생물 정보 분석으로 생명 현상 이해하기

한 윤 수한 윤 수

중앙대학교 생명과학과중앙대학교 생명과학과

왓슨과 크릭의 DNA 구조 발표 (1953)왓슨과크릭의 DNA 구조 발표 (1953) 현대분자생물학의 시작

A C G T로 구성된 유전정보 A, C, G, T로 구성된 유전정보

분자생물학의중심원리(Central Dogma)분자생물학의중심원리(Central Dogma) 크릭 (1956): “DNA makes RNA makes protein”

복제 DNA (핵산)

전사역전사

(핵 )

복제 RNA (핵산)

해독

단백질(아미노산)

유전부호(Genetic Code)유전부호(Genetic Code) DNA 서열 단백질서열

http://study.zum.com/book/12514

생명활동은 정보의 흐름(유전자 발현)

세포유전체

염색체

생명 활동은 정보의 흐름(유전자 발현)

유전체

전사 해독

(유전자 발현)

해독

(단백질 발현)DNA RNA

단백질

http://content.edgar-online.com/edgar_conv_img/2013/02/26/0001193125-13-076887_G444115G97X50.JPG

인간유전체계획(Human Genome Project)인간유전체계획(Human Genome Project) 유전체서열 정보

조립설명서(발생 형질) 조립설명서(발생, 형질) 작동설명서(생존, 행동) 복제설명서(유전 진화)복제설명서(유전, 진화) 유전체정보 생명 현상 인간 ~32억 개 DNA 글자 ~25,000 개 단백질

인간의유전체를 구성하는 모든 DNA 서열결정 (1999) 인간에게유용한 모델 생물들의유전체 서열 결정:대장 효 초파리 예쁜 마선충 생쥐 쥐대장균, 효모, 초파리, 예쁜꼬마선충, 생쥐, 쥐, …

유전체정보 연구의 역사유전체정보 연구의 역사 효모 12.1Mb (1996); 대장균 4.6Mb (1997)예쁜꼬마선충 100Mb (1998) 초파리 130Mb (2000) 예쁜꼬마선충 100Mb (1998); 초파리 130Mb (2000)

인간 3.2Gb (2001, 2004); 한국인 (2009)

http://www.nature.com/nature/journal/v470/n7333/pdf/nature09764b.pdf

차세대서열결정법(NGS)차세대서열결정법(NGS) 자동서열결정법의비약적 발달

DNA 한 글자 2 달러 백만 글자 1 달러 DNA 한 글자, 2 달러 백만 글자, 1 달러 Next Generation Sequencing: 한번에최대 1 조 개 서열

유전체서열

무어(Moore)의 법칙(컴퓨팅가격은 18개월마다반으로감소)

비용(천달러)

결정비용

NGS 출현

(천달러)

현재인간유전체결정비용은약 5천 달러비용은약 5천 달러

http://www.nature.com/news/technology-the-1-000-genome-1.14901

The 1000 Genome ProjectThe 1000 Genome Project 천개의 유전체 계획 (2008-2012, …)

1 092 개의 인간 유전체 서열 발표 1,092 개의 인간 유전체 서열 발표

DNA 서열과 인간의 형질 간의 관계분석DNA 서열과 인간의 형질 간의 관계분석 인종별특징, 형질, 유전병, 적응성, …

http://humanorigins.si.edu/evidence/genetics/skin-color

DNA 서열 정보의 폭발적 증가DNA 서열 정보의 폭발적 증가 미국립생물공학정보센터(National Center for

Bi t h l I f ti ) NCBIBiotechnology Information) NCBI 18 개월마다 2 배로 증가; 현재 ~9천억 글자 수백종의 유전체 서열 정보수백종의 유전체 서열 정보

http://www.ncbi.nlm.nih.gov/genbank/statistics

생물정보의 종류: 유전체와 유전자 서열생물정보의 종류: 유전체와 유전자 서열 유전체 DNA 서열, 개인별 다양성유전자의서열 구조 위치 조절부위 유전자의서열, 구조, 위치, 조절부위

https://genome.ucsc.edu

생물정보의 종류: 유전자 발현 정보생물정보의 종류: 유전자 발현 정보 유전자발현의 형태, 위치, 시기, 양

뇌의 여러 부위에서의 도파민 신호 전달 관련 유전자의 발현 양상

뇌 부위 도파민 신호 전달 관련 유전자

http://www.nature.com/nature/journal/v489/n7416/full/nature11405.html

생물정보의 종류: 단백질 서열과 구조생물정보의 종류: 단백질 서열과 구조 단백질의서열, 입체구조, 해독후 변형, 기능, 수명>gi|62362414|ref|NP_005148.2| tyrosine‐protein kinase ABL1 isoform a [Homo sapiens]MLEICLKLVGCKSKKGLSSSSSCYLEEALQRPVASDFEPQGLSEAARWNSKENLLAGPSENDPNLFVALYDFVASGDNTLSITKGEKLRVLGYNHNGEWCEAQTKNGQGWVPSNYITPVNSLEKHSWYHGPVSRNAAEYLLSSGINGSFLVRESESSPGQRSISLRYEGRVYHYRINTASDGKLYVSSESRFNTLAELVHHHSTVADGLITTLHYPAPKRNKPTVYGVSPNYDKWEMERTDITMKHKLGGGQYGEVYEGVWKKYSLTVAVKTLKEDTMEVEEFLKEAAVMKEIKHPNLVQLLGVCTREPPFYIITEFMTYGNLLDYLRECNRQEVNAVVLLYMATQISSAMEYLEKKNFIHRDLAARNCLVGENHLVKVADFGLSRLMTGDTYTAHAGAKFPIKWTAPESLAYNKFSIKSDVWAFGVLLWEIATYGMSPYPGIDLSQVYELLEKDYRMERPEGCPEKVYELMRACWQWNPSDRPSFAEIHQAFETMFQESSISDEVEKELGKQGVRGAVSTLLQAPELPTKTRTSRRAAEHRDTTDVPEMPHSKGQGESDPLDHEPAVSPLLPRKERGPPEGGLNEDERLLPKDKKTNLFSALIKKKKKTAPTPPKRSSSFREMDGQPERRGAGEEEGRDISNGALAFTPLDTADPAKSPKPSNGAGVPNGALRESGGSGFRSPHLWKKSSTLTSSRLATGEEEGGGSSSKRFLRSCSASCVPHGAKDTEWRSVTLPRDLQSTGRQFDSSTFGGHKSEKPALPRKRAGENRSDQVTRGTVTPPPRLVKKNEEAADEVFKDIMESSPGSSPPNLTPKPLRRQVTVAPASGLPHKEEAGKGSALGTPAAAEPVTPTSKAGSGAPGGTSKGPAEESRVRRHKHSSESPGRDKGKLSRLKPAPPPPPAASAGKAGGKPSQSPSQEAAGEAVLGAKTKATSLVDAVNSDAAKPSQPGEGLKKPVLPATPKPQSAKPSGTPISPAPVPSTLPSASSALAGDQPSSTAFIPLISTRVSLRKTRQPPERIASGAITKGVVLDSTEALCLAISRNSEQM

RNA 중합효소

ABL1

ASHSAVLEAGKNLYTFCVSYVDSIQQMRNKFAFREAINKLENNLRELQICPATAGSGPAATQDFSKLLSSVKEISDIVQR

DNARNA

글리벡

http://en.wikipedia.org/wiki/Imatinibhttp://www.rcsb.org/pdb/home/home.do

생물정보의 종류: 유전자 조절 네트워크생물정보의 종류: 유전자 조절 네트워크 유전자들의상호 조절 네트워크

http://www.nature.com/nm/journal/v16/n10/full/nm1010-1079.htmlhttp://www.nature.com/nature/journal/v466/n7302/full/nature09204.html

바이오빅 데이터(BIO BIG DATA)바이오빅 데이터(BIO BIG DATA) 생물정보 생명체의 형질

http://www.nature.com/nature/journal/v489/n7416/full/nature11405.html

생물정보 분석: 암 유발 유전자 발견생물정보 분석: 암 유발 유전자 발견 암특이적 돌연변이가 있거나발현이 변하는 유전자

정상인 만성림프구성백혈병 환자

http://www.jci.org/articles/view/24176

생물정보 분석: 유전질환 유전자 검출생물정보 분석: 유전질환 유전자 검출 유전질환환자의 유전체 서열분석 돌연변이 유전자

지텔만증후군(Gitelman Syndrome)콩팥의나트륨, 칼륨등 전해질재흡수기능 상실근육경련 허약 사지마비근육경련, 허약, 사지마비 SLC12A3 유전자의 돌연변이

http://www.pnas.org/content/106/45/19096.long

$1,000 유전체 시대$1,000 유전체 시대 한사람의 유전체 전부를 ~100만원 정도에 결정개인유전체(P l G ) 정보 개인유전체(Personal Genome) 정보

사람마다조금씩 다른 유전자형태 서로 다른형질 얼굴모양 피부색 골격 구조 얼굴모양, 피부색, 골격 구조, … 운동능력, 예술성, 성격, … 질병민감성, 유전병, … 특정암에 대한 민감성예측 안젤리나졸리의 유방암 예방수술

http://bgiamericas.com/applications/human/http://www.illumina.com/technology/next-generation-sequencing.ilmn

유전체 DNA 정보로부터 형질의 예측유전체 DNA 정보로부터 형질의 예측 ACTN3 유전자, 마라토너와스프린터 R/R 형 스프린터 X/X 형 마라토너 X/R 형 중간 R/R 형, 스프린터; X/X 형, 마라토너, X/R 형: 중간

http://bgiamericas.com/applications/human/http://www.wired.com/2008/10/the-gene-for-jamaican-sprinting-success-no-not-really/

http://kohlmanngen677s13.weebly.com/http://www.nytimes.com/2008/11/30/sports/30genetics.html?pagewanted=all&_r=1&

DNA 정보로 몽타주 그리기DNA 정보로 몽타주 그리기 얼굴의형태를 조절하는 24 개의 유전자 연구

DNA 서열로부터 얼굴의 형태 추정 가정

POLR1Da 유전자의영향을받는부위

DNA 서열로부터 얼굴의 형태 추정 가정

효과없음 최대효과

http://www.nature.com/news/mugshots-built-from-dna-data-1.14899

생물정보 분석의 활용: 진화학생물정보 분석의 활용: 진화학 DNA의 작은 변화가 형태에는 큰 변화

요리과정에서 중간 단계를조금 변화시키면 그 결과는 요리과정에서 중간 단계를조금 변화시키면 그 결과는매우다르다

형태를기초로 한 생물의계통분류는 오류가 있을 수 있다형태를기초로 한 생물의계통분류는 오류가 있을 수 있다

하나의종은 약간 씩서로 다른 유전체 사본들을 서로 섞고복사하여비슷하게 유지한다

종분화가 일어나면 유전체의섞임이 멈춘다유전체서열이 비슷하면 형태와무관하게 최근에 종분화 유전체서열이 비슷하면 형태와무관하게 최근에 종분화

생명의대분류: 5 왕국?생명의대분류: 5 왕국?1. 동물 2. 식물 3. 균류(곰팡이)

4. 원생생물(단세포진핵생물)

5. 세균(박테리아)(단세포원핵생물)(단세포진핵생물) (단세포원핵생물)

분자계통분류학분자계통분류학 유전체 DNA 또는 단백질 서열을 이용한계통의 분류한종은 조금씩 다른유전체 사본들을 서로 섞는 개체 집단 한종은 조금씩 다른유전체 사본들을 서로 섞는 개체 집단

종분화가 일어나면 유전체서열이 달라지기 시작 유전체서열이 비슷할 수록최근에 분화한 계통유전체서열이 비슷할 수록최근에 분화한 계통 계통분류학과진화학에 혁명적인 영향

인간원숭이코끼리주머니쥐

1825주머니쥐 25

생명의대분류: 3 영역생명의대분류: 3 영역 동물, 식물, 균류 등다세포진핵생물은진핵생물 다세포진핵생물은수많은 단세포진핵생물 사이의 가지들

진핵생물

세균(박테리아)

고세균고세균

생명의나무(Tree of Life)생명의나무(Tree of Life) 모든생물의 진화역사에 따른계통분류

http://www.tellapallet.com/tree_of_life.htm

티라노사우루스는새의 친척티라노사우루스는새의 친척 화석골격 연구에 따르면새는 공룡의 일종티라노사우루스도새처럼 깃털이? 티라노사우루스도새처럼 깃털이?

http://www.walkingwithdinosaurs.com/suploads/dinosaur-details/dinosaur-tyrannosaurus/tyrannosaur-dino-large.pnghttp://img3.wikia.nocookie.net/__cb20140110005309/dinosaurs/images/6/68/New_tyrannosaurus_test_render_project_mesozoica_by_sketchy_raptor-d6wv444.png

티라노사우루스의콜라젠 단백질?티라노사우루스의콜라젠 단백질? 티라노사우루스의화석뼈에서 콜라젠 추출콜라젠은동물 몸무게의 20 30%로 매우양이 많음 콜라젠은동물 몸무게의 20-30%로 매우양이 많음

http://www.sciencemag.org/content/307/5717/1952.full

티라노사우루스의콜라젠 단백질 서열?티라노사우루스의콜라젠 단백질 서열? 콜라젠단백질 서열 일부결정 새와 가까움

포유류

악어

타조

닭

도마뱀

http://www.sciencemag.org/content/320/5875/499.long

코끼리와 맘모스의 가족 관계?코끼리와 맘모스의 가족 관계?아프리카 코끼리

아시아 코끼리 맘모스

1 2 3

맘모스는 아시아 코끼리의 친척맘모스는 아시아 코끼리의 친척 냉동된맘모스 사체에서 DNA 서열 결정

맘모스아프리카코끼리 아시아코끼리

(~6백만 년 전)

(~7백만 년 전)

http://www.plosbiology.org/article/info%3Adoi%2F10.1371%2Fjournal.pbio.0050207

맘모스의한대기후 적응맘모스의한대기후 적응 헤모글로빈의단백질 서열 정보 맘모스 특이적 서열헤모글로빈구조 정보 산소 이용 효율 증가 헤모글로빈구조 정보 산소 이용 효율 증가

아시아 코끼리

맘모스

아 리카 끼리

맘모스

아프리카 코끼리

http://www.nature.com/ng/journal/v42/n6/abs/ng.574.html

인간의피부색인간의피부색 인간의피부색: 자외선에의한 피부 손상과 비타민D 생산

MC1R 등색 관련 유전자 머리카락 피부 눈 색 결정 MC1R 등색 관련 유전자: 머리카락, 피부, 눈 색 결정

적도적도

인간 피부색의 분포

네안데르탈인의유전체 DNA 정보네안데르탈인의유전체 DNA 정보 유럽, 서아시아, 중앙아시아: 13만년-3만년 전 네안데르탈인의피부 색은? 네안데르탈인의피부 색은? 현대인사피엔스와 6천년 이상 공존 네안데르탈인과현생 인류의 혼혈? 네안데르탈인과현생 인류의 혼혈?

네안데르탈인

네안데르탈인의 피부색네안데르탈인의피부색 네안데르탈인의뼈에서 MC1R 서열특이적변이 307번 아르지닌 글리신 특이적변이: 307번 아르지닌 글리신

단백질활성 감소 검은 색 감소 밝은 피부, 머리카락

정상: 검은 피부

네안데르탈인: 밝은 피부

http://www.sciencemag.org/content/318/5855/1453

네안데르탈인과현대인의 혼혈네안데르탈인과현대인의 혼혈 네안데르탈인의유전체 서열 현대 유럽과 아시아인의 일부 유전자는네안데르탈인 현대 유럽과 아시아인의 일부 유전자는네안데르탈인

http://images.nationalgeographic.com/wpf/media-live/photos/000/601/cache/neanderthal-genome_60159_600x450.jpg

고인류와현대인류의 혼혈고인류와현대인류의 혼혈 네안데르탈인, 데니소바인 등고인류와 혼혈

현대인 네안데르탈인데니소바인

http://www.nature.com/nature/journal/v505/n7481/full/nature12886.html

고인류로부터얻은 좋은 형질고인류로부터얻은 좋은 형질 유라시아의풍토병(기생체)에 대한저항성 유전자유럽인의 지방대사 유전자 한대 기후 적응 유럽인의 비만? 유럽인의 지방대사 유전자: 한대 기후 적응, 유럽인의 비만?

티벳의고산지대 적응 유전자: 산소 운반 효율 증대

http://www.dailymail.co.uk/femail/article-1173148/British-women-dont-mind-Europes-biggest-French-females-slimmest-worry-weight.htmlhttp://www.npr.org/blogs/health/2014/07/02/326947693/thanks-to-extinct-humans-tibetans-adapted-to-high-altitude

유전체정보 비교로 인간 특이적 유전자유전체정보 비교로 인간 특이적 유전자

오리너구리

주머니쥐주머니쥐

개

생쥐

오랑우탄 고릴라 침팬지 인간

마모셋여우원숭이 타지어 리서스

오랑우탄 릴라 침팬지 인간

생물정보학자가되려면생물정보학자가되려면 생물학, 전산학, 통계학, 데이터베이스, …실험생물학자 기본적인 생물정보학지식이 필수 실험생물학자: 기본적인 생물정보학지식이 필수

컴퓨터프로그래밍언어: C, Python, Perl, Java, … 전문인력의수요 증대전문인력의수요 증대

통계학 생물학

수학 의학

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생물정보학의4 개의 기둥

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웹분석 도구프로그래밍

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