UNIPRO enables protein inference and panel expansion across single-cell and spatial transcriptomics

당신이 북적이는 도시를 이해하려고 노력하고 있다고 상상해 보세요. 당신에게는 모든 사람의 생각과 계획(그들의 "전사체")이 담긴 거대한 목록이 있습니다. 이것은 그들이 어떤 사람이 되어야 하는지를 알려줍니다. 하지만 생각과 행동이 항상 일치하는 것은 아닙니다. 때로는 요리사가 되기를 계획했지만, 결국 정비사가 되어 일하게 되는 경우도 있습니다. 도시에서 실제로 무슨 일이 일어나고 있는지 정말로 알기 위해서는, 그들이 실제로 손에 쥐고 있는 도구(그들의 "단백질체")를 보아야 합니다. 생물학에서 단백질은 바로 그 도구입니다. 그것들은 힘든 일을 수행하고, 신호를 보내며, 생명의 구조를 구축합니다. 과학자들은 개별 세포의 "생각"(RNA)을 읽는 데는 매우 능숙해졌지만, 실제로 "도구"(단백질)를 측정하는 것은 마치 거대한 도시의 모든 시민을 인터뷰하려는 것과 같습니다. 비용이 많이 들고 느리며, 한 번에 몇 개의 질문만 던질 수 있는 경우가 많습니다. 이로 인해 연구자들은 생각의 거대한 지도는 가지고 있지만, 그 세포들이 실제로 무엇을 '하고' 있는지에 대한 결정적인 세부 사항은 놓치게 됩니다.

이제, 당신에게 아주 똑똑한 탐정이 있어서, 사람의 상세한 일기(그들의 RNA)를 보고 그들이 어떤 도구를 들고 있는지 직접 보지 않고도 정확하게 추측할 수 있다고 상상해 보세요. 이것이 바로 이 논문이 소개하는 내용입니다. 연구진은 UNIPRO라는 새로운 컴퓨터 프로그램을 만들었습니다. 이것은 단순히 단어를 읽는 것이 아니라, 동네를 이해하는 숙련된 번역가라고 생각하면 됩니다. 그들은 사람들이 서로 가까이 살면 종종 비슷한 직업을 갖거나 비슷한 유니폼을 입는다는 것을 알고 있습니다. 세포의 내부적인 "생각"과 그 물리적 위치 및 이웃을 결합함으로써, UNIPRO는 누락된 단백질 데이터를 놀라운 정확도로 예측할 수 있습니다. 이는 매우 중요한 일입니다. 왜냐하면 과학자들이 기존의 세포 생각 지도를 사용하여, 우리 몸이 어떻게 조직되어 있는지에 대한 숨겨진 패턴을 드러내는 상세하고 단백질이 풍부한 지도(atlas)로 바꿀 수 있게 해주기 때문입니다.

지도(Neighborhood Map)를 가진 탐정

오랫동안 과학자들은 세포를 연구하는 두 가지 주요 방법을 가지고 있었습니다. 한 가지 방법은 RNA를 보는 것으로, 이는 세포의 할 일 목록을 읽는 것과 같습니다. 다른 한 가지 방법은 실제 일꾼인 단백질을 측정하는 것입니다. 우리는 세포의 할 일 목록을 보여주는 수천 개의 지도를 가지고 있지만, 주로 조직 내에서 단백질을 측정하는 것이 까다롭고 비용이 많이 들기 때문에 일꾼들을 보여주는 지도는 매우 적습니다. 기존의 컴퓨터 프로그램들은 할 일 목록을 바탕으로 일꾼을 추측하려고 시도했지만, 모든 세포를 들판에 홀로 서 있는 낯선 사람처럼 취급했습니다. 그들은 현실에서 세포가 이웃이라는 사실을 깨닫지 못했습니다. 종양 속의 세포는 건강한 조직 속의 세포와 할 일 목록이 비슷해 보이더라도, 주변 환경이 모든 것을 바꾸기 때문에 다르게 행동합니다.

하얼빈 공업대학교 연구진이 이끄는 이 논문의 저자들은 단백질을 올바르게 추측하려면 동네를 이해해야 한다는 점을 깨달았습니다. 그들은 도시의 지도를 그리는 탐정 역할을 하는 UNIPRO를 구축했습니다. 이 도구는 단 하나의 세포만을 보는 것이 아니라, 그 세포가 이웃과 어떻게 연결되는지, 그리고 그 이웃들과 "생각"이 얼마나 유사한지를 살펴봅니다.

UNIPRO의 작동 원리: 스마트한 접착제

UNIPRO는 "그래프"라는 영리한 기법을 사용합니다. 점들이 세포이고 선들이 그들을 연결하는 사회 관계망을 상상해 보세요. 보통은 점들이 물리적으로 옆에 있거나(공간적 이웃), 혹은 같은 생각을 하고 있을 때(전사체적 이웃) 연결합니다. UNIPRO는 이 두 가지를 모두 수행하지만, 매우 영리하게 작동합니다.

때로는 물리적 지도가 엉망일 수 있습니다. 예를 들어 조직에 틈이 있거나 데이터가 누락된 부분이 있을 수 있습니다. 만약 단순히 누가 누구 옆에 서 있는지만 본다면, 잘못된 사람들을 연결할 수도 있습니다. UNIPRO는 그 동네가 얼마나 "붐비는지"를 확인합니다. 만약 어떤 지점이 조직의 밀집되고 분주한 부분에 있다면, 물리적 이웃을 더 신뢰합니다. 만약 어떤 지점이 희박하거나 지저분한 영역에 있다면, "생각"의 유사성을 더 신뢰합니다. 이는 마치 붐비는 시장에서는 옆에 서 있는 사람을 믿을 수 있지만, 텅 빈 골목에서는 목소리로 아는 사람을 믿어야 한다는 것을 아는 탐정과 같습니다.

이 스마트한 지도를 갖춘 후, UNIPRO는 거기서 멈추지 않습니다. 그것은 연결 관계를 계속해서 정교하게 다듬습니다. 세포에 대해 더 많이 배 way면서, UNIP리은 세포 사이의 연결 강도를 조정하여 어떤 이웃이 진정으로 중요한지, 그리고 어떤 이웃이 그저 우연히 가까이 있는 것인지를 파악합니다. 이를 통해 세포의 정체성과 환경을 모두 이해하는 "단백질 인지적(protein-aware)" 표현형, 즉 정신적 모델을 만들어낼 수 있습니다.

그들이 발견한 것: 빈칸 채우기

연구진은 인간 림프절, 편도, 유방암 조직을 포함한 다양한 데이터셋을 통해 UNIPRO를 테스트했습니다. 그들이 발견한 내용은 다음과 같습니다.

1. 다양한 조직 섹션에서 작동함
그들은 림프절의 한 단면을 학습시킨 뒤, 동일한 조직의 완전히 다른, 보지 못한 단면에서 단백질을 예측하도록 요청했습니다. UNIPRO는 다른 어떤 방법보다 이 작업에 뛰어났습니다. 그것은 단순히 무작위 숫자를 추측한 것이 아니라, 외부 껍질과 내부 핵심처럼 조직의 서로 다른 부분을 정의하는 특정 단백질 패턴을 재현해 냈습니다. 이는 프로그램이 단순히 데이터를 암기한 것이 아니라, 단백질이 어떻게 조직되는지에 대한 "규칙"을 학습했음을 시사합니다.

2. 암의 비밀을 밝혀냄
유방암 조직에 UNIPRO를 적용했을 때 결과는 놀라웠습니다. 암은 무질서하며, RNA만 봐서는 종양이 어디서 끝나고 건강한 조직이 어디서 시작되는지 구분하기 어렵습니다. 하지만 UNIPRO가 예측한 단백질을 추가하자 경계가 매우 명확해졌습니다. 프로그램은 면역 세포가 싸우기 위해 모여드는 구역, 혈관이 자라나는 구역, 그리고 종양이 건강한 조직을 침범하는 정확한 가장자리와 같은 특정 구역을 식별했습니다. 또한 PDPN과 CD86 같은 마커를 찾아내어 이러한 경계를 강조함으로써, RNA만으로는 놓쳤던 수준의 세부 사항을 보여주었습니다.

3. 누락된 단백질을 "발명"할 수 있음
UNIPRO가 할 수 있는 가장 흥eli로운 일 중 하나는 "패널 확장(panel expansion)"입니다. 20개의 단백질을 측정하는 테스트가 있는데, 100개를 측정할 수 있기를 바란다고 상상해 보세요. UNIPRO는 당신이 가진 20개의 단백질(및 RNA 데이터)을 보고 나머지 80개가 어떻게 보일지를 정확하게 예측할 수 있습니다. 그들은 데이터에서 일부 단백질을 숨긴 뒤 UNIPRO가 그것들을 다시 맞출 수 있는지 테스트했습니다. UNIPRO는 조직의 국소적 패턴을 보존하면서 이전 도구들보다 더 잘 해냈습니다. 이는 과학자들이 잠재적으로 더 저렴하고 작은 테스트를 사용하면서도 전체적인 단백질 경관을 얻을 수 있음을 의미합니다.

4. 단일 세포에서도 작동함
비록 UNIPRO가 공간 데이터(위치가 중요한 데이터)를 처리하도록 설계되었지만, 위치를 알 수 없는 단일 세포 데이터에서도 똑같이 잘 작동합니다. 그들은 서로 다른 사람들의 혈액 세포를 대상으로 테스트했으며, 다른 방법들이 놓친 면역 세포의 미세한 하위 유형을 식별할 수 있음을 발견했습니다. 예를 들어, 예측된 단백질 수치를 바탕으로 서로 다른 유형의 T세포를 구별해 냄으로써, 서류상으로는 비슷해 보이는 혼란스러운 세포 그룹들을 분류하는 데 도움을 주었습니다.

이것이 왜 중요한가

이 논문은 UNIPRO가 우리가 이미 가지고 있는 데이터를 최대한 활용할 수 있는 강력한 새로운 방법임을 시사합니다. 모든 단백질을 측정하기 위해 비싼 새로운 실험을 할 필요 없이, 이미 수집한 RNA 데이터를 사용하여 이를 추론할 수 있습니다. 이것이 예측이 실제 측정의 완벽한 대체물이라는 뜻은 아닙니다. 저자들은 이것이 패턴에 기반한 추정치라는 점을 주의 깊게 언급하고 있습니다. 하지만 이는 이전에 숨겨져 있던 생물학적 진실을 드러낼 만큼 충분히 훌륭합니다.

단일 세포와 공간 조직을 통합함으로써, UNIPRO는 인체의 "단백질 정보가 포함된" 지도를 구축하는 방법을 제시합니다. 종양이 면역 체계로부터 어떻게 숨는지, 혹은 면역 세포가 림프절 내에서 어떻게 조직되는지를 이해하든 간에, 이 도구는 우리 몸이라는 도시를 단순한 생각의 목록이 아니라 살아 움직이는, 일하는 공동체로 바라볼 수 있게 해줍니다.