마이크로어레이

마이크로어레이(microarray)는 종종 유전자 칩(gene chips)이라고도 불리는데, 유전자 혹은 그 일부분을 [중합효소연쇄반응 (polymerase chain reaction: PCR)]으로 증폭한 DNA 단편이나, 유전체 염기서열을 기반으로 합성된 올리고뉴클레오티드를 일정한 패턴으로 고정시킨 작은 고형물이다. 이런 유전자 단편들은 특정 조건의 세포로부터 추출한 mRNA와 혼성화 반응을 일으키는데, 이를 컴퓨터를 이용해 읽어 mRNA의 유전자 발현을 확인할 수 있다. 마이크로어레이 방법을 이용하기 위해서는 부족한 mRNA의 양을 증폭시켜야 하는데, 역전사효소(reverse transcriptase)로 mRNA를 주형으로 상보적인 cDNA를 합성한다. 그 후, 이를 다시 PCR로 증폭하거나, T7 RNA 중합효소를 이용하여 cDNA에 상보적인 cRNA를 합성하여 사용할 수 있다. 사진평판술(photolithography)이라는 컴퓨터 칩을 만드는 데 사용된 방법을 응용해 수천 개의 다른 DNA 단편으로 1~2cm 크기의 실리카 마이크로어레이 칩을 만들 수 있다. 이 때 만들어진 마이크로어레이는 한 생물체의 전체 유전제를 대표할 수 있어야 하기에, 마이크로어레이의 신뢰도를 향상시키기 위해 각각의 유전자 단편을 한 번 이상 부착시킨다.

마이크로어레이에 사용되는 DNA칩 이용 개요. (출처: 한국미생물학회)

목차

마이크로어레이 칩에 어떤 유전자를 부착하느냐에 따라 여러 가지 분석을 진행할 수 있다. 마이크로어레이 위에 유전체 내 각각의 유전자에 상보적인 올리고뉴클레오티드를 부착시키고, 특정 조건에서 얻은 전체 mRNA를 시료로 사용하여 한 생물체에서 일어나는 전체 유전자의 발현을 분석할 수 있다. 혹은 서로 다른 조건에서 키운 생물체에서 특정 유전자 그룹의 발현을 비교 분석할 수 있다. 또한 동시다발적으로 일어나는 수 천 개 유전자의 발현을 정성, 정량적으로 빠르게 분석할 수 있다. 이는 생물체 내에서의 복잡한 대사과정과 전사조절 과정을 파악할 수 있는 잠재력을 가진다. 예를 들면, 효모는 호기성 조건에서의 호흡과 혐기성 조건에서의 발효를 통해 생장할 수 있는데, 발효에서 호흡 대사 과정으로 전환되었을 때, 혹은 그 반대의 경우, 어떤 유전자들이 어떻게 변화되는지를 전사체 분석을 이용해 이해할 수 있다. 위 조건에서 유전자 발현을 전사체 분석을 통해 분석한 결과 효모가 발효 생장에서 호기성 생장으로 전환되면, 대대적인 대사 '프로그램 재구성(reprogramming)'을 거친다는 것을 보여주었다. 이런 프로그램 재구성이 일어날 때 호기성 생장에 필요한 TCA 회로와 관련된 유전자들의 발현이 크게 활성화된 반면, 발효 산물인 에탄올 생산을 조절하는 일련의 유전자들은 크게 억제되었다. 전체 생물체 관점에서 보면 이러한 대사 전환을 거치면서 700개 이상의 유전자들이 활성화되었고 1,000개 이상의 유전자들이 억제되었다. 이 외에 혐기성 조건에서 호기성 조건으로 전환되는 과정 중 아직 기능이 밝혀지지 않은 몇몇 유전자들의 발현 양상을 마이크로어레이를 사용해 분석함으로써 이들의 기능에 대한 단서를 획득할 수 있었다.

DNA 마이크로어레이는 의료 분야에서도 사용될 수 있는다. 예를 들어, 무해한 세균 균주가 병원성 균주로 진화되는 과정을 밝힐 수도 있고, 암 세포의 유전자 결실이나 중복을 모니터링하는 데 사용할 수 있다.

마이크로어레이 칩. 출처: GettyimagesKorea

생물체 내 유전자 발현을 분석하는 것 외에도 마이크로어레이는 미생물을 동정하는 데 사용될 수 있다. 이 경우 마이크로어레이에 다양한 생물체나 바이러스의 특징적인 DNA 서열을 부착시키고, 시료를 혼성화함으로써 시료 내 균주들을 동정할 수 있다. 이러한 방법으로 임상 시료에서 병원성 바이러스나 세균의 감염 여부를 빠르게 동정하거나, 식품 산업에서 음식물에 존재하는 여러 생물체 중 E.coli O157: H7과 같은 특별한 병원균을 검색하는 데 사용할 수도 있고, FoodExpret_ID칩과 같은 DNA 칩을 이용해 고등생물을 동정하는 데 사용할 수 있다. 다양한 척추동물의 특정 유전자 단편을 고정시켜 식품 라벨에 기록된 육류 성분을 확인하고, 첨가제 및 대체물을 확인하며, 나아가 광우병과 같은 질병에 대한 검사에도 사용된다. 이 외에도 마이크로어레이는 환경 미생물학에서 특정 환경조건에서의 미생물의 다양성을 평가하는 데 사용될 수도 있다. Phylochip은 여러 세균 종에서 알려진 16S rRNA 염기서열에 상보적인 올리고뉴클레오티드를 포함하고 있는데, 여러 환경에서 얻은 시료로부터 DNA 혹은 RNA를 추출한 다음 각 세균 종의 존재 여부를 혼성화 반응을 통해 빠르게 확인할 수 있다.

최근에는 차세대 염기서열 분석법(Next Generation Sequencing, NGS)이 활성화되면서, 마이크로어레이를 활용해 분석하는 유전자 발현과 동정에서 혼성화 방법 대신 염기서열 분석법 활용이 늘어나고 있는 추세이다.

김봉수/한림대학교

김은자/한국미생물학회

1. Miller MB, Tang Y. 2009. Basic concepts of microarrays and potential applications in clinical microbiology. Clin. Microbiol. Rev. 22(4): 611-633.