Matched full-UDG and non-UDG ancient DNA libraries reveal trade-offs in post-mortem damage correction for imputation and kinship inference
중세 몽골인 유래의 매칭된 full-UDG 및 non-UDG 고대 DNA 라이브러리를 비교함으로써, 본 연구는 다양한 계산적 손상 보정 방법들(트리밍, 리스케일링, 마스킹)이 사이트 보존과 오류 감소 사이에서 서로 다르게 균형을 맞추는 반면, 최적의 선택은 특정 다운스트림 분석에 따라 달라지며, 특히 non-UDG 라이브러리의 경우 정확한 친족 관계 추론을 위해 보정된 데이터가 필수적임을 입증한다.
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과학자들이 수천 년 전 살았던 사람들의 DNA를 연구할 때, 그들은 죽음의 순간부터 서서히 부서지고 있는 물질을 다루고 있는 것이다. 수 세기에 걸쳐 이 유전 암호의 화학적 구성 요소들은 변화한다. 구체적으로, 사이토신(cytosine)이라고 불리는 성분은 종종 인체가 자연적으로 사용하지 않는 다른 분자인 우라실(uracil)로 변한다. 연구자들이 이 고대 DNA를 읽기 위해 복제할 때, 기계는 변형된 사이토신을 티민(thymine)으로 오인하여, 실제로는 존재하지 않는 유전적 차이가 있는 것처럼 보이는 가짜 신호를 만들어낸다. 이러한 손상은 무작위로 일어나지 않는다; 이는 마치 오래된 밧줄의 가장자리가 해지는 것처럼, DNA 단편의 맨 끝부분에 집중되는 경향이 있다. 이 고대인들이 누구였는지, 그리고 그들이 어떻게 서로 연관되어 있었는지에 대한 진정한 모습을 얻기 위해, 과학자들은 이 손상을 어떻게 처리할지 결정해야 한다. 그들은 시퀀싱(sequencing) 전에 DNA를 정화하기 위해 효소를 사용하거나, 컴퓨터 프로그램을 사용하여 손상된 부분을 무시하거나 조정할 수 있다. 특히 서로 다른 유형의 데이터를 혼합할 때 어떤 접근 방식이 가장 효과적인지에 대한 문제는 오랫동안 논쟁의 대상이었다.
일본과 몽골의 연구팀은 최근 13세기 또는 14세기로 거슬러 올라가는 동부 몽골의 중세 묘지에 매장된 두 개인을 조사함으로써 이 문제를 다루었다. 이 두 사람, 즉 한 남성과 한 여성은 초기 스크리닝 결과, 부모와 자식 관계처럼 매우 밀접하게 연관된 것으로 보였다. 과학자들은 각 인물의 동일한 뼈에서 DNA 추출물을 채취하여 두 그룹으로 나누었다. 한 그룹은 시퀀싱 전에 손상된 DNA 부분을 화학적으로 제거하여 샘플을 효과적으로 정화하는 full-UDG라는 효소로 처리되었다. 다른 그룹은 자연스러운 손상 패턴을 보존하기 위해 처리되지 않은 상태로 남겨졌는데, 이 패턴은 고대 물질의 지문 역할을 한다. 이는 동일한 유전원을 두 가지 다른 방식으로 처리함으로써, 정화 과정이 결과를 어떻게 변화시키는지 정확히 볼 수 있게 해주는 완벽한 대조군을 만들어냈다. 그 후 연구진은 처리되지 않은 데이터에 다양한 컴퓨터 방법을 적용하여, 정보를 너무 많이 버리지 않고도 손상을 수정할 수 있는지 확인했다.
연구 결과, 고대 DNA 손상을 해결하는 단 하나의 완벽한 방법은 없으며, 모든 방법에는 절충(trade-off)이 따른다는 것이 밝혀졌다. 연구진이 DNA 가닥의 손상된 끝부분을 단순히 잘라내려고 했을 때, 그들은 상당한 양의 사용 가능한 유전 데이터를 잃었다. 반면, 손상된 염기의 신뢰 점수를 조정하거나 이를 마스킹(masking)하는 방법들은 거의 모든 데이터를 온전히 유지했다. 특정 접근 방식 중 하나인 끝부분 근처 염기의 품질 점수를 조정한 방식은 99.3%의 커버된 사이트를 유지한 반면, 양쪽 끝에서 5개의 염기를 단순히 잘라낸 방식은 약 85%만을 유지했다. 흥 nghiệm스럽게도, 이 특정 샘플에서의 손상은 대칭적이지 않았다; 즉, DNA 가닥의 한쪽 끝이 다른 쪽보다 훨씬 더 심하게 나타났다. 연구팀이 양쪽 끝을 똑같이 자르는 대신 심하게 손상된 한쪽 끝만 자르는 테스트를 했을 때, 그들은 오류를 줄이면서도 더 많은 데이터를 유지할 수 있음을 발견했다. 이는 특정 유형의 고대 샘플의 경우, 균형 잡힌 방식보다 한쪽 방향으로 치우친 접근 방식이 더 효율적일 수 있음을 시사한다.
연구진은 이후 이 정화된 데이터셋과 정화되지 않은 데이터셋을 사용하여 두 개인의 유전적 프로필을 재구성하고 그들의 관계를 결정했다. 결과는 정화 방법의 선택이 그들의 가족적 유대 관계의 근접성을 변화시킬 수 있음을 보여주었다. 수정되지 않은 손상된 데이터를 그대로 사용했을 때, 컴퓨터는 두 사람이 고모/이모와 조카 같은 2촌 관계라고 제안했다. 그러나 최선의 컴퓨터 방법을 사용하여 데이터를 교정한 후에는, 분석 결과가 일관되게 부모와 자식 같은 1촌 관계로 나타났다. 이러한 변화는 정정되지 않은 손상이 두 사람이 실제로 덜 가깝다고 컴퓨터를 오도했음을 확인시켜 주었다. 모계로만 전달되는 미토콘드리아 DNA와 유전적 성별에 대한 추가 분석을 통해, 여성이 어머니이고 남성이 아들임을 확인했다.
궁극적으로, 이 연구는 모든 상황에 완벽한 단 하나의 컴퓨터 방법은 없지만, 고대 DNA 손상을 처리하는 방식이 최종적인 이야기에 매우 중요하다는 것을 입증한다. 연구진은 데이터를 완전히 버리지 않고 조정하는 방법들이 서로 다른 유형의 라이브러리를 비교할 때 가장 일관된 결과를 생성한다는 것을 발견했다. 또한, 불균일한 손상을 가진 샘플의 경우, 정화 과정을 특정 붕괴 패턴에 맞추는 것이 더 많은 가치 있는 정보를 보존할 수 있음을 보여주었다. 오류의 제거와 데이터의 유지 사이에서 신중하게 균형을 맞춤으로써, 과학자들은 고대의 삶과 가족사를 더 정확하게 재구성하여, 해진 손상된 파편들을 인간 관계에 대한 선명한 그림으로 바꿀 수 있다.
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