A recently emerging concept of mutational signature has expanded our understanding of mutational processes in human cells. It is now widely accepted that the DNA triplet pattern of nucleotide changes is uniquely shaped by endogenous processes, encompassing spontaneous mutations and DNA repairs, and exogenous mutagens such as UV light, tobacco smoking, reactive oxygen species, and many others. Mutational signature is a hallmark of each of these processes manifested as a spectrum of trinucleotide change and more existence of such signatures are appearing in recent years as more data is added. While mutational signatures have been extensively studied in cancers and recently in normal tissues, however, it has been largely limited to somatic cells. Mutations in germ cells are indeed trickier and laborious to study and practically only de novo germline mutations may be confidently studied at the cost of, for example, using family trio data in humans and multi-generation inbreeding in mice. In this thesis, we explore the possibility of studying germline mutations using only reference genomes. We will discuss germline mutational processes in the lens of mutational signature and in a broader context possible. Particularly, we aim to reveal traces of germline mutational signatures in various lineages of animal species. Studying germline mutational processes in this regard is challenging in many ways, for we are looking several million years into the past in evolutionary history where the identifiability of mutational signals is elusive. We developed a computational pipeline to overcome difficulties that arise upon accurately capturing germline mutations and mutational signatures. As such, several layers of uncertainties inherent in the problem are discussed and dealt with justifiable approximations and novel computational approaches. Recent advances in our understanding of somatic mutational signatures in human cancer and non-cancer cells take an integral part throughout. It is shown that our method can accurately capture presumably a true picture of mutational processes operative in a recent evolutionary time span and that mutational processes have been relatively regular throughout the history of genome evolution in animal lineages. The methodology and data produced in this research may be used as a valuable source and provide insight for mutation studies regarding ancient genomes and the nature of genome evolution.
최근 부상한 돌연변이 시그니처라는 개념이 사람 세포의 DNA에 돌연변이를 일으키는 돌연변이 과정들에 대한 이해를 증진시켰다. 돌연변이 시그니처는 3'-과 5'-말단 방향으로 인접한 염기를 포함한 염기의 돌연변이 패턴을 돌연변이 스펙트럼으로 표현하는데, 서로 다른 돌연변이 과정은 각각 고유의 돌연변이 시그니처가 있음이 알려졌고, 지금까지 자발적 돌연변이와 DNA수선 등의 내인성 돌연변이 과정과 자외선, 흡연, 활성산소 등의 외인성 돌연변이 과정이 고유의 시그니처를 갖는 것으로 밝혀졌다. 그리고 역으로 돌연변이원은 모르는 상태에서 돌연변이 시그니처로 추정되는 시그널을 발견하기도 하는데, 전 세계적으로 유전체학 데이터가 쌓여가면서 이렇게 새로 발견되는 돌연변이 시그니처가 많이 보고되고 있다. 돌연변이 시그니처는 지난 10년간 암세포 및 최근 정상세포에서 많이 연구되었는데, 그동안은 체세포에 국한되어왔다. 체세포에 반해 생식세포를 연구하는 것은 비용과 노력이 많이 들어가는 어려움과 한계가 있고 사람에서는 오직 드 노보(de novo) 변이만이 3인 이상의 가족(trio) 데이터를 이용하여 연구할 수 있었다. 다만 동물 모델에 한해 세대 길이가 짧은 쥐에서 여러 세대에 걸쳐 누적되는 생식세포 돌연변이를 연구할 수 있었다. 본 논문에서는 이러한 한계를 극복하고 우회적인 방법으로 오직 여러 종의 표준 유전체만을 이용하여 생식세포 돌연변이를 연구할 수 있는 가능성에 대해 탐구했다. 특히, 돌연변이 시그니처 라는 창을 통해 가능한 넓은 맥락에서 생식세포 돌연변이 과정을 논하고자 했다. 표준 유전체만을 이용하여 생식세포 돌연변이를 알아내기 위해서 여러 종의 계통발생관계를 참조하는데, 종분화는 수백만 년이라는 오랜 시간을 두고 일어나기 때문에 해결해야할 어려움과 도전들이 있었다. 우리는 이러한 어려움들을 해결하고 정확한 생식세포 돌연변이를 탐구하기 위해 계산 파이프라인을 개발했다. 생식세포 돌연변이 추적 문제에 내재된 여러 겹의 불확정성에 대해 논하여 밝혀내고 각각에 대해 타당한 근사 방법을 이용해 해결했다. 또, 근래 암과 정상 체세포를 연구하여 알려진 돌연변이 시그니처들을 참고했다. 결과적으로 일부 종에 대해 정확한 생식세포 돌연변이 스펙트럼과 시그니처들을 얻어낼 수 있었다. 이로부터 종분화 후에 각 종에서 오랜 기간에 걸쳐 일어난 돌연변이가 현시대의 각 종 안에서 일어나고 있는 돌연변이의 스펙트럼과 매우 닮았음을 밝혀냈으며, 가까운 종 일수록 스펙트럼이 유사하고 멀수록 스펙트럼이 다름을 밝혀냈다. 또한, 어떤 조건에서 이러한 접근법이 잘 이용될 수 있는지 논했다. 본 논문에서 다룬 문제와 나름의 솔루션들, 그리고 우리가 구한 돌연변이 정보가 고대 유전체 및 유전체의 진화에 대한 유용한 연구 참고 자료 및 인사이트가 되길 기대한다.
