인간 유전체 프로젝트 (Human Genome Project, HGP)는 인간의 DNA 염기배열 순서를 밝히고, 염색체 지도를 완성하기 위한 국제적인 연구로 1990년에 시작되었다. 2003년에 인간 유전체 지도가 완성되어 대용량의 유전체자료가 생성되었으며, 이를 기반으로 인간의 다양한 유전자를 밝히기 위한 연구가 수행되기 시작했다.

▲ 박태성 교수

유전체 정보는 그 규모가 어마하여 이제 테라 바이트 (1,000 기가 바이트)를 넘어서 페타 바이트 (1,000 테라바이트)에 달하는 방대한 양을 자랑하고 있고, 이를 분석하기 위해서는 슈퍼컴퓨터와 같은 기반 시설 구축과 더불어 이를 효율적으로 분석 할 수 있는 응용 소프트웨어와 그에 필수적인 통계적 모형의 개발이 요구된다. 국내에서 대용량 유전체 정보 분석을 주도하고 있는 연구실이 있어서 찾아가 보았다.

국내 통계학 분야서 최초로 국가지정연구실 지정
서울대학교 생물정보통계연구실(BIBS: Bioinfomatics and Biostatistics)이 그 주인공이다. 지난 1999년 개소한 서울대학교 생물정보통계연구실은 박태성 교수가 생물학적 자료를 분석하는 통계적인 방법론을 개발하기 위해 운영하고 있다. 현재 박태성 교수를 중심으로 박사 후 연구원 1명, 통계학 전공 석·박사과정 7명과 생물정보학 전공 석·박사 과정 10명의 학생들로 이루어진 연구실은 생물정보학 연구를 체계적으로 수행할 수 있도록 통계학과 전산학에 기반한 IT와 생물학에 기반한 BT가 유기적이고 상호보완적으로 구성되어 있다. 박 교수는 “현재 전 세계적으로 기존의 시퀀싱(DNA서열분석)기기보다 훨씬 빠른 차세대 시퀀싱 (NGS: Next-generation sequencing)기술을 이용한 시퀀싱 기기들이 보급되면서 개인 유전체 시대가 다가오고 있다”면서 “우리 연구실은 이를 대비하기 위해 현재 NGS기술을 기반으로 생성된 개인 인간 유전자 서열 정보를 이용하여 유전체 자료의 품질을 평가할 뿐 아니라 각종 variants(변이)들의 발굴 기술을 개발하고, 임상 및 환경변수를 함께 고려하는 복합 상호작용 통계 모형화 기술을 제안하고 있다”고 설명했다. 연구실에서는 이 외에도 다양하고 복잡한 유전체 간의 상호작용을 시각화하여 보다 효율적인 지식체계를 잡을 수 있도록 하며, GPU 및 클라우드 컴퓨팅 기술을 기반으로 대규모 유전체 복합 상호작용 분석 시스템을 개발하고 있다. 박 교수는 “이 기술은 다양한 응용분야에 양질의 유전체 자료를 제공하고 유전자간 상호작용과 유전자와 환경요인들 간의 상호작용에 대한 복잡한 현상에 대한 연구기반기술을 제공할 것”이라고 전망했다. 통계학적인 지식만으로는 접근하기 어려운 생물학적 자료의 원리를 깊이 이해하고 효과적으로 분석해 낸 연구실은 특히 마이크로 어레이 자료의 분석 및 품질관리에 관한 연구실적을 인정받아 지난 2005년에는 국내 통계학 분야에서는 최초로 국가지정연구실(NRL: National Research Laboratory)로 지정되어 지난해까지 5년 동안 통계학 및 생물정보학 분야를 연계하여 유전체 자료에 대한 품질관리와 복합 상호작용에 대한 많은 연구들을 활발하게 진행해왔으며 여러 종류의 생물학적 자료들에 대한 통계적인 방법론의 개발 및 적용에 대해서 국내외에서 선도적인 역할을 하고 있다. 박태성 교수는 “현재 진행하고 있는 복합 유전체 자료의 품질관리와 상호작용 통계모형 연구의 최종 목표는 마이크로어레이 자료와 단일염기변이(SNP: Single Nucleotide Polymorphism) 자료 뿐 아니라 차세대 시퀀싱 자료에 대한 품질관리를 체계화하고 복합 상호작용 통계모형화 기술을 제안하고 이 기술을 수행하기 위한 소프트웨어 시스템을 개발하는 것”이라면서 “이 기술은 앞으로 더욱 쏟아질 개인의 유전자 정보 및 환경 변수들을 종합적이고 체계적으로 고려하여 복합성 질병에 대한 원인 규명 및 개인맞춤의료 및 질병에 대한 예측에 대한 정확성을 높혀줄 것이다.”이라고 피력했다.

▲ 매년 2월에 개최하고 있는 마이크로어레이 통계분석 워크샵은 올해 5회째로 매회 100여명 정도가 참여하고 있으며 단기간에 마이크로어레이 분석 전문가를 양성하는 효과적인 워크샵으로 자리를 매김하고 있다

이제는 한국인 고유의 유전체 자료의 생성과 분석 인프라에 투자할 때
우리나라를 포함한 선진국의 주요 사망원인인 암, 심장병, 당뇨병 등의 만성퇴행성 질병은 유전적 요인과 환경적 요인이 함께 기여하는 복합성 질병이다. 따라서 인간 내 유전자간의 상호작용과 유전자와 환경간의 상호작용을 함께 고려해야만 유전자-환경-질병간의 연관성을 제대로 밝힐 수 있다. 지금까지는 복잡성에 비해 상호작용을 추론할 수 있는 방법론의 부재와 계산상의 한계를 극복하지 못해 복합 상호작용을 분석해낼 수 있는 적절한 통계학 모형은 개발되지 못했다. 그런 의미에서 생물정보통계연구실이 수행하고 있는 연구는 그 의미가 매우 크다. 현재 연구실에서 집중적으로 연구하고 있는 것은 SNP간의 상호작용연구와 대규모 유전체 분석방법, 유전자 상호작용 연구, 복합유전체 자료의 통합분석 모형 연구등이다. 특히 연구실은 빠르게 급변하는 상황에서 유전체 정보분석에 대한 요구를 반영하기 위해 통계학, 전산학, 생물학에 기반을 둔 생물정보학과 생물통계학 전문가들을 양성하고 유전체 정보분석에 대한 원천기술을 개발해오고 있다. 또한 매년 2월에 개최하고 있는 마이크로어레이 통계분석 워크샵은 올해 5회째로 매회 100여명 정도가 참여하고 있으며 단기간에 마이크로어레이 분석 전문가를 양성하는 효과적인 워크샵으로 자리를 매김하고 있다.

박태성 교수는 “이미 여러 선진국에서는 자신들의 인종에 대한 많은 연구들이 진행이 되고 있으며, 각 인종별로 대용량의 유전체 자료가 쏟아져 나오고 있으며 그에 대한 분석이 체계적으로 이루어지고 있다. 또한 이미 미국, 영국, 중국을 중심으로 차세대 시퀀싱 기술을 통해 1000명의 유전체정보을 분석하는 ‘1000 Genomes Project’를 시작했고, 중국은 이와 별도로 100명의 중국인 유전정보 서열을 분석하는 ‘염황프로젝트’를 시작했다. 이 프로젝트들의 목적은 인종별로 질병 연구에 도움이 되는 인간 유전자 변이의 지도를 자세하게 제작하는 것이다. 그러나, 국제적인 협력연구를 통해 발굴되고 있는 다양한 유전변이 정보는 현재까지 한국인 유전체 정보를 포함하고 있지 않다. 이는 국가적 차원에서 한국인 특유의 유전체 기반 자료의 중요성에 대한 인식이 부족함을 보여주는 것이다. 지금 같은 상황이라면 앞으로 다가올 개인맞춤의료 및 질병예측에 어려움을 겪을 가능성이 많다. 이제는 국가적 차원에서 유전체 기반 자료의 확보를 위한 노력이 필요한 시점이다.”면서 “우리나라는 좋은 IT인프라와 IT기술을 보유하고 있음에도 불구하고 생물학 정보, 특히 개인유전체 시대를 이끌 유전체 정보를 생산할 수 있는 인프라가 부족하며, 특히 유전체 정보를 기반으로 하는 분석 인프라의 구축은 더욱 열악한 상황이다. 이제 곧 다가올 개인유전체 시대를 대비하기위해 대규모 유전체 데이터를 잘 관리하고 체계적으로 분석하기 위한 전문 분석 인력의 양성과 분석 인프라에 대한 투자가 시급하다”고 촉구했다. NM