1강 / 20강

하나만 알아보는 세포 — 그런데 10⁸ 가지

T세포 수용체의 설계 문제 · 이 20강이 푸는 것

면역계가 푸는 문제는 설계 문제입니다.

아직 만난 적 없는 병원체를 어떻게 미리 알아볼 것인가

내년에 나타날 바이러스의 단백질 서열을 지금 알 수는 없습니다. 그런데 면역계는 그것을 알아봐야 해요. 어떻게 할까요?

불가능한 방법

모든 병원체의 수용체를 유전체에 미리 적어 둔다.
→ 사람 유전자는 2만 개뿐입니다. 턱도 없어요.

실제 방법

조각을 무작위로 이어 붙여 수용체를 만든다.
→ 유전자 몇백 개로 10⁸ 가지를 만듭니다.

이 방법에는 대가가 따릅니다. 무작위로 만들면 자기 몸을 공격하는 수용체도 같은 확률로 만들어집니다. 그래서 만든 뒤에 골라내야 합니다.

만들기 → 고르기 → 읽기. 이 20강의 뼈대입니다.

고등학생몽타주 1억 장을 미리 그려 두는 경찰서

이 강의 전체가 푸는 문제를 한 장면으로 만들어 봅시다.

어떤 경찰서에 이런 규칙이 있다고 해요. 아직 일어나지 않은 범죄의 범인 얼굴을 미리 그려서 서랍에 넣어 둬야 합니다. 내년에 누가 무슨 짓을 할지 지금 알 리가 없죠. 그런데도 그려 둬야 합니다.

방법은 하나뿐입니다. 얼굴을 무작위로 아주 많이 그려서 서랍을 채우는 거예요. 눈·코·입·턱선을 아무렇게나 조합해 1억 장을 만들어 둡니다. 사건이 터지면 서랍을 뒤져 제일 비슷한 몽타주를 꺼냅니다.

터무니없어 보이지만, 여러분 몸이 지금 하고 있는 일이 정확히 이것입니다. 몽타주 한 장이 T세포 하나이고, 서랍이 여러분의 몸입니다.

T세포 하나 = 몽타주 한 장 = 딱 한 얼굴만 알아본다

그런데 왜 '유전자에 미리 적어 두기' 는 안 되나요?

사람의 유전자는 약 2만 개입니다. 몽타주 1억 장이 필요한데 그림 그릴 종이가 2만 장뿐인 셈이에요. 애초에 불가능합니다.

그래서 몸은 조각을 무작위로 이어 붙이는 방법을 씁니다. 눈 30가지, 코 20가지, 입 15가지를 준비해 두고 섞으면 30×20×15 = 9,000가지 얼굴이 나오죠. 조각만 몇 개 있으면 얼굴은 곱하기로 늘어납니다. 이 곱하기가 2강의 주인공입니다.

공짜는 아닙니다

무작위로 그리면 내 가족 얼굴도 그려집니다. 그 몽타주를 그대로 두면 경찰이 우리 집 식구를 잡으러 가요. 이것이 자가면역입니다.
그래서 몸은 만든 뒤에 가족 얼굴이 섞이지 않았는지 검사해서 버립니다. 그 검사가 7강의 흉선이고, 놀랍게도 만든 것의 98%를 버립니다.

이 강의의 뼈대인 만들기 → 고르기 → 읽기 는 곧 몽타주를 그리고 → 위험한 것을 버리고 → 남은 서랍을 들여다보는 이야기입니다.

이 강의가 다루는 것

부	강	물음
1부 · 만들기	1~6	조각 몇백 개로 어떻게 10⁸ 가지를 만드나
2부 · 고르기	7~8	만든 것 중 무엇을 남기고 무엇을 죽이나
3부 · 읽기	9~11	레퍼토리 하나를 숫자 몇 개로 어떻게 요약하나
4부 · 아형	12~16	같은 T세포가 왜 정반대 일을 하나
5부 · 판정	17~20	레퍼토리로 말할 수 있는 것과 없는 것

그리고 개념만 말하지 않습니다. 실제 사람의 T세포 수용체를 엽니다 — 10x Genomics 가 공개한 네 표본, 세포 11,791개, 수용체 사슬 23,251개.

고등학생낯선 낱말 다섯 개만 먼저 풀고 갑시다

앞으로 계속 나올 낱말입니다. 지금 뜻만 잡아 두면 나머지가 훨씬 쉬워집니다.

낱말	뜻	비유
T세포 수용체 (TCR)	T세포 표면에 튀어나온 단백질. 이걸로 상대를 알아본다	몽타주 한 장 · 열쇠 하나
레퍼토리 (repertoire)	한 사람이 가진 수용체 전체 목록	서랍 안의 몽타주 전부
클론 (clone)	같은 수용체를 가진 세포 무리. 한 세포가 분열해 생긴 것	같은 몽타주의 복사본 뭉치
항원 (antigen)	면역계가 알아보는 표적 조각. 보통 짧은 단백질 토막	진짜 범인의 얼굴
알파 사슬 · 베타 사슬 (TRA · TRB)	수용체는 줄 두 개가 붙어 만들어진다. 그 두 줄의 이름	열쇠의 왼쪽 날 · 오른쪽 날

특히 레퍼토리가 이 강의의 주인공입니다. 강의 제목에도, 앞으로 나올 모든 계산에도 이 말이 들어가요. '그 사람이 가진 몽타주 서랍 전체' — 이 그림 하나만 붙잡고 가면 됩니다.

이 강의가 특이한 점

보통 교과서는 여기서 그림과 설명으로 끝납니다. 이 강의는 다릅니다. 진짜 사람 네 명의 서랍을 열어 그 안의 몽타주 23,251장을 직접 셉니다. 10x Genomics 라는 회사가 공개해 둔 자료이고, 누구나 받아 쓸 수 있어요.

그러니까 여러분은 지금부터 남의 설명을 읽는 사람이 아니라 자료를 직접 세는 사람이 됩니다. 파이썬 코드가 무섭게 보여도 괜찮아요 — 실행 버튼만 누르면 결과가 나옵니다. 코드를 다 이해할 필요는 없습니다.

네 표본 모두 건강한 사람 혹은 환자에게서 얻은 <b>진짜 T세포</b>입니다.

Python 브라우저에서 실행

# 이 강의가 여는 자료
import tcr

d = tcr.rep()
print("레퍼토리 표:", f"{len(d):,}줄 x {d.shape[1]}열")
print()
print(f"{'표본':<10}{'세포':>7}{'TRA':>7}{'TRB':>7}")
for s in tcr.SAMPLES:
    x = tcr.rep(s)
    print(f"{tcr.KO[s]:<10}{x['세포'].nunique():>7,}"
          f"{(x['사슬']=='TRA').sum():>7,}{(x['사슬']=='TRB').sum():>7,}")
print()
print("한 세포에 알파 사슬 하나와 베타 사슬 하나 - 그 둘이 짝을 이뤄 수용체가 됩니다.")

고등학생위 코드가 방금 무슨 일을 했나요

파이썬 셀을 처음 보면 겁이 나지만, 방금 그 코드가 한 일은 딱 두 가지입니다.

파일을 열었다 — tcr.rep() 가 표 하나를 불러옵니다. 엑셀 파일을 여는 것과 똑같아요.
세었다 — 표본별로 세포가 몇 개인지, 알파 사슬과 베타 사슬이 각각 몇 줄인지 세서 찍어 줍니다.

결과 표를 읽는 법

네 줄이 나왔죠. 각 줄이 사람 한 명(또는 시료 하나)입니다. 그리고 열이 세 개예요 — 세포 · TRA · TRB.

여기서 꼭 챙길 것 하나. 세포 하나에 알파 한 줄 + 베타 한 줄이 있습니다. 그래서 TRA 와 TRB 숫자가 세포 수와 엇비슷하게 나와요. 열쇠 하나를 만들려면 날 두 개가 필요한 것과 같습니다.

알파 사슬 1개 + 베타 사슬 1개 = 수용체 1개 = 몽타주 1장

숫자가 얼마나 큰 건가요

네 표본을 합해 세포 11,791개입니다. 많아 보이지만, 사실은 턱없이 적습니다. 사람 몸 전체의 T세포는 3,000억~5,000억 개거든요.

비율로 따지면 우리는 서랍 하나에서 한 숟갈을 떠서 보고 있는 셈입니다. 이 사실은 앞으로 계속 발목을 잡습니다 — 10강에서는 아예 '적게 보면 큰 클론이 통째로 사라진다' 는 것을 직접 확인하게 돼요.

코드가 안 돌아가도 걱정 마세요. 파이썬은 여러분 브라우저 안에서 돌아갑니다. 아무것도 설치할 필요 없고, 망가뜨릴 것도 없습니다. ↺ 를 누르면 원래대로 돌아와요.

고등학생여기까지 세 문장으로

1강에서 붙잡아야 할 것은 딱 세 가지입니다.

문제 — 아직 만난 적 없는 적을 알아봐야 하는데, 유전자는 2만 개뿐이다.
해법 — 조각을 무작위로 이어 붙여 10⁸ 가지를 만든다. (미리 적어 두는 게 아니라 그때그때 만든다)
대가 — 무작위로 만들면 자기 몸을 공격하는 것도 같이 만들어진다. 그래서 만든 것의 98%를 버려야 한다.

'좋은 자료' 라는 말의 함정도 하나

바로 위 노트에서 이 자료가 회사의 시연용이라 품질이 아주 좋다고 했죠. 좋은 게 왜 함정일까요?

학교 실험으로 치면, 선생님이 미리 다 세팅해 둔 실험과 같습니다. 결과가 깔끔하게 나오니 배우기는 좋아요. 그런데 나중에 혼자 실험하면 이렇게 안 나옵니다. 진짜 실험실 자료는 훨씬 지저분하거든요.

그러니 이 강의로 배운 뒤에는 '실제 자료는 이보다 지저분하다' 를 꼭 함께 기억해 두세요. 18강에서 그 차이를 정면으로 다룹니다.

이제 퀴즈입니다. 세 문제 모두 왜 무작위여야 하는가를 묻고 있어요. 답이 헷갈리면 맨 위 몽타주 이야기를 다시 떠올려 보세요.

🤔 확인 문제

면역계가 수용체를 무작위 조립으로 만드는 근본 이유는?

🤔 확인 문제

무작위 조립이 반드시 만들어 내는 문제는?

🤔 확인 문제

이 강의가 쓰는 자료는?