),조성배(Sung-Bae Cho) 한국정보과학회 2012 정보과학회 컴퓨팅의 실제 논문지 Vol.18 No.11

초 고성능 바이오 서열 분석 장비(NGS) 기술의 발달로 대량의 바이오 정보가 쏟아져 나오고 있으며, 바이오 산업의 발달로 개인별 유전체 정보에 의한 맞춤의학의 시대가 다가오고 있다. 수많은 서열에 대한 분석에는 많은 저장공간이 필요하므로 슈퍼컴퓨터 급의 서버와 대량의 데이터를 빠르게 처리할 수 있는 프로그램이 필요하다. 이러한 분석에는 염기서열 일치 검색과 이를 기반으로 하는 Alignment와 Assembly 분석이 있으며, 이를 수행하는 기존의 알고리즘은 염기서열을 문자열로 취급하고, 해쉬 인덱스 테이블, Brujin 그래프의 사용, 버러우즈 휠러 변환(BWT) 등의 기법 등을 사용한다. 본 논문에서는 시간과 공간적으로 효율적인 DNA 검색을 위해 염기서열을 문자열이 아닌 k-mer 묶음의 정수형 배열로 변환한 후 단위 및 비단위 연산자로 검색함으로써 저장 공간의 크기를 약 28% 이상 줄여서 검색할 수 있는 알고리즘을 제안한다. 이에 기반한 Assembly 분석 프로그램인 CalcGen 프로그램을 개발하여 본 알고리즘의 유용성을 실험을 통해 검증하였다. The advent of ultra-high-throughput sequencing technology makes pour bulky bio-sequence information and the advance of bio-industry pull the era of personalized medicine using individual genome information. However, the analysis of massive bio-sequence requires large storages, so that analysis sometimes needs supercomputer and novel software that can handle bulky sequence information. In that type of analysis, there are sequence match algorithms based on alignment and assemble. These alignment and assemble are fundamental for analyzing bio-sequence. Those algorithms regard nucleotide sequences as strings and compare one by one character during analysis of sequences. They use hash index tables, de Bruijn graph, Burrows-Wheeler transform method, and so on. In this paper, for time and space efficient DNA searching, we propose an algorithm that transforms base sequence into k-mer integer array and analyzes the integer array transformed by unit search operator and non-unit search operator, resulting in the storage space reduced about 0.28 fold. Furthermore, based on the algorithm we have developed CalcGen assembler that is fundamental sequence analysis program, and show the usefulness of the program with experiments.

산전 진단에서의 염기 서열 분석 방법의 의의

강지언 한국콘텐츠학회 2022 한국콘텐츠학회논문지 Vol.22 No.2

Genetic testing in prenatal diagnosis is a precious tool providing valuable information in clinical management and parental decision-making. For the last year, cytogenetic testing methods, such as G-banding karyotype analysis, fluorescent in situ hybridization, chromosomal microarray, and gene panels have evolved to become part of routine laboratory testing. However, the limitations of each of these methods demonstrate the need for a revolutionary technology that can alleviate the need for multiple technologies. The recent introduction of new genomic technologies based on next-generation sequencing has changed the current practice of prenatal testing. The promise of these innovations lies in the fast and cost-effective generation of genome-scale sequence data with exquisite resolution and accuracy for prenatal diagnosis. Here, we review the current state of sequencing-based pediatric diagnostics, associated challenges, as well as future prospects. 산전 진단에서 유전자 검사는 임상 관리 및 부모의 의사 결정에 중요한 정보를 제공하고 있다. 지난 여러 해 동안 G-banidng 핵형 분석, 형광성 제자리 교잡 방법, 염색체 마이크로어레이 및 유전자 패널과 같은 세포 유전학적 검사 방법들이 일반적인 산전 진단의 검사의 일부가 되어 발전해 왔다. 그러나 이러한 각각의 방법은 한계를 가지고 있으며 각각의 진단 기술의 단점들을 보완할 수 있는 혁신적인 검사 방법의 도입의 필요성이 매우 필요한 시점이다. 최근 차세대 염기서열 분석에 기반한 유전체 분석 방법의 도입은 현재의 산전 진단에서의 관행에 많은 변화를 주고 있다. 이렇게 산전 진단에서의 유전체 단위의 염기서열 분석은 정교한 해상도와 높은 정확도를 통해 데이터를 빠르게 분석하고 비용을 감소시키는 기술의 혁신을 보여주고 있다. 따라서 본 논문에서는 시퀀싱 기반 산전 진단의 현재 상태와 관련 과제 및 미래 전망에 대하여 검토해 보았다.

차세대염기서열분석 데이터 기반으로 선별한 전복(Haliotis discus hannai) 유래 신규 펩타이드의 항암 효과

박준형,문현혜,황보전,비라판 칼파감,사티시쿠마 나타라잔,정호영 (사)한국해양생명과학회 2022 한국해양생명과학회지 Vol.7 No.1

본 연구는 우리나라 해안에서 널리 서식 중인 해양 자원 중 하나인 전복(Haliotis discus hannai)의 차세대염기서열분석 데이터 기반으로 선별한 신규 펩타이드의 항암 활성을 평가한 연구이 다. 펩타이드의 항암 활성은 교모세포종 세포주인 SNU-489에서 농도 의존적으로 처리 시간에 비례하여 증가하였으며, 200 μM로 48시간 처리하였을 때 암 세포 사멸율이 67%로 가장 높게 나타났다. 반면 정상 세포인 HaCaT에서 가장 높은 세포 사멸율은 18%로 농도 의존적이었으나 처리 시간과는 무관하였다. 또한 신규 펩타이드의 항암 메커니즘 과정을 밝히기 위해 세포자 멸괴사(Necroptosis) 관련 유전자의 발현 변화를 qRT-PCR 방법을 통해 검증하였다. 는 신 규 펩타이드 처리군에서 200 μM 처리 시 9배 이상 발현 증가, 는 100 μM 처리군에서 대조군 대비 2배 이상 유의미하게 발현이 증가되었다. 이러한 결과로 미루어 볼 때, 전복 유래 신규 펩타이드는 암 세포 특이적으로 세포 독성을 가지며, 세포자멸괴사 메커니즘을 통해 암 세포 사멸을 일으키는 것으로 추측되므로 신규 펩타이드가 추후 교모세포종 치료제의 후보 물질로 활용될 수 있을 것으로 사료된다.

차세대염기서열 분석법을 이용한 피(Echinochloa crus-galli )의 SSR 마커 탐색

이정란(Jeongran Lee),김창석(Chang-Seok Kim),이인용(In-Yong Lee),오현주(Hyun-ju Oh),김예은(Yeo-Eun Kim),최익영(Ik-Young Choi) 한국잡초학회 2014 한국잡초학회 별책(학술대회 초록집) Vol.34 No.2

차세대염기서열분석을 이용한 서울시 2개 하수처리장의 A₂O공정 미생물 군집 특성

한지선,최연규,최병도,장신요,차영섭,김복순 환경독성보건학회 2019 한국독성학회 심포지움 및 학술발표회 Vol.2019 No.10