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암 환자의 유전자에서 염색체 변이를 감지하다
암 환자의 유전체 해독
하워드 휴즈 암 연구센터에서는 암 환자 10명('대장암 환자 7명, 유방암 환자 3명)과 건강한 정상인 10명의 혈장에서 DNA'를 추출한 후, 전장유전체를 해독하여 염색체 이상을 발견했다. 이러한 실험 과정을 간략하게 보여준다. 또한 차세대 유전체 해독 기술을 이용한 전장유전체 해독 과정을 나타낸 것이다. 먼저, paired-end 라이브러리를 제작하고, Illumina HiSeq을 이용하여 전장유전체를 해독(Whole genome sequencing) 후, bioinformatics 분석을 진행하였다.
본 연구는 암의 조기 진단과 재발을 검출하기 위해 환자의 몸에 침투하지 않고 진단할 수 있는 방법을 개발하기 위해 진행되었다. 유전체 해독 결과 ERBB2, CDK6 유전자는 세포를 증폭시키는 암 유발 유전자로 확인되었고, 암 환자에게만 특이적으로 발생하는 변이 특징을 이용한 진단방법으로 밝혀냈다.
암, 즉 종양은 비정상적인 염색체의 구성요소들과 염색체의 이수성(aneuploidy, 염색체 수가 반수체의 정확한 배수가 되지 않는 경우)에 의해 발생되며, 이는 염색체 증폭과 삽입/결실, 재정렬이 일어난다. 염색체 구조를 조사하기 위해, 차세대 유전체 해독 기술(NGS; next generation sequencing)을 이용하였다.
수술 없이 진단이 가능하다
종양의 공통적인 특징은 비정상적인 염색체의 구성요소들과 염색체의 이수성(aneuploidy, 염색체 수가 반수체의 정확한 배수가 되지 않는 경우)에 의해 종양이 형성되며, 염색체 증폭과 삽입/결실, 재정렬이 일어난다는 것이다. copy number 변이와 대규모 DNA 서열이 변경되는 유전체 구조를 검출하기 위해서 NGS를 이용하였다.
산모의 유전체 해독을 통해 태아의 염색체 이수성 여부를 판단하고나, 혈액암 환자의 종양 DNA를 분석하여 구성을 분석하여, BCR-ABL 유전자가 위치하는 염색체 구조 변이로부터 재발 여부를 판단하는 등, 염색체 수준에서 변이를 밝히고자 하는 연구는 이전부터 진행되어 왔다.
이번 연구는 질환의 조기 진단과 재발 여부를 판단하는 방법을 개발할 목적으로 진행되어, KRAS와 같은 oncogene(암 유발 유전자)을 포함하여 암의 재발에 관여하는 변이를 확인했다. 또한 환자의 몸에 침투하지 않고 변이를 확인 할 수 있는 방법을 발견하여, 수술이 불가능한 많은 환자들에게 적용될 것으로 기대된다. .
염색체 copy number 분석
체세포 copy number와 재정렬 변화를 감지하기 위한 생물정보학 방법의 워크플로우이다. 암은 염색체의 특정 영역에서 염기의 삽입 및 결실인 Indel에 의해 나타나는 특징이 있다. 또한 암을 유발하는 유전자인 oncogene을 확인하기 위해, 염색체 두 쌍의 불균형을 종양형성 마커로 이용하기도 한다.
염색체는 긴 부위와 짧은 부위로 이루어져 있는데, 긴 부위는 queue, 짧은 부위는 petit라고 하여 약자로는 q와 p로 불린다. 본 연구에서는 염색체의 짧은 부위를 참조 유전체 서열에 매핑 후 분석하였다. 암 환자의 경우 정상인 보다 매핑 비율이 매우 낮았으며, 매핑 패턴과의 차이를 Z 점수로 확인하였다. Z 점수는 염색체 내의 염기의 증가 또는 손실을 나타내는 점수이다.
혈장 샘플의 39개의 염색체 부위에 대해 copy number를 비교한 것이다. 정상인의 DNA를 매핑한 결과이며, 암에 중요한 염색체 부위의 염기 증가와 손실이 관찰되었다. 정상인은 2.62 미만이였으나, 환자들의 경우 13.3~434.4로 매우 넓게 나타났다. 정상인 샘플 10개 중 상위 5개의 Z 점수에서 p값을 계산하여, 대장암 환자들과 비교하여, 염색체 이수성을 PA 점수로 확인한 것이다. 혈장 이수성(PA; plasma aneuploidy) 점수는 정상인은 5.84인 반면, 환자들의 경우 11.9~41.5로 높게 나타났다.
감수성이 높은 검출
대장암 샘플 중 CRC14, CRC15, CRC16은 염색체 변이에 대한 상세 검사를 진행하였다. CRC15와 CRC16은 수술 후 33~50개월된 종양 샘플이며, CRC14는 대장암 진단 초기, 진단 후 4개월, 절제수술, 분석 2개월 등 다양한 샘플을 이용하였다. 질병 진행 경로에서 copy number 변이를 확인하였으며, CRC14 환자의 심각한 혈정 샘플과 종양 부위 copy number를 분석한 것이다.
대장암의 조기 진단과 재발한 CRC4 샘플의 copy number 패턴을 감지하였고, 절제 수술을 겪은 샘플의 염색체 1p, 14q, 13q, 20q, 22q에서 염기 손실이 확인되었다. 종양을 감지하는 구조 변이와 염색체 구조 변이를 확인한 분석이였다.
81명의 암 환자와 10명의 정상 데이터를 해독하고, receiver operating characteristic (ROC) 분석을 수행하였다. 추가적으로 대장암 환자 36명과 유방암 환자 45명의 SNP를 분석하였고, 그 결과 copy number 분석을 이용한 유방암, 대장암의 종양 DNA를 측정한 것이다. 염색체의 구조에서 indel을 감지하는 분석은, 염색체 17p에서는 감수성이 낮았으나, 산모 DNA를 이용하여 태아의 삼중 염색체를 감지할 수 있었다.
맺음말
암 환자의 혈장에서 염색체 변이를 검출한 이번 연구의 결과 정확도는 염기서열 데이터의 양에 영향을 받는다. 과거 특정 종양 샘플의 변이 유형에 대해서만 가능했던 것과 달리, 현재는 체세포가 아닌 다른 부위의 변이 감지가 가능해지며, 그 수준 또한 0.1%에서 0.75%로 상승되었다.
즉, NGS를 이용하여 포괄적인 검출이 가능해졌으며, 이번 연구에서는 환자의 몸에 직접 침투하지 않고도 암을 감지할 수 있는 방법을 보여주었다. 혈장에서 유전자 증폭이 일어나면 종양의 잠재적 치료 정보를 얻을 수 있으며, 이는 향후 암의 조기 진단 및 치료 정보에 활용되어, 사망률을 줄이는 데 큰 공헌을 할 것으로 기대된다.
참고문헌
Detection of Chromosomal Alterations in the Circulation of Cancer Patients with Whole-Genome Sequencing
Noninvasive identification and monitoring of cancer mutations by targeted deep sequencing of plasma DNA.
Cancer statistics, 2012.
http://onlinelibrary.wiley.com.access.ewha.ac.kr/doi/10.3322/caac.20138/full
저자
글 : Park.HyeonJi
편집 : Lee.SeungYoun
키워드 : plasma, copy number, rearrangement, Colorectal cancer, Breast cancer, z score 등
