Genomic Analysis and Lineage Tracing Using Two Sequencing Platforms

Abstract

Recent studies have revealed the occurrence of somatic mosaicism in human organisms, where genetically distinct cells coexist due to somatic mutations during cell division in early development or later in life. Each cell, with its unique combination of mutations, acts as a genetic barcode for lineage tracing. This discovery provides important clues for tracing the developmental origin of cells and understanding the origins and progression of cancer. In this study, I compared and analyzed Illumina, the most widely used sequencing platform to date, and Ultima Genomics, which has recently attracted attention as a wafer-based sequencing technology, for the purpose of tracing this lineage. To identify cell lineages from zygote differentiation to adulthood, postmortem tissue samples were utilized. After collecting tissues from the anterior left and anterior right legs, I secured enough DNA through primary cell culture and single-cell clone expansion and applied a protocol that considered the characteristics of each cell type to generate high-quality whole-genome data. Data were generated on both Illumina and Ultima Genomics platforms, followed by a comparative analysis of their quality and mutation detection performance. Statistical quality evaluation was performed based on indicators such as base-by-base error rate, reference genome coverage, and the percentage of reads remaining after removal of PCR duplicate reads. In addition, various genomic mutations such as SNVs, INDELs, CNVs, and SVs were detected and analyzed to perform a comparison between platforms. Furthermore, the annotation of genomic mutations, including BRCA mutations, and their clinical significance were evaluated to examine practical applicability. Finally, we evaluated the fidelity with which the new technology reproduces existing lineage tracing methods by identifying major and minor cell branches based on previously reported early embryonic mutations and analyzing cell-specific somatic mutations. This study is expected to provide a basis for selecting sequencing technologies in future studies of somatic mosaicism and disease occurrence.

최근 연구에 따르면, 인간의 개체 내에서도 유전적으로 서로 다른 세포들이 공존할 수 있는 체성 모자이크 현상이 발생한다는 사실이 밝혀졌다. 이는 발생 초기 또는 생애 동안 세포 분열 중 발생한 체세포 돌연변이로 인해 나타나며, 각 세포는 고유한 돌연변이 조합을 통해 계통 추적이 가능한 유전체 바코드 역할을 한다. 이러한 발견은 세포의 발생적 기원을 추적하고, 암 발생 및 진행 경로를 이해하는 데 중요한 단서를 제공한다. 본 연구에서는 이러한 계통 추적을 목적으로, 현재 가장 널리 사용되는 시퀀싱 플랫폼인 Illumina와, 최근 웨이퍼 기반 시퀀싱 기술로 주목받고 있는 Ultima Genomics를 비교 분석하였다. 특히, 수정란이 성체로 분화하는 과정에서의 세포 계통을 확인하기 위해, 사후 조직 샘플을 활용하였다. 좌측 및 우측 앞다리에서 조직을 채취한 후 1차 배양 및 단일세포 클론 확장을 통해 DNA를 충분히 확보한 뒤, 세포 유형별 특성을 고려한 프로토콜을 적용하여 고품질의 전장 유전체 데이터를 생성하였다. 데이터는 Illumina와 Ultima Genomics 플랫폼에서 각각 생산되었으며, 두 플랫폼의 품질 및 변이 검출 성능을 비교 분석하였다. 통계적 품질 평가는 염기별 오류율, 참조 유전체 커버리지(coverage), PCR 중복 리드를 제거한 후 남은 리드 비율 등의 지표를 기준으로 수행되었다. 또한 다양한 유전체 변이를 탐지하고 분석하여 플랫폼 간 비교를 수행하였다. 아울러 BRCA 변이를 포함한 유전체 변이에 대해 주석 (annotation) 및 임상적 의의를 평가하였으며, 이를 통해 실제 응용 가능성을 검토하였다. 마지막으로, 기존 문헌에서 보고된 초기 배아 돌연변이를 바탕으로 세포의 주된 계통과 하위 계통을 식별하고, 각 세포에서 특이적으로 발견되는 체세포 돌연변이를 분석함으로써, 새로운 기술이 기존 기술을 계통 추적 연구에서 얼마나 충실히 재현할 수 있는지를 평가하였다. 본 연구는 향후 체성 모자이크 현상 및 질병 발생 연구에 있어 시퀀싱 기술 선택의 기준을 제시할 수 있을 것으로 기대된다.