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신경 교종 중 가장 악성인 교모세포종의 원인은 유전자 돌연변이?
국내 사망 원인 1위로 꼽히는 암은 우리나라 사람 3명중 1명이 걸릴 정도로 흔한 병이다. 1년 동안 발생하는 신규 암 환자만 해도 13만 여명에 이를 정도다. 암 진단은 환자뿐만 아니라 가족들에게도 커다란 충격과 스트레스를 준다. 가족 중 한 사람이 암으로 진단받으면 환자와 가족 모두에게 여러 가지 크고 작은 변화가 생긴다. 이러한 커다란 충격과 스트레스를 가져다 주는 암의 예방과 조기치료를 위해 유전자 분석도 하나의 방법이 되었다.
암 중에서도 뇌종양1)은 원인을 정확하게 판별하기가 어렵다. 특히나 뇌종양 중에서도 교모세포종은 교세포(뇌에 가장 많이 분포되어 있는 세포)에서 발생한 종양 중 조직학적으로 핵의 정형화 되어 있지 않는 성질, 유사한 염색체가 나뉘는 성질, 혈관의 안쪽을 구성하는 세포의 증식 및 괴사가 관찰되는 악성도가 가장 높은 종양이다. 또 교모세포종은 가장 흔한 최초 형성 뇌종양으로, 성인 신경교종의 25%, 소아 신경교종의 15%나 차지하여 더더욱 원인 규명이 필요하다.
악성 종양인 교모세포종이 대중들에게 알려지기 시작한 것은, 지난 2011년 드라마 ‘브레인’에서 신하균의 어머니가 교모세포종 진단을 받아 신하균씨가 어머니의 담당의사를 찾아가 어머니를 살려달라고 눈물로 애원하는 장면에서였다. 그러나, 교모세포종은 미국에서 발행되는 암 관련 통계 자료를 보면 전체 암 발생률의 2%를 차지하고 있었고, 사망률은 4위에 해당할 만큼 악성 종양으로 국내 환자들의 2년 생존률을 측정한 결과 25.9%에 불과하였다. 이러한 교모세포종은 일반적인 뇌종양 증상처럼 구토증상과 극심한 두통을 경험하게 되는데, 다른 뇌 종양과 구분되는 것은 경련이 일어난다는 점이다. 이런 심각한 예후를 보이지만 치료할 수 없는 이유는 종양덩어리와 주위 조직과의 명확한 경계가 없어, 수술적 치료가 어려워 생존율이 높지 않고, 재발이 빈번하다는 것이 현실이다.
이에 맥길 대학의 인간 유전체 연구소에서는 교모세포종 환자의 연령별 후천적, 생물학적 유전자 돌연변이와 전사체를 규명하여 잠재적인 세포의 기원과 종양의 발생 경로에 대한 정보를 제공하였다. 교모세포종의 분자적 진단을 목적으로 실시한 본 연구는 교모세포종 환자의 샘플 136개와 DNA 메틸레이션(methylation) 460개와 유전자 발현 RNA 샘플 69개와 서로의 연관성을 확인하였다.
샘플은 소아 4명, 성인 2명의 전장유전체를 시퀀싱하여 얻었고, 추가적으로 성인 74명의 후보 유전자 부위(H3F3A는 exon1, IDH1는 exon 4, TP53는 모든 exons)타겟시퀀싱2)을 통해 얻었다. 성인과 소아에서 생물학적으로 재발 확률 차이가 보였고, 성인에서는 IDH1, IDH2 변이가 많이 발견되었으며, 소아에서는 H3F3A 유전자에 영향을 끼치고 K27, K36에서 메틸레이션이 이루어지는 변이 차이를 조사하였다. 결론적으로IDH1 변이와 H3F3A 변이는 상호배타적이었다.
교모세포종에 대한 분자적 분류
교모세포종이 주로 나타나는 세포들과 임상적인 부분을 토대로 분류하였다. 먼저, 분자적 분류에서는 후천적 copy number3)의 발현과 전 연령의 교모세포종 이질성을 조사하기 위해 유전자 분석을 기반으로 통합 접근 방식을 사용하였다. 어린이 59명과 성인 77명의 샘플에서 K27과 G34 세포에서 H3F3A 변이를 확인하였다. [Figure 6]에서 21세 이하에서는 K27과 G34는 H3F3A 유전자에 돌연변이가 발생하였고, 21세 이상의 성인에서는 IDH1 유전자에 돌연변이가 발생하였다.
연령대 별 변이 관찰 결과, 넓은 연령 범위를 포괄하는 환자로부터 460개 교모세포종 샘플을 포함하여 H3F3A와 IDH1 유전자의 대상 시퀀싱 분석을 하였다. 어린이는 K27의 H3F3A, 청소년은 G34의 H3F3A, 성인은 IDH1에서 특정 변이와의 연관성을 발견하였다. 특히 TP53 돌연변이는 성인에서 많이 나타났다. 또한 성인에게는 CDKN2A, EGFR 유전자의 증폭이 일어났으나, 소아에게는 발견되지 않았다.
전사체 데이터와 위 종양의 122개 샘플을 TCGA(The Cancer Genome Atlas)4)에 기술된 4가지 유전자의 발현에 따라 분류하였다. RTKI는 PDGFRA 클러스터가 많은 증폭구간에서 나타났고, RTKII은 종양의 발현단계에서 나타났으며, IDH는 신경으로 분화되어 발현되었고, K27은 종양의 농축된 단계에서 나타났다. 간 충직 세포에서는 독특한 점 돌연변이의 낮은 발현 빈도가 눈에 띄었다. [Figure 4]에서는 전체 DNA 메틸레이션 수준에서 나이에 따른 명확한 분자적 증가를 관찰할 수 있다.
교모세포종에 대한 임상적 분류
분자적 접근에서 K27 클러스터는 주로 어린 환자에게서 나타나고, G34 클러스터는 청소년과 성인에게서 나타났다. RTKI인 PDGFRA 클러스터는 소아에게서만 나타났고, RTKII인 IDH인 성인에게서만 나타났다.
본 연구에서는 돌연변이의 유형과 위치 사이의 연관성을 조사하였다. 그 결과로, 종양의 위치 및 돌연변이의 특정 패턴을 확인할 수 있다. H3F3A 변이가 발견된 13명의 전사체를 수집하였다. 1,340개의 샘플에서 G34 돌연변이는 조기 배아 지역과 발달 중간 단계의 태아에서 발현되고, K27 돌연변이는 시상의 발달이 늦은 기저핵5) 부위와 발단 마지막 단계의 태아에서 발현되었다. 종양의 위치 별 상호 연관된 발달 단계의 발현을 열지도로 나타내었다.
조기 배아부터 어른에 이르기까지 연령별 뇌의 돌연변이 발현 부위를 조사한 결과, K27과 G34 모두 조기에 많은 발현 비율을 보였다. 특히 G34 돌연변이의 경우 특히나 초기에 뇌 혈관 내피세포에서 많은 발현을 나타내었다.
전사체6) 데이터에서 DNA 메틸레이션 및 유전자의 발현 사이의 연관성을 확인하였다. OLIG1, OLIG2와 신경 세포의 분화에 관련된 FOXG1의 발현을 확인할 수 있다. FOXG1 유전자는 DNA를 과 메틸레이션하고 OLIG1, OLIG2의 불활성화시켜 K27 변이에 의한 종양이 발현되지 않게 하였다. 이와 반대되는 IDH1 변이는 프로모터에 메틸레이션 되어 유전자를 불활성화하였다. 또한 면역 화학적 분석으로 돌연변이를 확인하여 OLIG2, FOXG1에 대해 상업적으로 이용 가능한 항체를 사용하여 조직에 microarray를 실시하였다. 143개 소아의 샘플에서 단백질 발현 패턴을 확인하여 IDH1 6개, G34 21개, K27 37개의 돌연변이를 발견하였다.
타겟 유전자를 Illumina 450k를 이용하여 배열한 다음 H3F3A와 IDH1 돌연변이로 분류하였다. 위 사진은 G34 돌연변이에 의해 FOXG1와 ALT에 종양이 발현되고 ATRX 유전자의 단백질 발현 손실이 일어난 모습이다.
맺음말
본 연구에서는 특정 분자나 유전자의 변이로 인한 임상적 특징과 연관된 DNA 메틸레이션 패턴에 따라 교모세포종 원인을 6가지로 분류하였다. 6가지 분류는 DNA 메틸레이션이 특히 많이 일어난 IDH와 G34 돌연변이, 전 연령대에서 나타나며 생존률이 다른 분류에 비해 높은 RTKI, RTKII, Mesenchymal, 주로 소아에서 나타나며 생존률이 낮은 K27이다.
또한 교모세포종의 경로 메커니즘도 확인하였다. H3F3A 돌연변이로 인한 p53의 불활성, OLIG2 단백질 마커에 의한 G34에 변이가 발생하여 교모세포종으로 발현되는 경로는 초기 H3F3A 변이의 유형과 종양 위치, 주요 신경 세포를 조절하여 예방할 수 있을 것이다. 그러나 IDH1 변이에 의한 oncometabolite 2 hydroxyglutarate의 과잉으로 5-methly-cytosine hydroxylases 및 demethylases의 TET가 억제되어 생기는, 5 hydroxyl-methy-cytosine 감소와 H3K27 methylation 증가 등으로 교모세포종이 유발될 수도 있다. 그러므로 반복되는 서열에서 DNA 메틸레이션 패턴을 감지하고 변화를 준다면 예방 및 치료가 가능할 것이다.
앞으로는 교모세포종과 같은 악성 종양도 유전자 분석을 통해 문제가 되는 부위의 수정을 통해 예방을 할 수 있는 유전자 진단 치료가 이루어 질 것이다. 이에 유전자에 대한 대중들의 인식이 없다면, 좋은 기술이 있더라도 그림의 떡이 될 것이다. 많은 의사와 연구진들의 다양한 질병에 대한 유전자 분석을 통한 치료를 적극적으로 도입해야 할 시기이다.
- 뇌종양 : 뇌조직이나 뇌를 둘러싸고 있는 뇌막에서 발생되는 원발성 뇌종양과 두개골이나 그 주변 구조물에서 발생하거나 체내 다른 부위의 암에서 전이된 2차성 뇌종양의 총칭. 뇌하수체샘종, 수막종, 신경아교종(glioma) 등이 포함되며 신경아교종은 다른 장기로의 전이가 드물게 나타나지만 원칙적으로는 전이되지 않는다. 뇌는 단단한 두개골로 둘러싸여 있기 때문에 뇌종양이 증대되어 뇌압이 상승하면 죽게 된다. 뇌종양발생부위에 따라 나타나는 신경증상도 다르다. 치료법은 수술이나 방사성치료인데 종양의 종류나 존재부위에 따라 달라진다. 대부분의 경우 화학요법의 치료적 의의는 아직 인정받지 못하고 있다.
- 타겟시퀀싱 : 발현이 일어나는 부위(예; 엑손)만을 시퀀싱하는 방법
- copy number : 단일세포에 있는 플라스미드 분자의 수.
- TCGA(The Cancer Genome Atlas) : 암유전자 연구소, 발병예방, 치료방법개발 등 연구
- 기저핵 : 미상핵(caudate nucleus), 담창구(globus pallidus), 피각(putamen) 등 종뇌에 있는 피질하 핵들의 집합으로서 운동 통제에 관여한다.
- 전사체 : 전사를 의미하는 transcription과 전체를 의미하는 접미어 -ome이 결합하여 만들어진 합성어. 어떤 종류의 세포, 또는 조직에서 어느 순간에 발현 중인 RNA의 총합을 말한다.
참고문헌
Hotspot Mutations in H3F3A and IDH1 Define Distinct Epigenetic and Biological Subgroups of Glioblastoma
http://www.cell.com/cancer-cell/retrieve/pii/S1535610812003649
Sequential ChIP-bisulfite sequencing enables direct genome-scale investigation of chromatin and DNA methylation cross-talk.
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/22466170
K27M mutation in histone H3.3 defines clinically and biologically distinct subgroups of pediatric diffuse intrinsic pontine gliomas.
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/22661320
저자
글 : hjpark
편집 : Thkim
키워드 : 교모세포종(glioblastoma), H3F3A, IDH1, methylation, 뇌종양, PDGFRA, 타겟시퀀싱(Target sequencing) 등
