FlyAnatoView: Visualization of Drosophila Single-cell RNA-seq Datasets on Anatomographs

생명체의 이야기를 이해하기 위해 과학자들은 종종 세포 내부의 아주 작은 지침들을 살펴봅니다. 수십 년 동안 연구자들은 이 지침을 읽기 위해 단일 세포 RNA 시퀀싱(single-cell RNA sequencing)이라는 강력한 방법을 사용해 왔습니다. 이 기술은 개별 세포에서 어떤 유전자가 활성화되어 있는지를 정확히 보여줌으로써 각 세포의 고유한 정체를 밝혀낼 수 있게 해줍니다. 이는 숨겨진 세포 유형을 발견하고, 유기체가 성장함에 따라 세포가 어떻게 변화하는지를 보여주었습니다. 하지만 이 방법에는 중대한 사각지대가 있습니다. 지침을 읽기 위해서 과학자들은 먼저 조직을 해체하여 개별 세포의 수프 형태로 분해해야 합니다. 이 과정에서 그 세포들이 원래 어디에 위치해 있었는지에 대한 지도는 사라집니다. 장 벽의 일부였던 세포는 데이터상에서 다리 일부였던 세포와 똑같이 보이며, 비록 그들의 신체적 위치는 서로 천양지차임에도 불구하고 말입니다. 세포가 몸의 어디에 자리 잡고 있는지 알지 못하면, 그 세포가 유기체를 위해 실제로 무엇을 하고 있는지 이해하기 어렵습니다.

연구팀은 이제 생물학을 이해하는 데 있어 근본적인 모델 역할을 하는 작은 곤충인 초파리를 대상으로 이 문제를 해결할 새로운 도구를 개발했습니다. 그들은 유전 데이터를 추출하여 이를 초파리 몸의 상세한 그림 위에 투영하는 'FlyAnatoView'라는 리소스를 개발했습니다. 특정 세포 유형의 유전적 특징을 올바른 해부학적 위치와 일치시킴으로써, 이 도구는 소실되었던 공간적 맥락을 복원합니다. 이를 통해 과학자들은 단순히 세포가 어떤 유전자를 발현하는지뿐만 아니라, 그 세포가 몸의 정확히 어디에 살고 있는지도 볼 수 있습니다. 이러한 접근 방식은 미세한 유전자 활동의 세계와 초파리의 해부학적 실체라는 거시적 현실 사이의 간극을 메워주며, 유기체가 전체로서 어떻게 기능하는지에 대한 더 명확한 그림을 제공합니다.

초파리는 오랫동안 생물학자들에게 사랑받는 연구 대상이었으며, 그 신체 부위들은 교과서와 연구 논문에 잘 기록되어 있습니다. 과학자들은 이미 성체 초파리에서 발견되는 수백 가지의 서로 다른 세포 유형을 나열한 'Fly Cell Atlas'를 포함하여 방대한 세포 유형 목록을 만들어 두었습니다. 그러나 지금까지는 이 방대한 유전 데이터를 초파리의 몸 지도 위에 시각화할 쉬운 방법이 없었습니다. 인간이나 생쥐와 같은 다른 동물들을 위한 기존 도구들은 넓은 범위의 장기 내에서 유전자 활동을 보여줄 수는 있었지만, 복잡한 구조 내에서 특정 세포 유형을 정밀하게 찾아내는 데 필요한 세부 사항은 부족했습니다. 초파리의 경우, 이전의 리소스들은 발달 중인 배아에 국한되거나 뇌에만 집중되어 있어, 나머지 성체 몸 부분에는 유전적 지도가 없는 상태였습니다. 연구자들은 초ف를 진정으로 이해하기 위해서는 유전 데이터를 다시 신체 도표로 가져와야 한다는 점을 인식했습니다.

이 리소스를 구축하기 위해 연구팀은 먼저 심장, 소화계, 신장, 생식 기관, 그리고 호흡관을 포함한 성체 초파리의 주요 장기에 대한 상세한 해부학적 도면을 제작하거나 수집했습니다. 이 그림들은 정밀한 채색과 라벨링이 가능하도록 디지털 형식으로 제작되었습니다. 그런 다음 그들은 Fly Cell Atlas와 다른 공개 데이터셋을 포함한 다양한 연구로부터 얻은 유전 데이터를 가져와 이 그림들과 일치하도록 정리했습니다. 유전 데이터는 매우 구체적인 이름으로 세포 유형을 나열하는 반면, 도면은 더 넓은 영역을 보여주는 경우가 많기 때문에, 연구자들은 데이터를 함께 그룹화하는 방법을 개발했습니다. 그들은 특정 유형에 속하는 모든 세포의 유전적 활동을 합산하여 그 결합된 활동을 도면의 해당 부분에 할당했습니다. 그들이 '의사 벌크화(pseudo-bulking)'라고 부르는 이 과정은 복잡한 숫자 목록을 누구나 읽을 수 있는 시각적 지도로 번역할 수 있게 해주었습니다.

그 결과, 사용자가 초파리 몸의 유전적 활동을 탐색할 수 있는 온라인 웹사이트가 탄생했습니다. 이 사이트는 명확하게 라벨이 붙은 다양한 장기 도면을 메뉴로 제공합니다. 연구자는 특정 유전자의 이름을 입력할 수 있으며, 도구는 해당 유전자가 가장 활발하게 작용하는 곳을 보여주도록 도면에 색을 입힙니다. 색의 강도는 활동의 세기를 나타내며, 도면을 유전자 발현의 히트맵(heat map)으로 바꿉니다. 사용자들은 두 개의 유전자를 동시에 비교하여 두 유전자가 같은 곳에서 활성화되는지 혹은 서로 다른 곳에서 활성화되는지 확인할 수 있습니다. 일부 장기의 경우, 이 도구는 건강한 초파리와 특정 유전적 변이나 종양을 가진 초파리와 같이 서로 다른 유형의 초파리 간의 비교를 허용합니다. 이를 통해 질병이나 유전적 변화가 신체의 특정 영역에서 세포 활동을 어떻게 변화시키는지 관찰하는 것이 가능해집니다.

연구진은 초파리의 중장(midgut, 음식물을 처리하는 소화계의 일부)에 있는 두 가지 잘 알려진 유전자를 통해 이 도구를 테스트했습니다. 'escargot'이라 불리는 한 유전자는 장의 재생을 돕는 줄기세포에서 활성화되는 것으로 알려져 있습니다. 또 다른 유 gene인 'Allatostatin A'는 소화를 조절하는 호르몬을 방출하는 다른 유형의 세포에서 활성화됩니다. 이 유전자들을 중장 도면에 시각화했을 때, 도구는 생물학적 예측과 정확히 일치하는 결과를 보여주었습니다. 즉, 줄기세포 유전자는 줄기세포가 사는 영역에서 빛을 냈고, 호르몬 유전자는 호르몬 방출 세포가 발견되는 뚜렷한 영역에서 빛을 냈습니다. 두 패턴은 서로 겹치지 않았으며, 이는 도구가 각 세포 유형의 고유한 정체를 정확히 보존하고 이를 올바른 위치에 배치했음을 확인시켜 주었습니다. 이 시연은 이 방법이 작동함을 증명했으며, 추상적인 데이터를 초파리 내부의 어디에서 유전자가 작동하는지에 대한 명확하고 직관적인 그림으로 바꾸어 놓았습니다.

이 새로운 리소스는 10개의 주요 장기 체계를 다루며 8개의 서로 다른 데이터셋을 활용하여 성체 초파리의 포괄적인 유전적 경관을 제공합니다. 이는 세포를 그래프상의 클러스터로 보여주는 기존의 아틀라스(atlases)를 보완하며, 대신 유기체의 물리적 실체에 뿌리를 둔 뷰를 제공합니다. 유전자가 어디에서 발현되는지 쉽게 보여줌으로써, FlyAnatoView는 과학자들이 조직이 어떻게 작동하는지, 그리고 질병 상황에서 어떻게 실패할 수 있는지에 대한 새로운 아이디어를 형성하도록 돕습니다. 이 도구는 과학계에 무료로 공개되어, 고해解도의 단일 세포 유전학 세계와 친숙한 초파리의 해부학적 세계를 잇는 가교 역할을 하고 있습니다. 이는 데이터에 '장소'의 감각을 복원하여, 모든 세포에는 집이 있으며 그 집이 중요하다는 사실을 연구자들에게 상기시켜 줍니다.