19강 / 20강

【실습】 종양 하나의 사이토카인 지도를 그린다

누가 무엇을 뿜고 누가 그것을 듣는가 — 20강 분량을 한 그림으로

마지막 실습입니다. 지금까지 만든 도구를 전부 써서 종양 하나 안에서 누가 누구에게 말하는지 그려 봅니다.

그리려면 두 가지가 필요합니다 — ① 누가 뿜나 (4강의 방법) · ② 누가 들을 수 있나 (6강의 수용체).

고등학생20강 분량을 한 그림으로

이 강의에서 배운 것을 하나의 그림으로 모은다. 누가 무엇을 뿜고, 누가 그것을 듣는가.

그림의 요소	어느 강에서 왔나
세포형별 사이토카인 발현	4강 — 뿜는 세포는 소수
세포형별 수용체 발현	6강 — 받을 귀가 있어야
둘을 잇는 화살표	1강 — 사이토카인은 관계다
화살표의 굵기	발현량 · 세포 비율

이런 그림을 부르는 이름

세포 간 통신 분석(cell-cell communication). CellPhoneDB, CellChat, NicheNet 같은 도구들이 이 일을 한다. 원리는 우리가 하는 것과 같다 — 리간드-수용체 짝을 찾고 잇는다.

지도는 요약이 아니라 관계를 한눈에 보이게 만드는 도구다

이것이 말하는 쪽의 명단입니다.

Python 브라우저에서 실행

# 1) 누가 뿜나 - 사이토카인마다 주된 원천
import ck
import pandas as pd

사이토 = ["Ifng", "Il12b", "Il1b", "Il6", "Il10", "Tgfb1", "Cxcl9", "Ccl5", "Ccl22"]
행 = []
for g in 사이토:
    t = ck.who(g).sort_values("뿜는 세포 %", ascending=False)
    상위 = t.head(2)
    행.append({"사이토카인": g,
               "1위": f"{상위.index[0]} ({상위['뿜는 세포 %'].iloc[0]:.1f}%)",
               "2위": f"{상위.index[1]} ({상위['뿜는 세포 %'].iloc[1]:.1f}%)",
               "전체 %": round(100*float((ck.cells()[g]>0).mean()), 2)})
print(pd.DataFrame(행).set_index("사이토카인").to_string())

듣는 쪽은 훨씬 넓습니다. 소수가 말하고 다수가 듣습니다.

Python 브라우저에서 실행

# 2) 누가 들을 수 있나 - 수용체와 STAT
import ck

print("수용체를 가진 세포의 비율 (%)")
c = ck.cells()
수용체 = ["Ifngr1", "Il6ra", "Il6st", "Il2rg", "Il10ra", "Il2ra"]
큰것 = [t for t, n in c["세포형"].value_counts().items() if n >= 100][:10]
print(f"{'세포형':<18}" + "".join(f"{g:>9}" for g in 수용체))
for t in 큰것:
    d = c[c["세포형"] == t]
    print(f"{t:<18}" + "".join(f"{100*(d[g]>0).mean():>8.1f}%" for g in 수용체))
print()
print("Il6st(gp130)와 Il2rg 는 거의 모두가 가지고 있습니다 - 공용 부품이니까요.")
print("Ifngr1 도 널리 있습니다 - **IFN-감마는 거의 모두가 들을 수 있습니다.**")

고등학생화살표를 그릴 때의 규칙

아무 리간드-수용체 쌍이나 이으면 그림이 스파게티가 된다. 규칙이 필요하다.

규칙	이유
양쪽 다 문턱을 넘어야	말하는 쪽과 듣는 쪽이 다 있어야
발현 세포 비율을 함께 본다	4강 — 평균만 보면 지워짐
알려진 리간드-수용체 짝만	임의 조합을 막음
세포 비율을 반영	드문 세포의 신호는 실제로 약할 수 있음

마지막 줄에 함정이 있다

세포 비율을 곱하면 드문 세포가 지워진다. 그런데 4강에서 본 것 — 중요한 사이토카인일수록 소수가 만든다.

그러니 비율을 곱하는 것이 늘 옳지 않다. 2강에서 본 대로 사이토카인은 국소적 이라, 드문 세포라도 바로 옆 세포에게는 강한 신호다.

전체 조직에서의 기여도와 국소적 효과는 다른 이야기다

문턱을 먼저 정합니다. 그림이 예뻐지는 쪽으로 고르면 안 돼요.

Python 브라우저에서 실행

# 3) 화살표를 만든다 - 뿜는 세포 -> 듣는 세포
import ck

# 규칙을 먼저 적는다
최소_뿜음 = 5.0     # 그 세포의 5% 이상이 만들면 '원천' 으로 친다
최소_들음 = 30.0    # 그 세포의 30% 이상이 수용체를 가지면 '수신자' 로 친다
짝 = [("Ifng", "Ifngr1"), ("Il6", "Il6ra"), ("Il10", "Il10ra")]

c = ck.cells()
큰것 = [t for t, n in c["세포형"].value_counts().items() if n >= 100]
for cyt, rec in 짝:
    원천 = [t for t in 큰것 if 100*(c[(c["세포형"]==t)][cyt]>0).mean() >= 최소_뿜음]
    수신 = [t for t in 큰것 if 100*(c[(c["세포형"]==t)][rec]>0).mean() >= 최소_들음]
    print(f"{cyt} -> {rec}")
    print(f"  말하는 쪽 ({len(원천)}): {', '.join(원천) if 원천 else '없음'}")
    print(f"  듣는 쪽  ({len(수신)}): {', '.join(수신[:6])}{' ...' if len(수신)>6 else ''}")
    print()
print("문턱 두 개를 **먼저 정하고** 그렸습니다.")
print("문턱을 바꾸면 그림이 바뀝니다 - 그래서 값을 적어 두는 겁니다.")

고등학생이 지도가 못 하는 것 — 거리

가장 큰 한계는 거리 정보가 없다 는 것이다.

2강을 떠올려 보자

사이토카인은 수십 마이크로미터를 못 넘는다. 그러니 A 세포가 뿜고 B 세포가 수용체가 있어도, 둘이 멀리 떨어져 있으면 통신은 없다.

자료	거리 정보
단일세포 RNA-seq	없음 — 해리하면서 위치를 잃음
공간전사체	있음
다중 면역형광	있음 · 단백질 수준

그래서 단일세포로 그린 지도는 "가능한 통신의 목록" 이지 "실제 일어난 통신" 이 아니다.

/spatial 과목이 이 빈칸을 메운다.

누가 누구 옆에 있는가 — 이 정보 없이는 통신 지도가 가설로만 남는다

예측이 반만 맞았습니다. 그 반이 이 강의 마지막 교훈입니다.

Python 브라우저에서 실행

# 4) 지도가 말이 되나 - 예측 하나를 세우고 확인한다
import ck

print("예측: IFN-감마를 듣는 세포는 Cxcl9 를 켠다 (교과서의 인과)")
print()
c = ck.cells()
큰것 = [t for t, n in c["세포형"].value_counts().items() if n >= 200]
print(f"{'세포형':<18}{'Ifngr1 %':>10}{'Cxcl9 %':>10}{'Stat1 평균':>11}")
행 = []
for t in 큰것:
    d = c[c["세포형"] == t]
    행.append((t, 100*(d["Ifngr1"]>0).mean(), 100*(d["Cxcl9"]>0).mean(), d["Stat1"].mean()))
for t, a, b, s in sorted(행, key=lambda x: -x[2]):
    print(f"{t:<18}{a:>9.1f}%{b:>9.1f}%{s:>11.3f}")
print()
print("Cxcl9 를 켜는 세포는 수지상세포와 대식세포 쪽입니다.")
print("Ifngr1 은 다들 가지고 있는데 **반응하는 세포는 정해져 있습니다.**")
print("=> 수용체가 있다고 다 반응하는 것이 아닙니다. 14강의 맥락이에요.")

수용체가 있다 ≠ 반응한다

Ifngr1 은 거의 모든 세포에 있습니다. 그런데 IFN-γ 에 반응해 Cxcl9 를 켜는 세포는 수지상세포와 대식세포가 압도적입니다.

왜일까요? 반응하려면 수용체 말고도 필요한 게 있습니다 —
· 그 유전자의 크로마틴이 열려 있어야 합니다.
· 함께 붙어야 할 다른 전사인자(IRF1·IRF8 같은 것)가 있어야 합니다.
· 브레이크(SOCS1·PTPN2)가 세게 걸려 있지 않아야 합니다.

곧 같은 신호를 받아도 세포마다 다른 대답을 합니다. 5강의 다면성이 여기서 기전으로 설명됩니다.

사이토카인 지도는 '누가 누구에게' 만으로는 안 그려집니다. '누가 대답할 수 있는가' 가 함께 있어야 해요.

고등학생수용체가 있다 ≠ 반응한다

6강에서 미뤘던 이야기를 여기서 마무리한다.

방해 요소	내용
SOCS 가 이미 켜져 있음	9강 — 브레이크
미끼 수용체	IL-1R2 — 붙잡지만 신호 안 감
가용성 수용체	떠다니며 가로챔
수용체 사슬이 하나만 있음	6강 — 짝이 있어야 작동
후성유전적으로 표적 유전자가 닫힘	신호가 가도 유전자가 안 열림

5강의 다면성이 여기서 기전으로 설명된다

왜 같은 사이토카인이 세포마다 다른 결과를 내나? 받는 세포의 내부 상태가 다르기 때문 이다. 어떤 브레이크가 켜져 있고, 어떤 유전자가 열려 있는가.

"IL-6 가 무엇을 하는가" 는 잘못된 물음이다. "IL-6 가 이 세포에게 무엇을 하는가" 가 옳은 물음이다.

신호의 결과는 신호가 아니라 받는 쪽의 상태가 정한다

🤔 확인 문제

이 강에서 화살표를 그리기 전에 문턱 두 개(5% · 30%)를 먼저 정한 이유는?

🤔 확인 문제

Ifngr1 은 거의 모든 세포에 있는데 Cxcl9 를 켜는 세포는 정해져 있는 것이 뜻하는 바는?