KR100456282B1 - 정신분열증의 진단용 프라이머 - Google Patents

정신분열증의 진단용 프라이머 Download PDF

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Abstract

본 발명은 정신분열증(Schizophrenia)의 진단용 프라이머(primer)에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 인간 내생 레트로바이러스-F(Human endogenous retrovirus-F ; 이하 "HERV-F"라고 함)를 특이적으로 증폭시키는 것을 특징으로 하는 정신분열증 진단용 프라이머에 관한 것이다. 본 발명의 정신분열증 진단용 프라이머는 HERV-F를 특이적으로 증폭시키며, 증폭된 DNA의 유형 및 강도가 정신분열증 환자에서 특이하므로 정신분열증의 진단에 유용하게 사용될 수 있다.

Description

정신분열증의 진단용 프라이머{Primers for diagnosis of schizophrenia}
본 발명은 정신분열증(Schizophrenia)의 진단용 프라이머(primer)에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 인간 내생 레트로바이러스-F(Human endogenous retrovirus-F ; 이하 "HERV-F"라고 함)를 특이적으로 증폭시키는 것을 특징으로 하는 정신분열증 진단용 프라이머에 관한 것이다.
정신분열증(Schizophrenia)은 사고의 장애를 주축으로 감정, 지각, 및 행동 면에서 장애를 나타내는 질환으로 여러 가지 원인이 복합적으로 작용하여 발병하는 복합질병이며 조발성 치매증이라고도 한다. 한국에서는 전체 정신병원 입원환자의 2/3 이상을 차지하고 있는 흔히 나타나는 정신병중의 하나로서 전 인구 중 0.13 - 0.54%의 비율로 발병하고 있다. 대부분 사춘기를 전후로 발병하지만 중년 이후에도 발병할 수 있다.
정신분열증의 원인을 밝히기 위하여 유전학, 신경생화학, 신경해부학 및 사회심리학적 측면의 연구가 이루어지고 있으나 아직 일관된 결론을 얻지 못하고 있으며 현재 도파민-세로토닌 균형의 장해가 정신분열증의 원인에 중요한 요인일 것으로 생각되고 있다. 정신분열증의 발병에 있어서 유전적 요인이 한 중요한 원인임이 밝혀짐에 따라 가계연구, 입양연구, 쌍생아 연구 등을 통하여 정신분열증을 발병 가능성을 예상하고 있다. 그러나 이러한 방법들을 실제 정신분열증의 진단에 적용하기 위해서는 시간과 비용이 많이 투자되어야 하며, 이러한 연구들이 각 진단 대상에 대해 미리 이루어져있어야 한다는 결정적인 약점이 있다. 따라서 이를 대체할 수 있는 쉽고 간편한 새로운 진단방법이 요구되고 있다.
윌리암(Williams) 등에 의하여 고안된 RAPD(Random amplified polymorphicDNA) 분석법은 개체의 염색체(chromosomal) DNA를 PCR(polymerase chain reaction)이란 유전적 기법으로 특정의 목표(target) DNA를 증폭시키고 아가로오즈 젤(agarose gel)상에 나타나는 DNA 밴드 패턴을 조사하는 방법으로 개체간의 유전적 변이 정도를 간단히 알아낼 수 있다(Kwon, O. S. and Yoo, M.,Kor. J. Microbiol,1998, 34(1-2), 51-57). 임의의 염기서열을 갖는 10-mer 정도의 올리고뉴클레오타이드(oligonucleotide)를 랜덤 프라이머(random primer)로 사용하여 PCR 증폭을 하면 상당히 많은 비특이적 DNA 밴드 패턴을 나타내는데, 랜덤 프라이머를 사용하는 RAPD 분석법은 바로 이 점을 이용하여 비교하고자 하는 개체간의 전반적인 유전적 유사성과 상이성을 비교하게 하여준다. 이러한 RAPD 분석법은 기존의 연구에서는 많은 샘플을 손쉽게 다루어야 하는 세균·곰팡이의 진화 유전 연구나 동·식물의 육종연구 등의 주로 복잡한 게놈(genome)을 갖는 진핵세포 생물의 분류, 그리고 가장 단순한 게놈을 갖는 세균 바이러스의 동정에 이용되고 있으며, 최근에는 기존의 연구방법을 뛰어넘어 인간의 질병과 연관하여 AIDS 환자에서 추출한 바이러스의 DNA를 분석, 인간 암조직에서 돌연변이 또는 다형적인 유전자 위치(loci)를 찾아내는 영역까지 발전하게 되었다.
최근, 분자생물학적인 기법이 발전되면서 DNA의 염기 서열을 근거로 한 질환과의 관계를 추적하는 연구방법이 등이 도입되고 있는데, 이러한 방법에 의한 연구결과는 다양하게 나타난다. 일예로서, 정신분열증의 후보유전자가 인간의 염색체 1, 2q, 3p, 4p, 4q, 5p, 6p, 6q, 7, 8p, 9, 10p, 10q, 11p, 13q, 16p, 18p,21q, 22q, Xp, Xq 전반에 걸쳐서 있는 것으로 나타났는데, 이러한 정신분열증의 다유전성은 옥스퍼드 대학 원포드병원 정신과 Timothy J Crow 교수가 제안한 레트로바이러스 가설(Crow, T. J.,Br. J. Psychiatry,1984, 145, 243-253)로서 설명이 가능하다. 레트로바이러스 가설이란 레트로바이러스가 인간 게놈 내에 자유형태로 삽입, 이동함으로 말미암아 정신분열증이 발생하며, 이들은 다음세대로 전달되어 유전이 가능하다는 가설이다. 레트로바이러스는 빈번한 이동에 의한 삽입돌연변이(insertional mutagenesis)를 야기시키므로 자가면역질환, 암 및 세포내 다양한 정신분열증 관련 유전자의 발현 혹은 구조적 변화로써 정신분열증과 같은 복합적인 질병 증후군의 발병 원인이 되는 것으로 추정되고 있다.
레트로바이러스의 기본구조는 프로모터인 LTR(long terminal repeat), 핵심(core) 단백질을 암호화하는 gag, 역전사 효소를 암호화하는 pol, 외피 단백질을 암호화하는 env로 구성되며, 5'LTR-gag-pol-env-3'LTR의 배열을 하고 있다. 인간 내생 레트로바이러스(human endogenous retrovirus; HERV)는 생식세포 염색체 내에 이미 삽입되어 정상적으로 멘델 법칙에 따라서 유전하며 거의 모든 동물에 존재한다고 알려져 있는데, 인간의 경우에는 전체 게놈의 1∼3%를 차지하고 있다.
HERV(human endogenous retrovirus) 군에서 사용되는 용어는 PBS (primer binding site)에 상보적인 tRNA에 기인하여 그들 각각에 대하여 아미노산 이름의 한 글자에 의하여 HERV-K, HERV-H, HERV-W, HERV-F 등으로 구분한다.
HERV-F는 가장 최근에 발견된 내생 레트로바이러스로서, ERV-9을 프로브(probe)로 하여 인간 신경교종(glioma) cDNA 라이브러리에서 분리한 XA34cDNA 클론에서 인간 염색체 7q31.1-31.3 영역에서 처음 발견되었다(Widegren, B., et al.,J. Gen. Virol.,1996, 77, 1631-1641). 신경교종은 원발성 두개강내 종양중 대략 50%를 차지하는 가장 흔한 뇌종양의 일종인데, 성별에 따른 발생 정도는 남자가 여자에 비해 다소 많으며 그 비율은 악성 신경교종인 경우 남녀의 비가 4.3:2.7/10만명, 양성인 경우는 1.3:0.8/10만명 정도로 보고되고 있다. 다른 뇌종양과 달리 신경교종은 주위의 정상 뇌조직으로 침습하고 또한 파괴한다. 이러한 특성이 종양세포 자체의 악성도 뿐만 아니라 그 예후를 결정하는 중요한 요인이 된다. 신경교종의 원인에 대한 연구에서 다양한 세포유전학적 유전자의 변화가 밝혀지고 있으며 가장 흔한 변화는 7번 염색체의 구조 변화와 10번, 22번 그리고 성염색체의 손실이라고 알려져 있다.
이에, 본 발명자들은 정신분열증을 진단하기 위한 쉽고 간편한 방법을 찾고자 노력한 결과 신경교종과 관련이 있는 인간 내생 레트로바이러스가 정신분열증 환자에서도 많은 수로 게놈상에 존재함을 발견하였고, 인간 내생 레트로바이러스를 특이적으로 증폭시킬 수 있는 프라이머 서열을 이용하여 정신분열증을 조기에 예민하게 진단할 수 있음을 밝힘으로써 본 발명을 완성하였다.
본 발명의 목적은 진단이 용이하고 간편하며 진단의 민감도가 높은 정신분열증 진단용 프라이머 서열을 제공하는 것이다.
도 1은 본 발명의 HERV-F pol 센스 프라이머를 사용하여 PCR 및 RAPD 분석을 수행한 결과를 나타낸 전기영동 사진이고,
M : 사이즈 마커
레인 1-10 : 비정신분열증 환자군
레인 11-15 : 정신분열증 환자군
도 2는 본 발명의 HERV-F pol 안티센스 프라이머를 사용하여 PCR 및 RAPD 분석을 수행한 결과를 나타낸 전기영동 사진이고,
M : 사이즈 마커
레인 1-10 : 비정신분열증 환자군
레인 11-15 : 정신분열증 환자군
도 3은 본 발명의 HERV-W pol 센스3 프라이머를 사용하여 PCR 및 RAPD 분석을 수행한 결과를 나타낸 전기영동 사진이고,
M : 사이즈 마커
레인 1-10 : 비정신분열증 환자군
레인 11-15 : 정신분열증 환자군
도 4는 본 발명의 HERV-W pol 센스2 프라이머를 사용하여 PCR 및 RAPD 분석을 수행한 결과를 나타낸 전기영동 사진이고,
M : 사이즈 마커
레인 1-10 : 비정신분열증 환자군
레인 11-15 : 정신분열증 환자군
도 5는 본 발명의 HERV-W LTR 센스 프라이머를 사용하여 PCR 및 RAPD 분석을 수행한 결과를 나타낸 전기영동 사진이고,
M : 사이즈 마커
레인 1-10 : 비정신분열증 환자군
레인 11-15 : 정신분열증 환자군
도 6은 본 발명의 HERV-W LTR 안티센스 프라이머를 사용하여 PCR 및 RAPD 분석을 수행한 결과를 나타낸 전기영동 사진이고,
M : 사이즈 마커
레인 1-10 : 비정신분열증 환자군
레인 11-15 : 정신분열증 환자군
도 7은 본 발명의 HERV-W gag 센스 프라이머를 사용하여 PCR 및 RAPD 분석을 수행한 결과를 나타낸 전기영동 사진이고,
M : 사이즈 마커
레인 1-10 : 비정신분열증 환자군
레인 11-15 : 정신분열증 환자군
도 8은 본 발명의 HERV-W env 센스 프라이머를 사용하여 PCR 및 RAPD 분석을 수행한 결과를 나타낸 전기영동 사진이고,
M : 사이즈 마커
레인 1-10 : 비정신분열증 환자군
레인 11-15 : 정신분열증 환자군
도 9는 본 발명의 HERV-K10 env 센스 프라이머를 사용하여 PCR 및 RAPD 분석을 수행한 결과를 나타낸 전기영동 사진이고,
M : 사이즈 마커
레인 1-10 : 비정신분열증 환자군
레인 11-15 : 정신분열증 환자군
도 10은 본 발명의 HERV-K10 env 안티센스 프라이머를 사용하여 PCR 및 RAPD 분석을 수행한 결과를 나타낸 전기영동 사진이다.
M : 사이즈 마커
레인 1-10 : 비정신분열증 환자군
레인 11-15 : 정신분열증 환자군
상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 HERV-F를 특이적으로 증폭시키는 것을 특징으로 하는 정신분열증 진단용 프라이머를 제공한다.
이하 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명의 정신분열증 진단용 프라이머는 인간 내생 레트로바이러스 중 하나인 HERV-F의 유전자, 바람직하게는서열번호 1로기재되는 HERV-F 유전자에 특이적으로 반응하여 증폭시킨다. 이를 위하여, 본 발명은서열번호 2서열번호 3으로 기재되는 프라이머 서열을 제공한다. 하지만, HERV-F를 특이적으로 증폭시킬 수 있는 모든 프라이머 염기서열 또한 정신분열증을 진단할 수 있으므로, 상기 모든 서열 또한 본 발명의 범주에 속하게 됨은 당업자에게는 당연하다.
본 발명자들은 정신분열증과 관련이 있는 HERV 유전자들과 정신분열증과의 관계를 확인하고자 하였다. 이를 위하여, 정신분열증 환자, 정상인 및 유인원의 혈액을 채취하여 여러 가지 HERV 유전자들의 발현과 정신분열증과의 관계를 조사하였다. 상기에서 HERV 유전자에는 HERV-F, HERV-K10, HERV-H, HERV-W 등이 있다.
그 결과, HERV-F에 특이적인 프라이머를 사용하여 DNA를 증폭하였을 때 정신분열증 환자군에서는 특이적인 밴드 패턴과 다량의 HERV-F가 발현되는 것을 확인하였다(도 1도 2참조). 상기 결과로부터, 본 발명의 HERV-F에 특이적인 프라이머를 이용하여 DNA를 증폭함으로써 정신분열증을 조기에 간편하게 진단할 수 있음을 확인하였다.
이하, 본 발명을 실시예 및 실험예에 의해 상세히 설명한다.
단, 하기 실시예 및 실험예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
<실시예 1> 정신분열증 진단용 프라이머의 제조
본 발명자들은 레트로바이러스 가설에 의하여 인간의 질병과 관련되어 있는 HERV를 특이적으로 증폭할 수 있는 프라이머를 제작하였다. 또한 전체적인 인간 게놈의 다형성 보다는 정신분열증 환자의 특이적인 DNA 밴드 패턴을 얻기 위하여 기존의 10-mer 프라이머에서 벗어나 20-mer의 올리고뉴클레오타이드를 프라이머로 제작하였다(표 1). 프라이머가 유래한 HERV의 이름에 기초하여 프라이머를 명명하였으며 이중나선 DNA의 엎스트림(upstream)에서 제작한 프라이머를 센스(sense), 다운스트림에서 제작한 프라이머를 안티센스(antisense)라고 명명하였다. 본 발명의 프라이머의 명칭 및 염기서열을 하기표 1에 나타내었다.
프라이머 명칭 서열 TM(℃)
HERV-F pol 센스 서열번호 2 58
안티센스 서열번호 3 56
HERV-K10 LTR 센스2 서열번호 4 62
안티센스 서열번호 5 62
HERV-K10 env 센스 서열번호 6 60
안티센스 서열번호 7 60
HERV-H env 센스 서열번호 8 62
HERV-W pol 센스3 서열번호 9 60
안티센스2 서열번호 10 60
HERV-W gag 센스 서열번호 11 62
HERV-W LTR 센스 서열번호 12 62
HERV-W env 센스 서열번호 13 60
<실험예 1> 정신분열증 특이적 밴드 패턴 분석
<1-1> 샘플 DNA 수집
정신분열증 환자의 샘플은 수원 카톨릭의과대학에서 376명분(여성 190명, 남성 186명)을 제공받아서 사용하였으며, 비정신분열증 환자의 샘플은 부산대학병원 산전유전검사실에서 353명분의 백혈구 샘플을 제공받아서 사용하였다. 비정신분열증 환자의 샘플 중에는 염색체 이상자 92명과 염색체 정상자 261명을 포함한다. 백혈구의 샘플은 9:1의 비율로 에탄올과 초산을 혼합하여 -20℃에서 보관하면서 사용하였다.
<1-2> 백혈구 샘플에서 DNA 분리
하기의 방법으로 각 백혈구 샘플에서 DNA를 분리하였다.
1. 실험대상자의 백혈구를 모은 각각의 튜브를 14000 rpm, 2분, 실온(RT)의 조건으로 원심분리한 후 모아진 펠렛을 제외한 상층액을 깨끗이 제거한다.
2. PBS 500 ㎕를 튜브에 첨가하여 잘 섞는다.
3. 14000 rpm, 2분, 실온(RT)조건에서 원심분리하여 펠렛을 모으고 상층액을 제거한다.
4. 추출용 버퍼(extraction buffer) 200 ㎕ 와 단백질 분해효소(proteinase K, 20 ㎎/㎖) 5 ㎕를 첨가한 후 잘 혼합한다.
5. 50℃의 항온조(water-bath)에서 하룻밤 동안 2시간마다 뒤집어 주면서 배양한다.
6. PCI 200 ㎕를 첨가하여 좌우방향으로 잘 혼합한다.
7. 14000 rpm, 10분, 실온(RT)의 조건으로 원심분리한다.
8. 상층액 200 ㎕를 새로운 튜브에 옮긴다. 단, 아래층이 올라오지 않게 주의한다.
9. 단계6에서 단계8까지를 두 번 반복한다.
10. 이소프로판올(isopropanol) 200 ㎕를 첨가하여 부드럽게 섞어준다.
11. 14000 rpm, 10분, 실온(RT)의 조건으로 원심분리하며 상층액을 완전히 제거한다.
12. 80% EtOH 500 ㎕를 첨가한다.
13. 14000 rpm, 2분, 실온(RT)의 조건으로 원심분리하며 상층액을 완전히 제거한다.
14. 약10분간 실온(RT)에서 말린다.
본 발명에서는 정신분열증 환자군과 비정신분열증 환자군 중에서 염색체 정상군과 염색체 비정상군으로 나누어 3군에서 각각 5명씩을 선발하여 실험에 사용하였다. 또한 사람과 유인원류(침팬지, 고릴라, 오랑우탄, 기본(gibbon), 일본원숭이)를 각 종에서 2개체씩 선택, 비교하여 사람 특이적 밴드를 찾는데 정확성을 기하도록 하였다(표 2).
게노믹 DNA 샘플
비정신분열증 환자, 염색체 정상군 1 BK99082 (28M, 46XY)
2 BK99096 (29M, 46XY)
3 BK99102 (36M, 46XY)
4 BK99092 (41F, 46XX)
5 BK99106 (28F, 46XX)
비정신분열증 환자,염색체 비정상군 6 BK00021 (10M, 45XO, Tuner syn.)
7 BK99169 (34F, 45XO, Tuner syn.)
8 BK99084 (36M, 47XXY, Klienfelter syn.)
9 BK99168 (23M, 47XXY, Klienfelter syn.)
10 BK00003 (30F, 47XXinv(P))
정신분열증 환자군 11 1 19 M
12 3 18 M
13 4 22 M
14 5 33 F
15 10 23 F
침팬지 16 2856 (lab DNA no.)
17 2857 (〃)
고릴라 18 1531 (〃)
19 1979 (〃)
오랑우탄 20 2847 (〃)
21 2850 (〃)
기본 22 2220 (〃)
23 2221 (〃)
일본원숭이 24 2639 (〃) & JM from Kyoto
25 2640 (〃)
<1-3> 증폭된 DNA의 밴드 패턴 분석
본 발명자들은 상기실시예 1에서 제조한 프라이머를 이용하여 정신분열증 환자 군, 정상인 군 및 유인원 군에서의 증폭된 DNA의 유형을 조사하였다.
먼저, PCR 반응물은 다음과 같은 조성으로 총 25 ㎕ 부피로 제조하였다.
[반응액 (총 25 ㎕)]
ddH2O 16.35 ㎕(autoclaved)
2.5M dNTP 3 ㎕
10×Buffer 2.5 ㎕ (promega)
primer 2 ㎕ (20 mer/10 pmol)
Taq polymerase 0.15 ㎕(promegaTaqDNA polymerlase:100 unit M186A)
DNA 1 ㎕ (0.6 ㎍/㎕)
실시예 1에서 제조한 각각의 프라이머에 대해서 PCR을 실시하였다.
상기 반응액을 94℃에서 3분간 반응시켜 변성시킨 후 94℃에서 30초, 37℃에서 1분, 72℃에서 1분씩 15회 반응시켰으며 다시 94℃에서 30초, 40℃에서 1분, 72℃에서 1분씩 40회 반응시키고 마지막으로 72℃에서 5분간 반응시켰다. 경우에 따라서는 94℃ 3분간 반응시켜 변성시킨 후 94℃에서 30초, 40℃에서 1분, 72℃에서 1분씩 15회 반응시키고 마지막으로 72℃에서 5분간 반응시켰다. 반응이 끝난 후 2% 아가로우즈 젤(agarose gel)에 전기영동(80 V, 1 hour)하여 PCR 산물을 확인하였다. DNA의 염색을 위하여 20 ㎎/㎖의 에티디움 브로마이드(ethididum bromide)를 아가로우즈 젤 100 ㎖ 당 2 ㎕씩 첨가하여 사용하였고, UV 트랜스일루미네이터(Spectroline)를 이용해 얻어진 밴드를 젤 프린트 시스템을 사용하여 촬영하였다. 이 때 DNA 밴드의 크기를 확인하기 위하여 제한효소 tagⅠ으로 처리된 pUC18을 사이즈 마커로 사용하였다.
그 결과, 전체 그룹에서 DNA 밴드 패턴이 동일하게 나타나거나 일부 환자에서 차이를 보이고 있으나 정신분열증 환자에 있어서 특이적인 밴드 패턴을 보인다고 할 수 없으므로 특이적인 염기서열을 찾아내는 진단용 마커로의 가능성은 낮다고 하겠다(도 3-도 10).
<실험예 2> HERV-F에 대한 RAPD 분석
본 발명자들은 HERV-F의 구성요소중 역전사효소를 암호화하는 pol 영역에서 센스 프라이머(HERV-F pol Sense)와 안티센스 프라이머(HERV-F pol Antisense)를 디자인하여실험예 1의 방법에 따라 실험을 수행하였다.
그 결과,도 1에서 나타난 바와 같이 HERV-F pol 센스 프라이머를 사용하였을 경우 비정신분열증 환자군(레인 1-10)과 정신분열증 환자군(레인 11-15)에서 DNA 밴드 패턴은 확실한 차이를 보이고 있다. 특히 레인 14와 15에서는 다른 환자들과 달리 폭발적으로 증폭된 특이적 밴드 패턴을 보이고 있다. 따라서 이 프라이머는 정신분열증 환자에 특이적인 염기서열을 찾아내는 진단용 마커로서의 가능성이 충분하다.
또한,도 2에 나타난 바와 같이 HERV-F pol 안티센스 프라이머를 사용하였을 경우에도 역시 비정신분열증 환자군(레인 1-10)과 정신분열증 환자군(레인 11-15)에서 DNA 밴드 패턴의 확실한 차이를 보이고 있다. 특히 레인 13, 14, 15번은 다른 환자들과 달리 폭발적으로 증폭되어 정신분열증 환자에 있어 특이적인 밴드 패턴을 보이고 있다. 따라서 이 프라이머 또한 정신분열증 환자에 특이적인 염기서열을 찾아내는 진단용 마커로의 가능성이 충분하다고 하겠다.
상기에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 정신분열증 진단용 프라이머는 HERV-F를 특이적으로 증폭시키며 증폭된 DNA의 유형 및 강도가 정신분열증 환자에서 특이하므로 정신분열증의 여부 혹은 발생 가능성을 쉽고 정확하게 진단할 수 있다.
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Claims (4)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 인간 내생 레트로 바이러스-F(Human endoretrovirus-F; 이하 "HERV-F"라고 함)를 특이적으로 증폭시키기 위한서열번호 2에 기재된 염기서열을 지니는 정신분열증(Schizophrenia) 진단용 프라이머.
  4. HERV-F를 특이적으로 증폭시키기 위한서열번호 3에 기재된 염기서열을 지니는 정신분열증(Schizophrenia) 진단용 프라이머.
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