3-hour genome sequencing and targeted analysis to rapidly assess genetic risk

3시간 만에 유전체 분석과 타겟 분석을 통해 유전 질환 위험 빠르게 평가

목적
중환자 치료 환경에서는 신속한 유전체 검사가 진단, 치료 결정, 보호자와 의료진의 판단에 큰 도움이 됩니다. 본 연구는 단순화된 DNA 추출 및 라이브러리 준비 과정을 통해, 환아의 형제자매 정보 기반으로 멘델 유전질환 위험을 장독립 시퀀싱(long-read genome sequencing)과 타겟 분석으로 3시간 이내에 평가할 수 있는지를 확인했습니다.

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방법

• 제대혈에서 DNA를 추출한 뒤 빠르게 라이브러리를 준비하고, PromethION 장비에서 유전체 시퀀싱을 수행했습니다. 실시간에 가까운 방식으로 FASTQ 데이터를 생성하고, 기준 유전체에 정렬한 뒤 정해진 시간마다 변이 분석을 진행했습니다.
• 단순히 전체 유전체를 해독하는 것뿐 아니라, 임상적으로 중요한 변이가 있는 특정 유전자 영역(targeted genes)에 초점을 맞춰 표적 분석(targeted analysis)을 병행.
• 시퀀싱 시작 후 3시간 이내에 데이터 수집, 변이 식별, 임상 해석까지 완료.

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시퀀싱 및 분석 과정

1. 샘플 준비
   • 환자로부터 혈액 샘플을 빠르게 채취하여 고품질 DNA를 추출.
2. 롱리드 시퀀싱
   • PromethION을 이용해 실시간으로 시퀀싱을 진행.
   • 데이터가 생성되자마자 분석을 시작할 수 있도록 시스템을 최적화.
3. 표적 유전자 분석(Targeted analysis)
   • 4,000개 이상의 질병 관련 유전자를 중심으로 표적 변이 분석을 수행.
   • 특히 병원성 변이(pathogenic variants) 에 집중하여 신속한 진단을 목표로 함.
4. 변이 필터링 및 해석
   • 표준 필터링 및 임상적 해석 파이프라인을 적용하여,
   • 환자의 유전적 위험 요인에 대한 최종 결과를 도출.

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주요 성과

• 시간 효율성
  • 전체 과정(샘플 채취 → 시퀀싱 → 분석 → 결과 보고)까지 3시간 이내에 완료.
  • 기존 whole genome sequencing(WGS) 프로세스보다 대폭 단축된 시간.
• 임상 적용 가능성
  • 급성 환자(특히 신생아 중환자실 등)에서 빠른 유전적 위험 평가가 필요한 상황에 즉각적으로 적용할 수 있는 가능성을 입증.
• 데이터 품질
  • 생성된 시퀀싱 데이터는 임상 해석에 필요한 충분한 정확도와 커버리지를 갖추고 있었음.
• 기술적 최적화
  • 시퀀싱 준비 과정, 데이터 스트리밍, 변이 분석 소프트웨어까지 모든 단계가"속도 최우선" 으로 최적화되어 있었음.

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결과
혈액 500μL에서 충분한 라이브러리를 확보할 수 있도록 DNA 추출과 준비 과정을 최적화했습니다. 실시간 타겟 분석을 통해 신생아가 해당 질환의 이형접합자(heterozygote)도 아닌, 영향을 받지 않은 상태임을 빠르게 확인했습니다. 타겟 구간의 위상(phasing)과 기존 가족 유전자 정보 기반 분석은 낮은 커버리지 조건에서도 정확한 해석을 가능하게 했습니다.

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결론
이번 연구는 가족력이나 유전형 정보가 사전에 있는 경우, 3시간 내 초고속 유전체 분석을 통해 유전 질환 위험을 신속히 평가할 수 있음을 보여줍니다. 기존보다 더 자동화된 프로세스를 통해 적은 양의 혈액으로도 분석이 가능하며, 향후 임상 현장에서 초고속 유전체 분석 적용 가능성을 높이는 데 기여할 수 있습니다.

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