TCR-seq methods: strengths, weaknesses, and rankings
DATE: October 27, 2020
¿ì¸®´Â T ¼¼Æ÷¸¦ ÀÌÇØÇÔÀ¸·Î½á ¸é¿ª ü°èÀÇ º¹À⼺À» Ç® ¼ö ÀÖ´Ù. ÀÌ·¯ÇÑ ¼¼Æ÷´Â ÀûÀÀ ¸é¿ª ¹ÝÀÀ»Ó¸¸ ¾Æ´Ï¶ó ¸é¿ª Á¾¾çÇÐ ¹× ÀÚ°¡ ¸é¿ª°ú °°Àº Á¶ÀýµÇÁö ¾ÊÀº ¸é¿ªÇÐÀû ¹ÝÀÀÀ» ÁßÀçÇÑ´Ù. T-¼¼Æ÷ ¼ö¿ëü (T-cell receptor, TCR) ·¹ÆÛÅ丮¸¦ ¿¬±¸ÇÏ´Â ¸¹Àº ¹æ¹ý Áß¿¡¼ Â÷¼¼´ë ½ÃÄö½Ì (NGS)ÀÌ °¡Àå ÀüüÀûÀÎ °üÁ¡À» Á¦°øÇϸç ÀÌ ¹æ¹ýÀ» TCR-seq¶ó°í ÇÑ´Ù.
±×·¯³ª »ó¿ëÈµÈ ¸ðµç NGS Å°Æ® ¶Ç´Â ÀÚü ½ÇÇè¹ýÀÌ µ¿ÀÏÇÑ ¼º´ÉÀ» ¹ßÈÖÇÏÁö ¾Ê°í, °¢ ¹æ¹ý °£ÀÇ ¹Ì¹¦ÇÑ Â÷ÀÌ·Î ºÎÁøÇÑ ½ÇÇè¿¡¼ ¼º°øÀûÀÎ ºÐ¼®À» ±¸ºÐÇس¾ ¼ö ÀÖ´Ù. ¿¬±¸ÀÚµéÀº Á¾Á¾ NGS Å°Æ® ºÐ¾ß°¡ ±¤¹üÀ§ÇÏ¿©, ¡°³» ¿¬±¸¿¡ °¡Àå µµ¿òÀÌ µÇ´Â NGS ¹æ¹ýÀº ¹«¾ùÀΰ¡¿ä? ¶ó°í ¹¯´Â´Ù.
The fundamentals of TCR-seq
´ëºÎºÐÀÇ TCR-seq ¹æ¹ýÀº »ç¿ëÇÒ »ùÇÿ¡ µû¶ó Å©°Ô ºÐ·ùÇÒ ¼ö ÀÖ´Ù. DNA ±â¹Ý ¹æ¹ýÀº ¼¼Æ÷´ç ÇÑ Á¾·ùÀÇ ´ÜÀÏ ÅÛÇø´À» °¡Áö¹Ç·Î °³º° TCR Ŭ·ÐÀÇ Á¤·®È¿¡ ´õ ÀûÇÕÇÑ °ÍÀ¸·Î »ý°¢µÇÁö¸¸ ºñ¿ëÀÌ ¸¹ÀÌ µé ¼ö ÀÖ´Ù. RNA ±â¹Ý ¹æ¹ýÀº ´õ ¹Î°¨ÇÏ°í TCR ºÐÆ÷¿Í À¯ÀüÀÚ ¹ßÇöÀÇ Á¤·®Àû Á¤º¸¸¦ Á¦°øÇÒ »Ó¸¸ ¾Æ´Ï¶ó unique molecular identifiers (UMI)¸¦ ½±°Ô Àû¿ëÇÒ ¼ö ÀÖ¾î PCR ÆíÇâÀ» ÁÙÀÌ°í º¯ÀÌü ¹× Èñ±Í µ¹¿¬º¯ÀÌÀÇ ½Äº° Á¤È®¼ºÀ» Çâ»ó½ÃŲ´Ù.
ÈÇÐÀû Ãø¸é¿¡¼´Â multiplex PCR (mPCR) ¹× Rapid Amplification of cDNA Ends PCR (5' RACE-PCR)Àº °¡Àå ÀϹÝÀûÀ¸·Î »ç¿ëµÇ´Â µÎ °¡Áö Á¢±Ù ¹æ½ÄÀÌ´Ù. mPCRÀº Àüü V(D)J ÀçÁ¶ÇÕ ¶Ç´Â CDR3 ¿µ¿ªÀ» ƯÀÌÀûÀ¸·Î ÁõÆøÇϱâ À§ÇØ ¸ðµç V ¹× J »ý½Ä°è¿ À¯ÀüÀÚ (C À¯ÀüÀÚ)¸¦ Ç¥ÀûÀ¸·Î ÇÏ´Â ÇÁ¶óÀÌ¸Ó Ç®À» È°¿ëÇÑ´Ù. ÇÏÁö¸¸ ÀÌ´Â ÆíÇâÀûÀÎ ÁõÆøÀ» ¾ß±âÇÏ°í, À߸ø ÁõÆøµÈ »ê¹°·Î ÀÎÇØ °á°ú°¡ ¿Ö°îµÉ ¼ö ÀÖ´Ù. ÇÑÆí, RNA ƯÀÌÀû 5' RACE-PCRÀº mRNA Àü»ç¹°ÀÇ ¾Ë·ÁÁø C-À¯ÀüÀÚ ¿µ¿ªÀ» Ç¥ÀûÀ¸·Î ÇÏ´Â ´ÜÀÏ ÇÁ¶óÀÌ¸Ó ¼¼Æ®¸¦ »ç¿ëÇÑ´Ù.
TCR-seq ¹æ¹ýÀ» ¼±ÅÃÇÒ ¶§ °í·ÁÇØ¾ß ÇÒ 4°¡Áö ÇÙ½É ¿ä¼Ò´Â ÀçÇö¼º, ¹Ýº¹¼º, ¹Î°¨µµ ¹× ƯÀ̼ºÀÌ´Ù. º» ÀÚ·á¿¡¼´Â mPCR ¶Ç´Â 5¡¯ RACE-PCRÀ» ±âÃÊ·Î ÇÑ ¶óÀ̺귯¸® Á¦ÀÛ ¹× ½ÃÄö½Ì¿¡ ÁÖ·Î »ç¿ëÇÏ´Â 9°¡Áö ÇмúÀû ¶Ç´Â »ó¾÷Àû Á¢±Ù ¹æ½ÄÀ¸·Î °ß°íÇÔ°ú Á¤È®¼ºÀ» ü°èÀûÀ¸·Î ºñ±³ÇÏ´Â °ÍÀ» ¸ñÇ¥·Î ÇÑ Nature Biotechnology¿¡ °ÔÀçµÈ Barennes et al.ÀÇ ÃÖ±Ù ¿¬±¸¸¦ ¼Ò°³ÇÑ´Ù.
Áß¿äÇÑ Á¡Àº Barennes
et al. ¿¬±¸ ±×·ìÀÌ Àû¿ë »ùÇ÷ΠÀÎÇÑ º¯µ¿À» ÃÖ¼ÒÈÇϱâ À§ÇØ µ¿ÀÏÇÑ T ¼¼Æ÷ »ùÇÃÀ» »ç¿ëÇß´Ù´Â °ÍÀÌ´Ù.
Unpacking replicability and reproducibility of popular TCR-seq methods
¿¬±¸ÀÚµéÀº V(D)J ÀçÁ¶ÇÕ ¸ðµ¨À» »ç¿ëÇÏ¿© TCR ¥á ¹× ¥â (TRA ¹× TRB) ½ÃÄö½º¿¡ ´ëÇÑ 17°³ÀÇ ¸Å°³º¯¼ö¸¦ °è»êÇÏ°í °¢ ¸Å°³º¯¼ö¿¡ ´ëÇÑ »ùÇà °£ÀÇ JSD (Jense-Shannon divergence) °Å¸®¸¦ °è»êÇÏ¿´´Ù. ±×·± ´ÙÀ½ V(D)J »ç¿ë ºÐÆ÷ °£ JSD¸¦ È°¿ëÇÏ¿© ºñ±³ ºÐ¼®À» À§ÇÑ ÇϳªÀÇ ¹æ¹ý ¾È¿¡¼¿Í °¢ ¹æ¹ý °£ÀÇ Åë°è¸¦ Á¤ÀÇÇÏ¿´´Ù. ¹Ýº¹¼ºÀº µ¿ÀÏÇÑ ¹æ¹ýÀ¸·Î »ý»êµÈ ¼·Î ´Ù¸¥ »ùÇà °£ÀÇ °Å¸®·Î ÃøÁ¤µÇ¾úÀ¸¸ç ÀçÇö¼ºÀº µÎ °¡Áö ´Ù¸¥ ¹æ¹ýÀ¸·Î »ý»êµÈ »ùÇà °£ÀÇ °Å¸®·Î ÃøÁ¤µÇ¾ú´Ù (
±×¸² 1, ÆгΠE). °¢°¢ÀÇ ¹æ¹ýÀº 5' RACE-PCR¹ýÀÇ °æ¿ì RACE-#·Î, multiplex PCRÀº mPCR-#·Î ¶óº§ÇÏ°í À͸íÈÇÏ¿´´Ù. Å×½ºÆ®ÇÑ 9°¡Áö ¹æ¹ý Áß ÃÖ°íÀÇ ¼º´ÉÀ» ³ªÅ¸³½ ¼¼ °¡Áö ¹æ¹ý, mPCR-1, RACE-3, RACE-5¿¡ ÃÊÁ¡À» ¸ÂÃè°í, °¢ ¹æ¹ýÀº ¾Æ·¡ÀÇ Conclusion¿¡¼ ÀÚ¼¼È÷ È®ÀÎÇÒ ¼ö ÀÖ´Ù.
Heatmap °á°ú´Â RACE-3°¡ TRA¿Í TRB ¸ðµÎÀÇ ¹Ýº¹¼º°ú ÀçÇö¼º¿¡ ´ëÇØ ³ôÀº Á¡¼ö¸¦ ¹Þ¾Ò°í »óÀ§ 2°³ ¹æ¹ý ¾È¿¡ ·©Å©µÇ¾ú´Ù. RACE-5´Â TRA ÀçÇö¼º¿¡¼ RACE-3º¸´Ù ¼øÀ§°¡ ³ô¾ÒÁö¸¸ ¹Ýº¹¼º¿¡¼´Â RACE-3º¸´Ù µÚóÁ³´Ù. µÑ ´Ù 5°³ÀÇ ´Ù¸¥ RACE-PCR ¹æ¹ýº¸´Ù ´õ ³·Àº scaled divergence¸¦ º¸¿´´Ù. TRB ºÐ¼®ÀÇ »óÀ§ 2°³ ¹æ¹ýÀ» ºñ±³ÇßÀ» ¶§, RACE-3´Â ÀçÇö¼º Ãø¸é¿¡¼ mPCR-1 ¿Ü 8°³¸¦ ´É°¡ÇßÀ¸¸ç, mPCR-1Àº TRBÀÇ ¹Ýº¹¼º¿¡¼ °¡Àå ³ôÀº ¼øÀ§¸¦ ±â·ÏÇÏ¿´´Ù (mPCR-1¿¡´Â TRA ¿É¼ÇÀÌ ¾ø¾ú°í RACE-5¿¡´Â TRB ¿É¼ÇÀÌ ¾ø¾úÁö¸¸ RACE-3¿¡´Â TRA ¹× TRB ¿É¼ÇÀÌ ¸ðµÎ Á¦°øµÊ).
Reviewing each method's sensitivity and specificity
°í·ÁÇØ¾ß ÇÒ ´ÙÀ½ ±âÁØÀ¸·Î´Â ¹Î°¨µµ¿Í ƯÀ̼ºÀÌ ÀÖ´Ù. TCR-seq¿¡¼ ¹Î°¨µµ´Â true rare clonotype ¹× º¯ÀÌ ºóµµ¸¦ Á¤È®È÷ Á¤·®ÇÏ´Â °ÍÀÌ°í, ¸¶Âù°¡Áö·Î ƯÀ̼ºÀº ½ÃÄö½Ì ¿À·ù¸¦ true rare clonotype¿Í ±¸º°ÇÏ´Â °ÍÀÌ´Ù. °¢ ¹æ¹ýÀÌ clonotypeÀ» °·ÂÇÏ°Ô Ä¸ÃÄÇÏ´Â ´É·ÂÀ» Æò°¡Çϱâ À§ÇØ ¿¬±¸ÀÚµéÀº µ¿ÀÏÇÑ ¼¼Æ÷ »ùÇà (45 TRA ¹× 63 TRB)ÀÇ 108°³ replicate¿¡¼
in silico ¸ÞŸ ·¹ÆÛÅ丮¸¦ »ý¼ºÇß´Ù. ÀÌÈÄ, ÆíÇâÀ» ÃÖ¼ÒÈÇϱâ À§ÇØ 9°³ µ¥ÀÌÅͼ¼Æ®ÀÇ ¸ðµç clonotypeÀ» Ç®¸µÇÏ°í singletons (1°³ÀÇ ¼¼Æ÷¿¡¼ Çѹø¸¸ ½Äº°µÈ clonotype)À» Á¦°ÅÇÑ ÈÄ Àç󸮵ÇÁö ¾ÊÀº (UMI ÅëÇÕ Àü) µ¥ÀÌÅÍ ¼¼Æ®¸¸ ¼±ÅÃÇÏ¿© µ¥ÀÌÅͼ¼Æ® Å©±â¸¦ Á¤±ÔÈÇÏ¿´´Ù. ±×·± ´ÙÀ½ Meta-repertoire clonotype (MRC) Á¤·®À¸·Î °¢ ¹æ¹ýÀÇ ¹Î°¨µµ¸¦ ºñ±³ÇÏ¿´´Ù.
RACE-3´Â ´Ù¸¥ RACE ¹æ¹ýÀÇ 10-20%¿Í ºñ±³ÇÏ¿© TRAÀÇ °æ¿ì MRCÀÇ ÃÖ´ë 50%, TRBÀÇ °æ¿ì ÃÖ´ë 40%¸¦ Æ÷ÇÔÇÏ´Â µ¥ÀÌÅÍ ¼¼Æ®¸¦ »ý¼ºÇÏ¿´°í (
±×¸² 5, ÆгΠA), TRA¿ë RACE-5¿Í TRB¿ë mPCR-1µµ ³ôÀº MRC·Î µÎµå·¯Á³´Ù.
Replicate ´ç ĸóµÈ MRCÀÇ ¹éºÐÀ²°ú °ü·ÃÇÏ¿© RACE-3´Â 9°³ÀÇ replicate¿¡¼ MRCÀÇ ÃÖ´ë 40%¸¦ ĸóÇßÀ¸¸ç MRCÀÇ 1% ¹Ì¸¸À» °¨ÁöÇÏÁö ¸øÇÏ¿´´Ù (
±×¸² 5, ÆгΠB). RACE-5 ¹× mPCR-1Àº °¢°¢ TRA ¹× TRB¿¡ ´ëÇØ RACE-3°ú À¯»çÇÏ°Ô ¼öÇàµÇ¾ú´Âµ¥, TRAÀÇ °æ¿ì, 9°³ÀÇ replicate¿¡¼ ¹ß°ßµÈ MRCÀÇ ºóµµ´Â RACE-3ÀÇ °æ¿ì 1%¿¡¼ 0.001%, ´Ù¸¥ ¹æ¹ýÀÇ °æ¿ì 1%¿¡¼ 0.05% ¹üÀ§¿´À¸¸ç(
±×¸² 5, ÆгΠC, ¿ÞÂÊ), ¾î¶² replicate¿¡¼µµ °ËÃâµÇÁö ¾ÊÀº clonotypeÀº 10¹è¿¡¼ 100¹è ³·Àº Á¸Àçºñ·Î Á¸ÀçÇÏ¿´´Ù. TRB¿¡ ´ëÇؼµµ À¯»çÇÑ Àüü ÆÐÅÏÀÌ ³ªÅ¸³µ°í, RACE-3 ¹× RACE-5´Â Áõ°¡µÈ °¨µµ¸¦ ³ªÅ¸³»¾î °¢ ¹æ¹ýÀÌ Æ¯È÷ TRB º¸´Ù TRA¿¡¼´Â ´õ ³·Àº Á¸Àçºñ¿¡¼ ´õ Å« ºñÀ²ÀÇ clonotypeÀ» °ËÃâÇÒ ¼ö ÀÖ°Ô ÇÏ¿´´Ù.
Conclusions
Á¶»çµÈ TCR-seq ¹æ¹ý¿¡¼ Èñ±Í Ŭ·ÐÀÇ ´Ù¾ç¼º°ú °ËÃâÀº Ãʱ⠻ùÇÃÀÇ À¯Çü°ú ¾ç¿¡ Å©°Ô ÀÇÁ¸ÇÏ´Â °ÍÀ¸·Î ¹àÇôÁ³´Ù. mPCRÀº ³·Àº ÀçÇö¼ºÀ¸·Î ÃÖ´ë ´Ù¾ç¼ºÀ» °ËÃâÇÏ´Â µ¥ ÃÖÀûÀÎ ¹Ý¸é, 5' RACE-PCRÀº ƯÁ¤ clonotypeÀÇ ºóµµ¸¦ º¸´Ù Á¤È®ÇÏ°Ô Á¤·®ÈÇÏ¿´´Ù. ÈÄÀÚÀÇ °æ¿ì ÀúÀÚ´Â UMI ±â¹Ý ¹æ¹ýÀ¸·Î ´õ ³ôÀº Á¤È®µµ¸¦ Á¦°øÇÒ ¼ö ÀÖ´Ù°í Á¦¾ÈÇÏ¿´´Ù. Áö¼ÓÀûÀ¸·Î ³ôÀº Á¡¼ö¸¦ ¹ÞÀº ¼¼ °¡Áö ¹æ¹ýÀº mPCR-1 (Adaptive TechnologyÀÇ immunoSEQ), RACE-3 (Takara BioÀÇ SMARTer Human TCR a/b Profiling Kit*)¿Í RACE-5 (template switch oligo¸¦ »ç¿ëÇÏ´Â Eugster
et al.ÀÇ ÀÚü ÇÁ·ÎÅäÄÝ)ÀÌ´Ù.
* SMARTer Human TCR a/b Profiling Kit´Â
SMART-Seq¢ç Human TCR (with UMIs)·Î ¸®´º¾ó µÇ¾ú½À´Ï´Ù.
Ç¥ 1ÀÇ ÃÖÁ¾ ºÐ¼®¿¡¼ Eugster
et al. ¹æ¹ýÀÇ ¹Ýº¹¼ºÀÌ TRA¿¡ ÃÖÀûÀÓÀÌ ÀÔÁõµÇ¾úÁö¸¸ SMARTer Human TCR a/b Profiling Kit*´Â ¹Î°¨µµ±îÁöµµ ³ô¾Æ Eugster
et al. ¹æ¹ý°ú Adaptive TechnologyÀÇ immunoSEQ ¹æ¹ý¿¡ ÇÊÀûÇÒ ¸¸ÇÏ¿´´Ù. SMARTer Human TCR a/b Profiling Kit´Â TRA ¹× TRB ·¹ÆÛÅ丮 ÇÁ·ÎÆÄÀϸµ ¿É¼ÇÀ» ¸ðµÎ Á¦°øÇßÀ» »Ó¸¸ ¾Æ´Ï¶ó ´Ù¸¥ 8°¡Áö ¹æ¹ý¿¡ ºñÇØ ¹Ýº¹¼º, ½Å·Ú¼º ¹× ¹Î°¨µµ Ãø¸é¿¡¼ Àü¹ÝÀûÀ¸·Î Áö¼ÓÀûÀ¸·Î ³ôÀº ¼øÀ§¸¦ ±â·ÏÇÏ¿´°í, TRA ¹× TRBÀÇ ½Å·Ú¼º°ú TRB ¹Ýº¹¼º¿¡¼ 1À§¸¦ Â÷ÁöÇÑ °ÍÀ¸·Î È®ÀεǾú´Ù.
´ÙÄ«¶ó¹ÙÀÌ¿À´Â Ç×»ó °í°´ ¿©·¯ºÐ²² °íÇ°ÁúÀÇ Çõ½ÅÀûÀÎ Á¦Ç°À» Á¦°øÇϱâ À§ÇØ ³ë·ÂÇÏ°í ÀÖ°í, ÀÌ·¯ÇÑ ³î¶ó¿î ¼º´É¿¡ ´õ ³ª¾Æ°¡±â À§ÇØ º» ¿¬±¸¿¡¼ »ç¿ëµÈ TCR v1 Á¦Ç°À» UMI¸¦ Æ÷ÇÔÇÏ´Â »õ·Î¿î
SMART-Seq¢ç Human TCR (with UMIs)·Î ¾÷±×·¹À̵åÇÏ¿´½À´Ï´Ù.
º» ¿¬±¸°¡ TCR-seq ¿¬±¸ ¹æ¹ýÀ» °£¼ÒÈÇÏ°í ½ÇÇè¿¡ ÀûÇÕÇÑ ¹æ¹ýÀ» ã¾Æ°¡´Â µ¥¿¡ µµ¿òÀÌ µÇ±æ ¹Ù¶ø´Ï´Ù.
[¿ø¹®]
TCR-seq methods: strengths, weaknesses, and rankings
References
Barennes, P. et al. Benchmarking of T cell receptor repertoire profiling methods reveals large systematic biases.
Nature Biotechnology, 1-10 (2020).
Eugster, A. et al. Measuring T cell receptor and T cell gene expression diversity in antigen-responsive human CD4+ T cells.
Journal of Immunological Methods,
400-401(1), 13-22 (2013).