ChIP Assay란? ChIP-qPCR과 ChIP-seq 원리, 실험 과정 총정리

 

 

생명과학 논문을 읽다 보면 "ChIP assay를 수행했다", "ChIP-qPCR로 전사인자의 결합을 확인했다", "ChIP-seq 분석 결과" 같은 문장을 자주 보게 돼요. 특히 유전자 발현 조절이나 후성유전학(epigenetics) 연구를 하는 연구실이라면 ChIP이라는 단어를 거의 매일 접하게 되죠.

하지만 처음 접하는 사람들에게는 ChIP이 꽤 추상적으로 느껴질 수 있어요. DNA를 보는 건지, 단백질을 보는 건지, 아니면 RNA를 보는 건지 헷갈리는 경우도 많고요. 오늘은 ChIP assay가 정확히 무엇인지, 어떤 정보를 얻을 수 있는지, 그리고 실제 실험은 어떤 과정을 거쳐 진행되는지 정리해보려고 해요.

 

ChIP Assay란 무엇일까?

 

 

ChIP은 Chromatin Immunoprecipitation의 약자예요. 우리말로는 보통 크로마틴 면역침강법이라고 부르죠.

이 실험의 목적은 매우 단순해요.

"특정 단백질이 게놈의 어느 위치에 결합하고 있는가?"

를 확인하는 것이에요.

예를 들어 어떤 전사인자(transcription factor)가 특정 유전자의 promoter에 결합하는지 확인하고 싶을 수 있어요. 또는 H3K27ac, H3K4me1 같은 히스톤 변형이 특정 유전자 주변에 존재하는지 알고 싶을 수도 있죠.

ChIP은 바로 이런 DNA-단백질 상호작용을 분석하는 대표적인 방법이에요.

 

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ChIP으로 무엇을 알 수 있을까?

ChIP은 크게 세 가지 분야에서 가장 많이 활용돼요.

첫 번째는 전사인자 연구예요.

예를 들어 p53, STAT3, NF-κB 같은 전사인자가 특정 유전자의 promoter에 실제로 결합하는지 확인할 수 있어요.

두 번째는 히스톤 변형 분석이에요.

H3K27ac, H3K4me3, H3K27me3 같은 히스톤 마커들은 유전자의 활성화 상태를 반영하죠. ChIP을 이용하면 특정 유전자 주변에 이러한 히스톤 변형이 얼마나 존재하는지 확인할 수 있어요.

세 번째는 크로마틴 리모델링 단백질 연구예요.

BRG1이나 CHD 계열 단백질처럼 염색질 구조를 조절하는 단백질들이 게놈의 어느 영역을 점유하고 있는지 분석할 수 있어요.

 

ChIP 실험은 어떻게 진행될까?

실험은 생각보다 여러 단계로 이루어져 있어요.

먼저 세포를 포름알데하이드(formaldehyde)로 처리해 DNA와 단백질을 교차결합(crosslinking)시켜요. 이렇게 하면 세포 안에서 실제로 일어나고 있는 DNA-단백질 상호작용을 그대로 고정할 수 있어요.

그 다음 세포를 파괴해 크로마틴을 추출하고, 초음파 처리나 효소 처리를 이용해 DNA를 수백 bp 크기로 잘게 절단해요.

이후 원하는 단백질을 인식하는 항체를 넣어 면역침강(immunoprecipitation)을 수행해요.

만약 항체가 전사인자를 인식한다면, 그 전사인자와 결합된 DNA 조각도 함께 회수되겠죠.

마지막으로 crosslink를 제거하고 DNA를 정제한 뒤 분석을 진행해요.

 

ChIP-qPCR과 ChIP-seq의 차이

ChIP 이후에는 보통 두 가지 방법으로 분석해요.

가장 전통적인 방법은 ChIP-qPCR이에요.

이미 관심 있는 유전자 위치가 정해져 있을 때 사용해요. 예를 들어 GAPDH promoter나 특정 enhancer 영역에 전사인자가 결합하는지 확인하는 식이죠.

실험 결과는 보통 IgG 대조군 대비 fold enrichment 형태로 표현돼요.

반면 ChIP-seq은 훨씬 대규모 분석이에요.

회수된 DNA를 차세대염기서열분석(NGS)으로 읽어 게놈 전체에서 단백질이 결합하는 위치를 탐색할 수 있어요.

즉,

ChIP-qPCR = 특정 위치 확인
ChIP-seq = 게놈 전체 탐색

이라고 생각하면 이해하기 쉬워요.

 

ChIP 실험에서 가장 중요한 것은 항체

사실 ChIP 성공 여부는 항체가 결정한다고 해도 과언이 아니에요.

모든 항체가 ChIP에 사용할 수 있는 것은 아니거든요.

Western blot에서는 잘 작동하는 항체가 ChIP에서는 전혀 신호가 나오지 않는 경우도 많아요. ChIP은 단백질이 자연 상태(native state)로 DNA와 결합하고 있는 상태를 인식해야 하기 때문이에요.

그래서 항체를 선택할 때는 반드시 ChIP validation 여부를 확인하는 것이 중요해요.

만약 ChIP 검증 자료가 없다면 IP(Immunoprecipitation), IF(Immunofluorescence), ICC, IHC 같은 실험에서 성공적으로 사용된 항체인지 참고하기도 해요.

 

Monoclonal과 Polyclonal 중 무엇이 좋을까?

 

 

이 질문도 정말 많이 나와요.

Monoclonal antibody는 특정 에피토프 하나만 인식하기 때문에 일반적으로 특이성이 높아요.

하지만 ChIP에서는 그 에피토프가 크로마틴 구조 안에 묻혀 있을 가능성도 있어요.

반면 Polyclonal antibody는 여러 에피토프를 동시에 인식하기 때문에 ChIP에서 더 잘 작동하는 경우가 많아요.

최근에는 recombinant polyclonal antibody도 많이 사용되고 있는데, 기존 polyclonal의 장점은 유지하면서 lot 간 차이를 줄일 수 있다는 장점이 있어요.

 

ChIP assay는 "어떤 단백질이 게놈의 어느 위치에 존재하는가"를 보여주는 강력한 기술이에요. 전사인자 연구부터 후성유전학, 크로마틴 구조 연구까지 활용 범위도 매우 넓고요.

처음에는 과정이 복잡해 보이지만, 결국 핵심은 DNA와 단백질의 상호작용을 포착하고 이를 qPCR이나 NGS로 분석하는 기술이라고 이해하면 돼요. 논문에서 ChIP-qPCR이나 ChIP-seq 결과를 볼 때도 어떤 단백질을 대상으로 했는지, 어떤 항체를 사용했는지, IgG 대조군과 비교했을 때 얼마나 enrichment가 나타났는지를 함께 살펴보면 훨씬 쉽게 해석할 수 있을 거예요.