유전체 공유 길이 기반 친족관계 분석의 확대 적용을 위한 Chip과 NGS 기반 분석 방법의 비교 연구 = A Comparative Study of Chip and NGS-Based Approaches for the Expanded Application of Kinship Analysis Based on Genomic Segment Sharing

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The increasing necessity for analyzing relatively distant kinship relationships in Korea arises from its unique socio-historical context, including the division of the Korean peninsula, transformations in family structure, and the intensification of international exchanges. To address this need, genomic segment sharing analysis has been developed to enhance the interpretive power of genetic polymorphism data. By considering the length of shared genomic regions alongside conventional sharing indicators, this method has proven useful in various applied fields, including forensic investigations and kinship reconstructions. Analysis of shared segment length requires high-density SNP genotyping data, which exceeds analytical scope of conventional personal identification techniques. To satisfy this requirement, a chip-based approach has been developed and is currently in use. However, chip-based method generally require relatively high DNA concentrations for successful analysis, which limits their applicability to forensic samples, particularly those that are highly degraded, such as skeletal remains. In such cases, additional processing steps are often necessary.
To overcome these limitations, several next-generation sequencing (NGS) methods have been introduced to facilitate the analysis of degraded forensic samples. These approaches prioritize the quantitative and qualitative condition of DNA. However, due to the strict quality requirements, the number of analyzable SNPs tends to be lower than that of chip-based method. Although some validation studies have been published, comparative data on the methodological differences between NGS-based and chip-based approaches remain insufficient, particularly regarding the impact of reduced SNP counts on population-specific variation, the detectable range of kinship, and the comparability of available analytical tools. To expand the applicability of genomic segment-based kinship analysis, it is essential to evaluate the strengths and limitations of both approaches, assess the practical feasibility of NGS-based analysis, and identify critical factors for their use in forensic casework. Based on this background, a comparative study was conducted.
In this study, both a chip-based and an NGS-based approach were applied to an extended family group (12 pedigrees, 41 kinship relationships, 35 samples) with confirmed pedigree information and known genetic distances. To compare the performance of the two methods, existing Korean chip data from previous studies and newly generated data using the Kintelligence, an NGS-based platform, were utilized. Of the 41 pairwise comparisons, 39 yielded concordant result. In the two discordant cases, a known 5th degree relationship was either classified as an intermediate between 4th and 5th degrees or failed to produce a result. The Korean chip distinguished kinship up to the 8th degree and successfully differentiated parent-child and full sibling relationships within the 1st degree. In contrast, the Kintelligence was able to resolve relationships only up to the 5th degree and was unable to differentiate between relationship types within the 1st degree. These differences may stem from the number of SNPs used to define segment-sharing thresholds, variation in algorithmic sensitivity, and methodological differences in the interpretation of shared genomic segments.
To evaluate the applicability of Kintelligence method to contemporary Korean forensic cases, an additional case study was conducted using a skeletal remain sample from approximately 75 years ago. Its usability was assessed through comparison with chip-based results and contextual information. While chip-based technology enables the identification of more distant kinship relationships, it requires relatively large amount of high-quality DNA. In contrast, NGS-based analysis may help overcome this limitation. At this stage, two important considerations arise: (1) how many SNPs are required for effective analysis, and (2) what limitations emerge when the number of SNPs is reduced. This study provides empirical insight into these issues through the practical application of an NGS-based method.
Although NGS-based analysis is mainly suited for close kinship, its utility in cases involving degraded and low-quantity samples was demonstrated in this real forensic case. When applied complementarily according to the analytical objective and sample condition, the respective strengths and limitations of each approach can be effectively leveraged. Accordingly, this study may serve as a foundational reference for the broader application of genomic segment sharing in forensic genetics.

국문 초록 (Abstract)

분단이라는 우리나라의 특수성뿐만 아니라 가족 관계 구성의 변화, 그리고 세계화된 교류 등의 상황에 따라 상대적으로 먼 친족관계 분석의 필요성은 꾸준하게 증가하여 왔다. 이러한 상황에 맞추어 개발된 유전체 공유 길이 분석은 기존에 알려진 ‘공유함’ 상태에 덧붙여 공유하는 유전자의 길이를 활용하여 유전자 다형성의 유용성을 확장하였고, 현재 여러 분야에서 실제 사례 해결에 활용되고 있다. 기본적으로 길이 분석을 위해서는 기존의 개인식별과 비교할 때 상대적으로 넓은 유전자 영역을 커버하는 매우 많은 수의 SNP 유전자 검사 결과가 필요하고, 이를 위해 chip 기반의 방법이 개발되어 현재까지 사용되고 있다. Chip 기반의 방법은 일상적으로 증거물 검사에 사용되는 경우에 비추어 볼 때 높은 농도의 시료가 필요하며, 결국 법의학 현장 시료 나아가 유해 등 변질 가능성이 높은 시료들에 대해서는 개발된 방법을 적용하지 못하는 상황이었고, 추가적인 조처가 필요하였다.
최근 동일한 개념을 현장 증거물 시료들에 적용하기 위한 여러 방법이 소개되었는데, 이들은 시료의 양적, 질적 상태를 우선으로 고려하여 NGS 기법에 기반하였고, 이에 따라 검사할 수 있는 SNP 유전자의 수는 상대적으로 매우 적어졌다. 이들에 대해 일부 효용성을 검증한 결과들이 발표되기도 하였지만, 세부적인 내용, 특히 SNP 수의 감소에 따른 민족 간 차이의 존재 가능성과 검사할 수 있는 친족관계 범위 및 분석 tool 등 세부적인 면에서는 chip 기반의 연구들과 어떠한 차이를 보이는지 관련 자료가 충분하지는 않았다. 유전체 공유 길이의 적용 가능성을 확장하기 위해서는 서로 다른 두 방법이 갖는 장․단점을 직접 비교하고, 특히 NGS 기반의 방법들에 대해 실용성을 검증하고 실용화 단계에서 고려해야만 하는 점들을 확인하는 것은 매우 의미가 있다고 판단하였다. 이에 본 비교 연구가 진행되었다.
본 연구에서는 유전적 거리가 확립된 동일한 가족군 시료(12개의 가계도, 41개의 친족 관계, 총 35개의 시료)에 대해 서로 다른 방법을 적용하고 그 결과들을 직접 비교하여 연구 결과의 활용성을 높이고자 하였다. Chip 기반 연구의 경우에는 선행 연구로 확보된 Korean Chip 기반의 결과를 활용하였고, NGS 기반 방법을 위해서는 최근 사용자가 늘어나고 있는 ForenSeq Kintelligence 키트를 사용하였다.
분석 결과, 41쌍 중 39쌍에서 동일한 결과를 보였으며, 상이하게 분석된 2건에서는 실제 6촌 관계지만 5촌에서 6촌 사이의 관계로 분석되거나 분석값이 아예 산출되지 않는 결과를 나타냈다. 결과적으로, chip 기반의 결과에서는 최대 8촌까지 구분이 가능하였고, 1st degree 내의 부모-자녀관계와 형제자매관계가 구분되었으나, NGS 기반의 키트 결과에서는 최대 5촌까지 구분이 가능하였으며, 1st degree 내의 세부적인 촌수의 구분이 불가능함을 보였다. 이러한 차이는 두 방법론 간의 SNP 수에 따른 기준 설정 방식, 알고리즘의 민감도 차이, 또는 공유 유전체 길이 해석 방식의 차이에서 기인한 것으로 해석해 볼 수 있었다.
한편 NGS 기반 방법을 우리나라 사람들에게서도 지금 적용 가능한지를 확인하기 위해 75년 지난 실제 사례에 적용하였고, 기존에 얻어진 여러 결과 값이나 정황 등을 종합적으로 고려해 활용 가능성을 확인하였다. 결과적으로, chip 기반 기술은 상대적으로 먼 친족관계 확인이 가능하지만 적지 않은 양의 시료가 필요하였고, 이러한 양적인 문제를 극복하기 위해서는 NGS 기반 방법의 도입이 의미가 있을 것으로 예상할 수 있겠다. 이때 “어느 정도의 SNP 수가 검사 가능할 것인지”, “SNP 수의 감소에 따라 나타나는 문제는 무엇인지” 등을 염두에 둘 필요가 있고, NGS 기반을 활용한 본 연구 결과가 매우 의미가 있는 정보를 제공하여 줄 것으로 기대된다.
한편 NGS 기반의 방법은 상대적으로 짧은 거리의 친족 구분에서만 의미가 있겠는데, 매우 적은 양의 시료, 분해된 시료들에서도 적용 가능하다는 장점을 실제 시료들을 통해 다시 한 번 확인할 수 있었다. 검사 목적이나 시료의 상태 등에 따라 두 방법을 당분간 보완적으로 활용하면서 서로의 장․단점을 파악하고, 본 연구 결과들을 적절히 잘 활용한다면 향후 유전체 공유 길이의 활용에 매우 의미 있는 발전적 계기가 될 것으로 기대한다.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서 론 1
• 제 1 절 연구 배경 1
• 1. 개인식별과 유전자의 다형성 1
• 2. 개인식별을 넘어 친족관계의 확인 2
• 3. 유전체 공유 길이 분석의 도입 4
• 4. 새로운 방법론 적용을 위한 또 다른 노력 8
• 5. 배경요약 11
• 제 2 절 연구목적 및 범위 13
• 제 2 장 연구 방법 14
• 제 1 절 비교 연구를 위한 기존 연구의 재점검 14
• 1. 기존 연구의 재점검: Chip 기반 14
• 2. 상용 키트 활용의 선정: NGS 기반 15
• 제 2 절 비교자료 획득을 위한 NGS 분석 17
• 1. 대상시료 선정 17
• 2. 분석의 적용 18
• 제 3 절 방법론의 비교분석 20
• 제 4 절 NGS 분석법을 활용한 키트의 유용성 점검-실제 사례의 적용 21
• 제 3 장 결 과 22
• 제 1 절 NGS 분석의 결과 및 해석 22
• 1. 민감도 및 효율성 종합 평가 22
• 2. 유전체 공유 길이 분석의 해석 32
• 제 2 절 두 방법론의 비교 및 장단점 분석 41
• 1. 유전체 공유 길이 분석결과 비교 41
• 2. 방법론의 장단점 비교 46
• 제 3 절 실제사례의 적용을 통한 확장가능성 확인 50
• 1. 현장시료의 적용 50
• 2. 현장시료의 결과분석 52
• 제 4 장 고 찰 57
• 제 5 장 결 론 63
• 참고문헌 65
• 영문초록 76