[NGS 분석] WES란 무엇인가

WES는 Whole Exome Sequencing, 전체 엑솜 시퀀싱이라고 합니다.

게놈 전체를 읽는 WGS와 달리, 게놈에서 단백질을 코딩하는 부분인 엑솜(Exome)만 골라서 읽는 방법입니다.

 

이 글에서는 WES가 무엇을 읽는 건지, WGS와 어떻게 다른지, 왜 WES라는 방법이 존재하는지, 어떤 상황에서 선택하는지를 정리하고 있습니다.

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엑솜이란

엑솜(Exome)은 게놈 전체에 흩어져 있는 모든 엑손(exon)을 합친 영역입니다.

엑손은 단백질을 만드는 정보가 담긴 구간이고, 인간 게놈에는 약 18만 개의 엑손이 존재합니다.

 

이 엑솜이 전체 게놈에서 차지하는 비율은 약 1~2%입니다.

게놈 30억 bp 중 약 3000~6000만 bp 정도입니다.

 

그런데 중요한 사실이 있습니다. 면적은 1~2%에 불과하지만, 알려진 유전 질환 관련 변이의 약 85%가 이 엑솜 영역에서 발견됩니다.

단백질 서열을 직접 바꾸는 변이가 질환과 가장 직접적으로 연결되기 때문입니다.

이 불균형이 WES가 존재하는 이유입니다.

게놈의 1~2%만 읽어도 질환과 관련된 변이 대부분을 포착할 수 있다면, 굳이 전체를 다 읽을 필요가 없습니다.

 

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WGS와 무엇이 다른가

WGS와 WES의 차이는 결국 무엇을 읽느냐에 있습니다.

	WGS	WES
읽는 범위	게놈 전체 (~30억 bp)	엑솜만 (~3000~6000만 bp)
게놈 커버율	~100%	~1~2%
권장 시퀀싱 깊이	30x	100x
데이터양	~90 Gb	~4~5 Gb
비용	높음	낮음
엑손 외 영역 탐지	가능	불가
SV/CNV 탐지 정확도	높음	제한적

 

WES에서 권장 깊이가 100x로 WGS(30x)보다 높은 이유가 있습니다.

WES는 게놈 전체가 아닌 특정 영역만 읽기 때문에, 그 좁은 영역을 더 촘촘하게 읽어서 놓치는 변이가 없도록 해야 합니다.

또한 엑솜 캡처 과정에서 GC 함량이 높거나 반복 서열에 가까운 영역은 포집 효율이 낮아서, 균일한 커버리지를 확보하려면 더 깊이 읽어야 합니다.

 

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WES는 어떻게 엑솜만 골라서 읽을까 — 엑솜 캡처

WGS는 DNA를 단순히 조각내서 그대로 시퀀싱합니다.

WES는 여기서 한 단계가 더 들어갑니다.

시퀀싱 전에 엑손 부분만 잡아내는 엑솜 캡처(Exome Capture) 과정을 거칩니다.

 

원리는 이렇습니다.

① DNA를 조각냄 (단편화)
② 어댑터 붙여 라이브러리 제작 (WGS와 동일)
③ 바이오틴이 붙은 RNA/DNA 미끼(probe/bait)를 라이브러리에 섞음
④ 미끼가 엑손 서열과 상보적으로 결합 (혼성화, hybridization)
⑤ 스트렙타비딘이 코팅된 자석 비드로 바이오틴-미끼-엑손 복합체를 끌어당김
⑥ 엑손이 아닌 나머지 DNA는 세척으로 제거
⑦ 포집된 엑손 DNA만 분리해서 시퀀싱

 

핵심 재료는 미끼(probe)입니다.

 

주요 캡처 키트 제조사(Agilent, Twist, IDT 등)가 인간 엑솜을 타깃으로 미리 설계된 수십만 개의 미끼 세트를 제공합니다.

어떤 캡처 키트를 쓰느냐에 따라 실제로 포집되는 엑손 영역의 범위와 커버리지 균일도가 달라집니다.

 

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무엇을 찾을 수 있는지

WES로 탐지할 수 있는 변이는 기본적으로 엑손 영역에 있는 소규모 변이입니다.

• SNV(단일 염기 변이), Indel(삽입/결실): 엑손 내 위치한 것들
• 스플라이스 사이트 변이: 엑손과 인트론의 경계인 ±1~2bp 위치는 임상적으로 중요해서 대부분의 WES 키트가 포함

WES에서 탐지하기 어렵거나 불가능한 것들도 명확히 있습니다.

• 딥 인트로닉 변이(인트론 깊숙한 곳의 변이)
• 프로모터, 인핸서 같은 조절 영역 변이
• 구조변이(SV): 탐지가 아예 불가능하진 않지만 WGS에 비해 정확도가 크게 떨어짐
• CNV: 캡처 효율이 균일하지 않아 WGS보다 탐지 어려움
• 반복 서열 내 변이

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언제 WES를 선택하는지

희귀 유전 질환 의심 환자가 WES의 가장 대표적인 적용 대상입니다.

증상이 있지만 어떤 유전자가 원인인지 모를 때, WES는 한 번에 단백질 코딩 유전자 전체를 스크리닝할 수 있습니다.

이 점에서 수십 개 유전자만 보는 유전자 패널(gene panel)보다 훨씬 폭넓습니다.

 

실제 임상에서 WES의 진단율은 질환 유형에 따라 다르지만, 발달 지연·지적 장애·신경계 질환 같은 영역에서 약 25~50% 수준의 진단율이 보고되고 있습니다.

그리고 부모와 환자 세 명을 동시에 분석하는 Trio-WES 방식이 환자 단독 분석(singleton WES)보다 진단율이 높다는 것이 여러 연구에서 확인됐습니다.

 

암 패널 시퀀싱에서도 WES가 쓰입니다.

종양 내 어떤 유전자에 변이가 생겼는지 폭넓게 확인하고, 특정 표적치료제 선택에 활용합니다.

비용이 제한적이고 엑손 밖 변이가 주요 의심 대상이 아닐 때도 WES가 합리적인 선택입니다.

같은 예산으로 더 많은 샘플을 분석할 수 있기 때문입니다.

반대로, WES로 원인을 찾지 못했을 때 WGS로 재분석하는 흐름도 점점 흔해지고 있습니다.

딥 인트로닉 변이, 조절 영역 변이, 구조변이 같이 WES가 못 보는 영역에서 원인이 발견되는 케이스가 늘고 있기 때문입니다.

 

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WGS, WES, 유전자 패널의 관계

세 가지를 나란히 놓으면 이렇습니다.

유전자 패널   WES              WGS
  │────────────────────────────│
  좁음       중간              넓음
  깊이 높음  중간              상대적으로 낮음
  비용 낮음  중간              높음
  특정 유전자만  엑솜 전체     게놈 전체

 

유전자 패널은 의심되는 유전자 목록이 명확할 때 씁니다. 특정 암 유형에서 흔히 변이되는 수십~수백 개 유전자를 대상으로 하거나, BRCA1/2처럼 특정 유전자 검사가 목적일 때입니다.

 

WES는 어떤 유전자가 원인인지 특정하기 어렵지만 단백질 코딩 영역 내에서 원인을 찾을 가능성이 높을 때 씁니다.

 

WGS는 가장 넓게 보고 싶을 때, 또는 WES로 원인을 못 찾았을 때 씁니다.

 

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정리

WES는 게놈의 단백질 코딩 영역인 엑솜만 골라서 시퀀싱하는 방법입니다.

게놈의 1~2%밖에 안 되는 영역이지만 질환 관련 변이의 85%가 여기에 있어서, WGS 대비 낮은 비용과 데이터양으로 효율적인 분석이 가능합니다.

다만 엑손 밖 영역은 볼 수 없고 SV/CNV 탐지에 한계가 있다는 점을 항상 염두에 두어야 합니다.