챕터 12 선수지식: 조직 병리학과 공간체학에 들어가기 전 알아야 할 것

31 분 소요

1. 12챕터는 무엇을 하려는 장인가요?

12챕터는 “세포가 어떤 유전자를 발현하는지뿐 아니라, 그 세포가 조직 안의 어디에 있었는지도 함께 보면 무엇을 더 알 수 있을까요?”라는 질문을 다룹니다.

10장 단일세포 전사체학은 세포 하나하나의 발현 정보를 볼 수 있게 해줍니다. 하지만 일반적인 단일세포 RNA-seq에는 큰 약점이 있습니다. 조직을 잘게 분해해서 세포를 따로 떼어내기 때문에, 각 세포가 원래 조직의 어느 위치에 있었는지 정보가 사라질 수 있습니다.

예를 들어 도시 전체의 사람들을 모두 한 운동장에 모아놓고 조사하면 각 사람의 직업, 나이, 건강 상태는 알 수 있습니다. 하지만 그 사람이 원래 병원 근처에 살았는지, 시장 근처에 살았는지, 공장 지대에 살았는지는 알기 어려워집니다.

공간체학(spatial omics)은 이 문제를 보완합니다. 세포나 분자의 위치 정보를 보존하면서 유전자 발현, 단백질, 대사물질 같은 분자 정보를 측정합니다.

단일세포 분석이 “누가 무엇을 하고 있는가”를 본다면, 공간체학은 “누가 어디에서 무엇을 하고 있는가”를 봅니다.

조직병리학은 조직의 모양을 읽는 일입니다

2. 조직은 세포들이 모여 만든 공간 구조입니다

조직(tissue)은 같은 기능을 수행하는 세포들이 모여 만들어진 구조입니다. 하지만 조직은 단순히 세포가 아무렇게나 섞인 덩어리가 아닙니다. 위치와 구조가 중요합니다.

예를 들어 암 조직을 생각해보겠습니다. 암세포가 있는 중심부, 암세포가 주변 조직으로 침윤하는 경계, 혈관 주변, 면역세포가 모여 있는 구역은 서로 다른 생물학적 의미를 가질 수 있습니다. 같은 암 조직 안에서도 위치에 따라 산소 공급, 영양 상태, 면역 반응, 약물 도달 정도가 달라질 수 있습니다.

따라서 조직을 이해하려면 세포 유형뿐 아니라 공간적 배치도 봐야 합니다.

어떤 세포가 있는지도 중요하지만, 그 세포가 누구 옆에 있고 어떤 구역에 있는지도 중요합니다.

3. 조직병리학은 염색된 조직 절편을 보고 질병을 판단하는 분야입니다

조직병리학(pathology)은 질병이 생긴 조직을 현미경으로 관찰하고 진단하는 분야입니다. 병리학자는 조직을 얇게 자른 절편을 염색한 뒤, 세포 모양, 핵의 크기, 조직 구조, 세포 배열, 침윤 양상 등을 관찰합니다.

전통적인 병리학은 매우 강력합니다. 암 진단에서도 조직 모양을 보는 병리 판독은 핵심 역할을 합니다. 하지만 전통적인 조직병리학은 주로 “모양”을 봅니다. 분자 수준에서 어떤 유전자가 발현되고 있는지, 어떤 세포가 어떤 신호를 내고 있는지는 제한적으로만 알 수 있습니다.

12장은 여기에 공간체학을 결합합니다. 즉, 조직의 형태학적 정보와 분자 정보를 함께 보려는 것입니다.

4. H&E 염색은 조직병리학의 기본 염색입니다

H&E 염색은 헤마톡실린(Hematoxylin)과 에오신(Eosin)을 사용하는 기본 조직 염색법입니다.

헤마톡실린은 주로 세포핵을 파란색 또는 보라색 계열로 염색합니다. 세포핵에는 DNA와 RNA 같은 핵산이 많기 때문입니다. 에오신은 주로 세포질과 단백질 성분을 분홍색 또는 붉은색 계열로 염색합니다.

초심자 입장에서는 다음처럼 기억하면 됩니다.

염색 성분	주로 보이는 부분	색 감각
헤마톡실린	세포핵	파란색·보라색 계열
에오신	세포질, 단백질 많은 부분	분홍색·붉은색 계열

병리학자는 이 색과 모양을 보고 세포가 정상적인지, 암세포처럼 보이는지, 염증세포가 모여 있는지, 조직 구조가 무너졌는지 등을 판단합니다.

5. 형광 이미징은 특정 분자를 빛나게 해서 보는 방법입니다

형광 이미징은 특정 분자에 형광 표지를 붙이고, 그 표지가 빛나도록 해서 위치를 보는 방법입니다. 1장 선수지식에서 이미징 기술을 간단히 다뤘다면, 여기서는 조직 안의 특정 세포나 분자를 더 정밀하게 보기 위한 도구로 이해하면 됩니다.

예를 들어 DAPI라는 염료는 DNA에 결합해서 세포핵을 파란색으로 보이게 합니다. 그러면 이미지에서 핵의 위치를 쉽게 찾을 수 있습니다. 특정 단백질에 형광 항체를 붙이면, 그 단백질이 있는 세포나 부위를 확인할 수 있습니다.

다중 형광 표지는 여러 색의 형광을 동시에 사용합니다. 파란색은 핵, 초록색은 특정 면역세포 마커, 빨간색은 암세포 관련 단백질처럼 여러 정보를 한 장의 이미지에서 볼 수 있습니다.

6. 공간 전사체학은 위치 정보를 보존한 RNA-seq입니다

공간 전사체학(spatial transcriptomics)은 조직 안에서 위치 정보를 유지한 채 유전자 발현을 측정하는 기술입니다.

일반 RNA-seq는 RNA를 추출하고 섞은 뒤 읽습니다. 단일세포 RNA-seq는 세포별로 구분하지만, 조직을 분해하는 과정에서 위치 정보가 사라질 수 있습니다. 공간 전사체학은 조직 절편을 슬라이드 위에 올려두고, 각 위치에서 나온 RNA에 위치 바코드를 붙입니다.

공간 바코드는 “어디서 온 RNA인가”를 표시합니다

이렇게 하면 시퀀싱 후에도 “이 RNA는 조직의 A1 위치에서 왔다”, “이 RNA는 B3 위치에서 왔다”처럼 알 수 있습니다. 그 결과 유전자 발현 지도를 조직 이미지 위에 겹쳐 볼 수 있습니다.

공간 전사체학은 RNA 발현량 표에 “좌표”를 붙이는 기술이라고 볼 수 있습니다.

7. 공간 바코드는 위치를 알려주는 주소표입니다

공간 바코드(spatial barcode)는 조직 절편의 특정 위치를 식별하는 짧은 DNA 서열입니다. 슬라이드의 각 위치마다 서로 다른 바코드가 미리 붙어 있습니다.

조직에서 나온 mRNA가 그 위치의 프로브에 붙으면, 이후 만들어지는 cDNA에 그 위치 바코드가 함께 들어갑니다. 나중에 시퀀싱을 하면 유전자 서열뿐 아니라 위치 바코드도 같이 읽힙니다.

즉, 공간 바코드는 “이 RNA가 어느 위치에서 왔는가”를 알려주는 주소표입니다. 단일세포 RNA-seq에서 세포 바코드가 “어느 세포에서 왔는가”를 알려줬다면, 공간 전사체학의 공간 바코드는 “조직의 어느 좌표에서 왔는가”를 알려줍니다.

8. Visium은 대표적인 공간 전사체학 플랫폼입니다

Visium은 10x Genomics에서 만든 대표적인 공간 전사체학 플랫폼입니다. 조직 절편을 공간 바코드가 깔린 슬라이드 위에 올리고, 위치별로 RNA를 포획하여 발현을 측정합니다.

중요한 점은 기존 Visium의 한 스팟이 보통 세포 하나보다 크다는 것입니다. 일반적인 세포 크기는 대략 10~20마이크로미터 정도인데, Visium의 스팟은 여러 세포를 포함할 수 있습니다. 그래서 한 스팟의 발현값은 세포 하나의 발현값이 아니라, 그 위치 근처 여러 세포의 섞인 신호일 수 있습니다.

이 때문에 스팟 디콘볼루션이 필요합니다.

9. 스팟 디콘볼루션은 한 위치 안의 세포 비율을 추정하는 방법입니다

스팟 디콘볼루션(spot deconvolution)은 공간 전사체학의 한 스팟 안에 어떤 세포 유형이 얼마나 섞여 있는지 추정하는 방법입니다.

예를 들어 어떤 스팟에서 T세포 마커, 암세포 마커, 섬유아세포 마커가 함께 관측되었다고 합시다. 그러면 이 스팟은 여러 세포 유형이 섞인 위치일 수 있습니다. 단일세포 RNA-seq 참조 데이터가 있으면, 각 세포 유형의 특징적인 발현 패턴을 바탕으로 이 스팟 안의 세포 비율을 추정할 수 있습니다.

스팟 디콘볼루션은 한 스팟 안의 세포 비율을 추정합니다

10장에서 다룬 디콘볼루션 개념이 여기서 다시 사용됩니다. 차이는 벌크 조직 전체가 아니라, 공간상의 작은 스팟마다 디콘볼루션을 수행한다는 점입니다.

10. 해상도는 “얼마나 작은 단위까지 구분할 수 있는가”입니다

공간체학에서 해상도(resolution)는 매우 중요합니다. 해상도는 얼마나 작은 단위까지 구분할 수 있는지를 뜻합니다.

낮은 해상도에서는 여러 세포가 하나의 측정 단위에 섞일 수 있습니다. 높은 해상도에서는 세포 하나에 가까운 수준, 또는 세포 내부의 위치까지 볼 수 있습니다.

사진을 떠올리면 쉽습니다. 흐릿한 사진에서는 사람 여러 명이 한 덩어리처럼 보일 수 있습니다. 고해상도 사진에서는 각 사람의 얼굴과 표정까지 구분할 수 있습니다. 공간 전사체학도 마찬가지입니다. 해상도가 높을수록 위치별 분자 정보를 더 정밀하게 볼 수 있습니다.

다만 해상도가 높아지면 데이터가 커지고 분석도 어려워집니다. 그래서 기술은 더 높은 해상도와 더 넓은 측정 범위, 더 낮은 비용 사이에서 균형을 잡아야 합니다.

11. FISH는 특정 RNA 위치를 직접 보는 기술입니다

FISH(Fluorescence In Situ Hybridization)는 형광 표지된 프로브를 이용해 특정 DNA나 RNA의 위치를 직접 보는 기술입니다. 여기서 in situ는 “제자리에서”라는 뜻입니다. 즉, 분자를 추출하지 않고 세포나 조직 안에 있는 그대로 위치를 확인합니다.

smFISH(single-molecule FISH)는 특정 mRNA 분자 하나하나를 점처럼 볼 수 있는 방법입니다. 하나의 RNA에 여러 형광 프로브를 붙여 신호를 강하게 만들고, 현미경으로 그 위치를 확인합니다.

FISH 계열 기술은 조직 안의 RNA 위치를 직접 봅니다

FISH 계열 기술은 공간 전사체학의 또 다른 접근법입니다. 시퀀싱 기반 방법이 많은 유전자를 한꺼번에 읽는 데 강하다면, FISH 기반 방법은 특정 RNA의 위치를 이미지로 직접 보는 데 강합니다.

12. MERFISH와 SeqFISH는 많은 유전자를 색 조합으로 구분합니다

기본 FISH는 보통 한 번에 볼 수 있는 유전자 수가 제한적입니다. 색깔이 너무 많아지면 서로 구분하기 어렵기 때문입니다. MERFISH와 SeqFISH는 이 한계를 넘기 위해 여러 라운드의 이미징과 바코딩을 사용합니다.

간단히 말하면, 한 유전자를 한 가지 색으로만 표시하는 것이 아니라 여러 번의 촬영에서 나타나는 색의 조합으로 유전자를 구분합니다. 마치 상품 바코드가 검은 줄과 흰 줄의 조합으로 상품을 구분하듯, 형광 색의 조합으로 여러 유전자를 구분하는 것입니다.

이런 기술을 이용하면 조직 안에서 많은 유전자의 위치 정보를 동시에 얻을 수 있습니다.

13. 제자리 시퀀싱은 조직 안에서 바로 서열을 읽으려는 접근입니다

제자리 시퀀싱(in situ sequencing)은 조직에서 RNA를 추출하지 않고, 조직 안에서 위치 정보를 유지한 채 서열 정보를 읽으려는 기술입니다.

일반 시퀀싱은 분자를 추출해서 기계 안에서 읽습니다. 제자리 시퀀싱은 가능한 한 “원래 있던 자리”에서 신호를 읽습니다. 이렇게 하면 분자 정보와 위치 정보를 동시에 얻을 수 있습니다.

처음에는 기술 이름들을 모두 외울 필요는 없습니다. 중요한 구분은 다음입니다.

접근	핵심 아이디어
슬라이드 바코드 기반	위치별 바코드가 있는 슬라이드로 RNA를 포획합니다.
FISH 기반	특정 RNA에 형광 프로브를 붙여 직접 위치를 봅니다.
제자리 시퀀싱 기반	조직 안에서 위치를 유지한 채 서열 정보를 읽습니다.

14. 공간 단백체학은 단백질의 위치와 양을 함께 봅니다

공간체학은 전사체만 다루지 않습니다. 단백질을 공간적으로 측정하는 공간 단백체학도 중요합니다.

RNA 발현량이 높다고 항상 단백질이 많이 만들어지는 것은 아닙니다. RNA는 단백질의 설계도에 가깝지만, 실제 기능을 수행하는 분자는 대개 단백질입니다. 그래서 질병 상태를 이해하려면 RNA 정보와 단백질 정보를 함께 보는 것이 좋습니다.

공간 단백체학에서는 항체나 질량분석 기반 방법을 사용해 조직 안에서 특정 단백질이 어디에 얼마나 있는지 측정할 수 있습니다. 특히 암 면역 미세환경에서는 어떤 면역세포가 어떤 단백질 마커를 발현하는지, 암세포와 얼마나 가까이 있는지가 치료 반응과 관련될 수 있습니다.

15. 종양 미세환경은 암세포 주변의 생태계입니다

12장을 읽을 때 종양 미세환경(tumor microenvironment)이라는 개념이 자주 중요해집니다. 종양은 암세포만으로 이루어진 덩어리가 아닙니다. 주변에는 면역세포, 혈관세포, 섬유아세포, 세포외기질, 여러 신호분자가 함께 존재합니다.

이 전체 환경이 암의 성장, 전이, 면역회피, 약물 반응에 영향을 줍니다. 예를 들어 암세포 주변에 어떤 면역세포가 가까이 붙어 있는지, 면역세포가 종양 안쪽까지 침투했는지, 아니면 주변부에만 머물러 있는지가 중요할 수 있습니다.

공간체학은 이런 질문에 답하는 데 유용합니다.

암 조직에서 중요한 것은 “어떤 세포가 있는가”뿐 아니라 “그 세포들이 서로 어떻게 배치되어 있는가”입니다.

16. 공간체학 데이터는 이미지와 표가 합쳐진 데이터입니다

공간체학 데이터는 일반적인 표 데이터보다 복합적입니다. 보통 다음 정보가 함께 들어 있습니다.

조직 이미지
각 위치의 좌표
각 위치에서 측정된 유전자 발현량
경우에 따라 단백질 신호
세포 경계 또는 핵 위치 정보
병리학적 주석

즉, 공간체학은 이미지 분석과 유전자 발현 분석이 결합된 분야입니다. 그래서 컴퓨터 비전, 통계, 생물학, 병리학 지식이 함께 필요합니다.

초심자 입장에서는 이렇게 이해하면 됩니다.

공간체학 데이터는 “지도 위에 유전자 발현 정보를 얹은 데이터”입니다.

16-1. 공간체학 기술은 “잡아 읽기”와 “직접 보기”로 나눠 생각하면 쉽습니다

공간체학 플랫폼 이름은 많지만, 처음에는 기술군으로 묶어 이해하는 것이 좋습니다.

기술군	대표 예	쉬운 설명
캡처 기반 공간전사체	Visium, Visium HD, Stereo-seq	조직 위의 위치별 바코드가 RNA를 잡아 읽습니다.
이미지 기반 RNA 검출	smFISH, MERFISH, SeqFISH, RNAscope	조직 안의 RNA를 형광 신호로 직접 봅니다.
제자리 시퀀싱	ISS, FISSEQ, Xenium	조직 안에서 바로 서열 정보를 읽으려는 방식입니다.
공간 단백체	IMC, CODEX, multiplex IHC	단백질 마커의 위치와 양을 함께 봅니다.

캡처 기반 방식은 넓은 영역을 비교적 체계적으로 볼 수 있지만, 한 spot 안에 여러 세포가 섞일 수 있습니다. 이미지 기반 방식은 위치를 더 직접적으로 볼 수 있지만, 측정할 수 있는 유전자 수나 실험 설계의 제약이 있을 수 있습니다.

16-2. spot 크기와 세포 크기를 비교해야 해석이 안전합니다

Visium 같은 플랫폼에서 spot은 조직 위의 작은 측정 구역입니다. 하지만 spot 하나가 세포 하나와 같은 뜻은 아닙니다.

예를 들어 세포 하나의 지름이 대략 10~20μm이고, 어떤 spot 지름이 55μm라면 한 spot 안에는 여러 세포가 들어갈 수 있습니다. 이 경우 spot의 발현값은 “한 세포의 발현값”이 아니라 “그 위치 주변에 섞인 여러 세포의 RNA 신호”에 가깝습니다.

그래서 공간전사체 분석에서는 spot deconvolution이 필요할 수 있습니다. 즉, 한 spot 안에 암세포, 면역세포, 섬유아세포가 각각 어느 정도 섞였는지 추정하는 것입니다.

공간전사체의 한 점은 사진의 픽셀처럼 보이지만, 생물학적으로는 여러 세포가 섞인 작은 구역일 수 있습니다.

16-3. 공간 데이터 분석에는 이미지 처리와 위치 통계가 함께 들어갑니다

공간체학 데이터는 단순한 유전자 표가 아닙니다. 조직 이미지, 좌표, 발현값이 함께 있는 복합 데이터입니다. 그래서 다음 개념이 자주 나옵니다.

개념	쉬운 의미
Segmentation	이미지에서 세포나 핵의 경계를 찾는 작업
Image registration	조직 이미지와 분자 데이터를 같은 좌표에 맞추는 작업
Spatial autocorrelation	가까운 위치끼리 비슷한 발현 패턴을 보이는지 보는 개념
Ligand-receptor interaction	이웃한 세포들이 신호를 주고받을 가능성을 추정하는 분석
Tissue artifact	조직이 찢기거나 접히거나 염색이 고르지 않은 문제

특히 종양 미세환경에서는 “어떤 세포가 있는가”뿐 아니라 “그 세포가 어디에 있고 누구와 붙어 있는가”가 중요합니다. 면역세포가 암세포 내부로 침투했는지, 종양 가장자리에만 머무는지, 특정 신호 경로가 가까운 세포들 사이에서 나타나는지를 볼 수 있기 때문입니다.

17. 12챕터를 읽기 전 최소 체크리스트

확인 질문	알고 있어야 할 감각
조직병리학은 무엇을 보나요?	염색된 조직의 모양, 세포 배열, 핵 형태, 질병성 변화를 봅니다.
H&E 염색은 무엇인가요?	핵과 세포질을 서로 다른 색으로 보여주는 기본 조직 염색입니다.
공간 전사체학은 무엇인가요?	위치 정보를 유지하면서 RNA 발현을 측정하는 기술입니다.
공간 바코드는 무엇을 알려주나요?	RNA가 조직의 어느 위치에서 왔는지 알려줍니다.
스팟 디콘볼루션은 왜 필요한가요?	한 스팟에 여러 세포가 섞일 수 있기 때문에 세포 유형 비율을 추정해야 합니다.
FISH 기반 기술은 무엇이 강점인가요?	특정 RNA의 위치를 조직 안에서 직접 시각화할 수 있습니다.
공간체학이 암 연구에서 중요한 이유는 무엇인가요?	암세포, 면역세포, 기질세포의 공간적 관계가 치료 반응과 질병 진행에 영향을 주기 때문입니다.
공간체학 기술군은 어떻게 나눌 수 있나요?	캡처 기반, 이미지 기반 RNA 검출, 제자리 시퀀싱, 공간 단백체로 나눠 볼 수 있습니다.
spot은 항상 세포 하나를 뜻하나요?	아닙니다. spot 하나에 여러 세포가 섞일 수 있어 deconvolution이 필요할 수 있습니다.
segmentation과 spatial autocorrelation은 무엇인가요?	segmentation은 세포 경계 찾기, spatial autocorrelation은 가까운 위치끼리 값이 비슷한지 보는 개념입니다.