Oxford Nanopore로 완성한 소 T2T 유전체: X 염색체 Neocentromere의 비밀을 밝히다

Insights into natural neocentromere evolution from a cattle T2T X chromosome

Oxford Nanopore로 완성한 소(Bos taurus) T2T 유전체, 그리고 최초로 밝혀진 X 염색체 Neocentromere의 비밀

 

최근 Nature Communications에는 Oxford Nanopore Ultra-long sequencing을 이용하여 소(Wagyu)의 Telomere-to-Telomere(T2T) 유전체를 구축하고, 지금까지 알려지지 않았던 자연적으로 형성된 X chromosome neocentromere를 발견한 매우 흥미로운 연구가 발표되었습니다.

 

이번 연구는 단순히 유전체를 완성한 것이 아니라,

• 새로운 유전자 발굴
• Structural Variant(SV) 발견 증가
• Centromere 진화 연구
• Reference genome 개선 효과

까지 동시에 보여준 대표적인 T2T 연구라고 할 수 있습니다.

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왜 이 연구가 중요한가?

현재 소(reference genome)는 거의 완성된 것처럼 보이지만 실제로는

• Centromere
• Telomere
• rDNA
• 반복서열(Repeat)

같은 영역은 여전히 비어있는 경우가 많습니다.

이러한 영역은

• chromosome segregation
• structural variation
• 진화
• 생식

과 매우 밀접한 관련이 있기 때문에 완전한 T2T genome이 필요했습니다.

이번 연구는 Oxford Nanopore Ultra-long read를 이용하여 이러한 빈 영역을 거의 모두 해결했습니다.

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실험 방법

연구진은 Wagyu와 Tuli 교배 개체(F1)를 이용하여 haplotype-resolved genome assembly를 수행했습니다.

1. Sequencing

여러 플랫폼을 함께 사용했습니다.

Oxford Nanopore

• 총 228.8× coverage
• Ultra-long read (>100 kb)
• 18.3×

PacBio HiFi

• 58.1×

Hi-C

• 약 4억 2천만 reads

Illumina

• 부모 sequencing
• F1 polishing

Oxford Nanopore의 Ultra-long read가 centromere와 telomere를 연결하는 핵심 역할을 수행했습니다.

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Genome Assembly

Genome assembly는

• Verkko
• hifiasm
• HERRO corrected ONT reads

등을 이용하여 수행되었습니다.

 

최종 assembly는

• Genome size : 3.14 Gb
• BUSCO : 99%
• Gap : 17개

까지 줄였습니다.

무려 5개의 chromosome이 완전한 T2T 수준으로 조립되었습니다.

• X chromosome
• chromosome 9
• chromosome 10
• chromosome 21
• chromosome 23

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기존 Reference보다 얼마나 좋아졌을까?

새로운 T2T genome은 기존 Reference보다 431 Mb (약 16%) 더 많은 sequence를 포함했습니다.

즉, 기존 Reference에서 사라져 있던 repetitive region이 대량으로 복원된 것입니다.

 

대표적으로

• centromere
• telomere
• satellite repeat
• rDNA

영역이 새롭게 완성되었습니다.

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Repetitive sequence도 훨씬 많이 복원

• 기존 Reference: 41%
• 새로운 T2T genome: 51%

전체 유전체의 절반 이상이 repeat sequence라는 사실도 확인되었습니다.

 

특히 Centromere satellite repeat는

• 기존: 2%
• 새로운 genome: 12%까지 증가했습니다.

Ultra-long read가 아니었다면 거의 불가능했던 결과입니다.

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드디어 완성된 Telomere

기존 cattle genome에서는 대부분 chromosome 끝부분이 잘려 있었습니다.

이번 연구에서는

• 5개 chromosome 완전한 T2T
• Telomere repeat 64,965개

를 확보했습니다.

기존 Reference는 불과 6,849개 뿐이었습니다.

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이번 연구의 가장 큰 발견

X chromosome에 이상한 Centromere가 있었다.

일반적인 centromere는 Satellite repeat → CENP-A → 높은 methylation으로 구성됩니다.

하지만 X chromosome은 전혀 달랐습니다.

 

연구진은

X chromosome centromere에서

• satellite repeat가 거의 없음
• inverted repeat가 대부분
• CENP-A가 매우 낮음
• methylation이 낮음

이라는 매우 특이한 구조를 발견했습니다.

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Natural Neocentromere

연구진은 이것을 Natural Neocentromere라고 결론지었습니다.

즉, 원래 centromere가 있던 위치가 아니라 새로운 위치에서 centromere 기능을 획득한 것입니다.

 

포유류에서는 매우 드문 사례입니다.

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왜 이런 구조가 만들어졌을까?

연구진은 Transposable Element(TE)가 먼저 대량 삽입되고 → DNA methylation → CpG가 점차 TpG로 변이 → 현재의 Neocentromere가 형성되었다고 제안했습니다.

즉 Centromere도 진화할 수 있다는 것을 보여주는 중요한 결과입니다.

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새로운 유전자도 발견

새로운 T2T assembly를 이용하여 무려 738개의 새로운 protein coding gene을 발견했습니다. 그 중 337개는 X chromosome에서 발견되었습니다. 또한 X centromere 내부에서도 37개의 protein coding gene이 존재하는 것이 확인되었습니다.

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Structural Variant 분석도 향상

연구진은 20마리 Wagyu를 Oxford Nanopore로 재시퀀싱하여 Structural Variant를 분석했습니다.

• 기존 Reference: 47,213개 SV
• 새로운 T2T genome: 49,610개 SV

약 2,400개 이상의 SV를 추가로 발견했습니다.

Reference genome이 좋아질수록 실제 변이도 더 많이 발견할 수 있다는 것을 보여준 사례입니다.

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Mapping 성능도 향상

ONT read mapping rate

• 기존 Reference: 86.8%
• 새로운 T2T genome: 94.8%

Reference bias가 크게 감소했습니다.

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이번 연구에서 Oxford Nanopore의 역할

이번 연구에서 Oxford Nanopore는 매우 중요한 역할을 수행했습니다.

• Ultra-long read를 이용하여 Centromere와 Telomere를 연결
• 기존 Reference에서 비어 있던 431 Mb를 복원
• T2T X chromosome 완성
• Structural Variant 발견 증가
• CpG methylation 분석(modkit)
• Long-read 기반 SV 분석

논문에서도 Ultra-long read가 없었다면 이러한 반복 영역을 연결하기 어려웠으며, 앞으로는 더 높은 Ultra-long read coverage가 완전한 cattle T2T genome 구축에 필요하다고 강조하고 있습니다.

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정리

이번 연구는 단순히 "소 유전체를 더 잘 만들었다"는 수준을 넘어섭니다. T2T 수준의 유전체를 구축함으로써 기존 Reference에서 보이지 않던 생물학적 현상을 직접 관찰할 수 있었고, 특히 자연적으로 형성된 X chromosome neocentromere의 구조와 진화 과정을 제시했습니다. 또한 품종 특이 T2T reference를 사용하면 구조 변이 검출과 read mapping 정확도가 향상된다는 점도 입증했습니다.

 

Oxford Nanopore Ultra-long sequencing은 이러한 반복 서열과 중심체를 해독하는 핵심 기술로 자리 잡고 있으며, 앞으로 사람뿐 아니라 다양한 동물과 식물의 T2T 유전체 및 pangenome 시대를 이끄는 핵심 플랫폼이 될 것으로 기대됩니다.

https://doi.org/10.1038/s41467-025-65778-w