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치명적인 소아암 ‘신경아세포종’의 유전자 변이
신경아세포종은 신경계에서 나타나는 악성 종양의 한 형태로써 영아나 10세 미만의 아이에게서 나타나는 암이다. 간혹 태아에게서 발견이 되기도 하지만, 1세 이전 발병 시에는 자연적으로 없어지는 경우가 많다. 초기 발견 시 쉽게 치료가 가능하지만, 1세 이후, 암이 걸린 약 50%의 아이들의 경우 온몸에 퍼지게 되어 고통 받게 된다(5세 이전에 90% 이상이 진단).
신경아세포종이 발병하면 배에서 덩어리로 만저지는 경우가 많지만, 개인에 따라 증상이 다양하다. 그 중 드물게 소뇌를 침범하게 되면 발작적으로 눈이나 팔, 다리가 빠르게 움직이기도 한다. 신경아세포종은 혈액, 소변, 방사선 검사 등을 통하여 진단하고, CT(컴퓨터 단층촬영)나 MRI(자기공명영상)로 상세한 검사와 조직 생체 검사를 통해 확진을 내리게 된다. 질병 발견 시기에 따라 발생 부위를 제거하는 것만으로 완치가 되기도 하나, 필요에 따라 항암화학요법이나 골수 이식 등의 치료가 병행되기도 한다. 18개월 이상의 아이들은 화학요법과 방사선 치료에도 불구하고 나쁜 예후를 보인다.
신경아세포종의 유전체 분석
미국 존스홉킨스 암 연구소에서는 신경아세포종의 유전 정보 수집을 위해 COG(Children’s Oncology Group)라는 임상 그룹에서 종양 위험도가 높은 생식세포 DNA 및 혈청 샘플을 채취하여 유전체를 분석하였다. 암 진행 유전자로 12개의 유전자를 선택하고 컨트롤과의 독립적인 검사를 실시하여 체세포 변이(ARID1A, ARID1B 유전자)를 확인하였다. 이번 연구는 조기 치료의 오류와 생존률 감소에 관련된 염색체 삭제와 구조 변이를 DNA조각을 재배열하여 감지, 질병의 잔류를 확인하기 위해 이루어졌다. 이를 통해 소아암의 진행과정에서 염색체의 삭제로 인한 신경아세포종 환자 관리에 대한 새로운 접근 방식으로 유전체 분석을 제공할 수 있었다.
차세대 시퀀싱 방식을 이용한 유전체 분석
본 연구에서는 차세대 시퀀싱 방식을 사용하여 대규모 염색체 구조 변화를 분석하였다. 단일 indel에 대해 32군데를 감지하였고, 종양 세포와 정상인 세포를 비교하였다. SureSelect Enrichment System (Agilent)를 이용하여 라이브러리를 캡쳐하고, Illumina Genome Analyzer IIx와 HiSeq 플랫폼으로 시퀀싱을 하였다. 전장유전체는 31배, 엑솜은 94배로 타겟 부위를 증폭하여 353개 유전자에서 총 368개 변이를 발견하였다.
신경아세포종의 엑솜 배열을 분석한 결과, 소아의 체세포 변이가 성인보다 높은 수로 존재하였으며, 엑솜 변이 240개 중 219개의 변이가 소아에게서 나타났다. 그러나 종양의 확산에 영향을 끼치는 MYCN, LIN28B 유전자는 염색체 파열(chromothripsis)1)을 일으키지 않았다. 16개 신경아세포종 케이스의 체세포 변이 유형에 따른 수를 측정한 결과이다. 유전자 코딩 영역 내의 하나 이상의 종결코돈과 단백질 코딩 유전자에 영향을 미치는 indel, splicing 구조 변경 등의 정보가 포함되어 있다.
뿐만 아니라 이번 연구에서 발견된 엑손 변이는 74개로 티로신 키나제 변이로 인해 유전자가 15배 증폭되었다. 증폭된 유전자는 림프암, 폐암, 염증성 종양에서 암 세포를 증폭시키는 MYCN 유전자와 PTCH1 단백질을 억제하고 ERBB4 수용체에 변이를 일으키는 ODC1 유전자이다. 신경아세포종의 유전적 변이를 요약한 것으로 각 유전자 별 전사체와 단백질에 영향을 끼치는 결과를 알 수 있다.
이번 연구에서 새롭게 발견된 변이 유전자는 ARID1A와 ARID1B 유전자이다. 이들 유전자 내에는 삭제와 점 돌연변이가 나타나는데, ARID1B 유전자에 변이가 생기면 AT의 중복이 많아지고 유전자 내에 특정 유전자에 관여하는 한 쌍의 유전자 중 한쪽이 삭제된다. 또 엑손 6~9번이 구조 변이를 일으키거나 삭제되어, 단백질 도메인의 번역이 이루어지지 않게 된다. 이로 인해 단백질의 조기 종료가 이루어지게 되어 암을 유발하는 것이다. ARID1A 유전자는 염색체 1p36에 염기서열이 삽입하게 되어 다른 대립유전자의 단백질이 삭제되는 돌연변이를 유발한다. ARID1A 유전자의 변이가 많아지면 난소의 투명세포암2)과 횡문양 종양3)의 SMARCB1, 신장암의 PBRM1, EP300, CREBBP의 변이도 같이 많아지는 연관성을 보였다. 또한 ARID1A와 ARID1B 유전자는 간암, 유방암, 난소암, 수모세포종6)의 암 진행 경로에서 염색체 구조를 변경시켜 frame shift를 변경시키는 변이를 유발한다.
신경아세포종의 바이오마커를 분석한 것이다. 신경아세포종 환자의 개인별 유전체 바이오마커를 알면, 수술 후 질병 잔류를 감지하여 화학 요법에 대한 분자 반응 등을 임상 관리에 유용하게 이용할 수 있다.
신경아세포종의 바이오마커를 분석하여 질병의 잔류를 검사할 수 있고, 재발을 미리 예방할 수 있다. 질병의 잔류 검사(minimal residual disease (MRD) immunotherapy)를 탐지한 것이다. 신경아세포종 4가지 케이스에서 위험 부담이 높은 치료(화학방사선요법, 줄기 세포 이식)를 받은 후 질병 잔류를 검사한 결과는 다음과 같았다. 위쪽 NB2885T와 NB2870T는 임상적 재발이 생겨 사망하였고, 아래쪽 NB6321T와 NB2464T는 혈청 1~2ml씩 수집하여 바이오마커로 사용한 면역치료를 꾸준히 받아 4년 후에도 생존하였다.
맺음말
희귀질환의 새로운 변이(ARID1A와 ARID1B)를 발견한 이번 연구는 신경아세포종의 지금까지의 여러 단계에 걸친 진단으로 힘들어하던 소아에게 희망이 될 것이다. 이처럼 희귀질환은 미묘한 유전체의 변이를 식별해야 하기 때문에 발견이 어렵다. 엑솜시퀀싱은 질병이 발현되는 유전자 부위만을 보기 때문에 소아에게는 효과적으로 진단할 수 있다. 인간의 암에 관련된 유전자는 많은 변이가 아니더라도 발생할 수 있으므로, 유전체 분석을 통해 새로운 변이의 발견이 중요한 것이다.
- Chromothripsis : 염색체 파열, 염색체 상의 과도한 재조합에 의해 염색체가 산산 조각 나는 것
- 난소 투명세포암 : 모든 난소암의 약 10~12%에서 발생하는 암으로 가장 치명적이며 치료가 가장 어려운 암으로 항암치료에 의해 영향을 받지 않으며 대개로 자궁내막증이라는 자궁 조직 과성장과 연관이 있는 암
- 횡문양 종양 : 횡문근 육종은 근육에서 생기는 암이다. 육종(sarcoma)이란 뼈, 연부조직(soft tissue), 및 결체조직(connective tissue, 연골이나 인대 같은 조직)에서 생기는 암을 말한다. 횡문근이란 우리가 일반적으로 이야기 하는 근육을 말하는데 이는 연부조직의 일종이다. 그래서 횡문근 육종은 연부조직종양의 일종으로 신체 어느 곳에서나 다 생길 수 있다.
- 수모세포종 : 악성, 침습적 배아성 뇌종양으로 소뇌에 발생하며, 주로 소아에서 호발하며 신경조직으로 분화하는 경향이 있으며 뇌척수액을 따라 전이를 잘한다. 같은 조직학적 소견을 보이는 종양이라도 대뇌상부에서 발생하는 경우에는 원시신경외배역종양(PNET, primitive neuroectodermal tumors)이라 칭한다.
참고문헌
Integrated genomic analyses identify ARID1A and ARID1B alterations in the childhood cancer neuroblastoma
http://www.nature.com/ng/journal/vaop/ncurrent/full/ng.2493.html
Association of age at diagnosis and genetic mutations in patients with neuroblastoma.
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/22416102
Sequencing of neuroblastoma identifies chromothripsis and defects in neuritogenesis genes.
http://www.nature.com/nature/journal/v483/n7391/full/nature10910.html
저자
글 :hjpark
편집 :Thkim
키워드 : whole genome sequencing, whole exome sequencing, neuroblastomas, somatic muatation, oncogene, homozygous, hemizygous, frame shift, missense mutation, ARID1A, ARID1B, MYCN, minimal residual disease (MRD) immunotherapy 등
