KR101718940B1 - 알츠하이머성 치매 또는 경도인지장애를 위한 후생유전학 조기진단용 조성물 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 치매의 임상증상이 발현되기 이전에 혈액 등과 같은 환자의 생체 시료로부터 경도인지장애 및 알츠하이머성 치매에 특이적인 DNA 메틸화 변화를 정량분석하여 알츠하이머성 치매 또는 경도인지장애를 조기에 진단할 수 있는 진단용 조성물과 이를 이용한 알츠하이머성 치매 또는 경도인지장애 진단에 필요한 정보를 제공하는 방법을 제공하는 것이다.
Description
본 발명은 퇴행성 신경질환, 구체적으로, 알츠하이머성 치매(Alzheimer's disease, AD) 또는 경도인지장애 조기진단용 조성물 및 이를 이용한 알츠하이머성 치매와 경도인지장애(Mild cognitive impairment, MCI)의 감별진단 방법에 관한 것이며, 보다 구체적으로 알츠하이머성 치매 및 경도인지장애와 관련된 유전자 부위의 메틸화 수준을 측정하기 위한 조성물과 이를 통해 측정된 메틸화 수준으로부터 알츠하이머성 치매와 경도인지장애를 조기에 진단하고자 하는 방법이다.
알츠하이머성 치매는 주로 65세 이상 노년층에서 점진적인 기억력 감소와 인지기능 손상으로 특징되는 퇴행성 뇌질환이다. 병리수준에서는 베타-아밀로이드 단백질 침전물과 신경섬유 타우 단백질의 엉킴현상이 대표적인 병인으로 인정받고있다. 세계 치매 유병률은 2010년 3,560만명에서 2050년 1억 1,540만명으로 매우 가파른 증가세를 나타내어 공공보건의 가장 치명적인 위협이 될 것으로 전망된다(Alzheimers Dement. (2007) 3:186-191).
현재 알츠하이머 치매 진단에 사용되는 표지자는 발병 이후에야 진단이 가능하거나 매우 침습적 검사법으로 인해 많은 제약이 따르고 있다. 뇌척수액에서 베타-아밀로이드 단백질의 농도 정량분석 및 뇌 영상의학검사가 치매 확진검사법으로 사용되고 있으나, 뇌척수액은 침습적 검사법으로서 조기진단에는 부적절하며, 베타-아밀로이드 및 타우-단백질의 검출을 위한 양전자 단층촬영(PET) 검사도 고비용, 시·공간 제약의 한계가 존재한다(Lancet Neurol (2010) 9:119). 또한 최근의 연구결과는 베타-아밀로이드 침착과 치매 증상 발현에 있어 수년간의 차이가 있음이 보고되었다. 베타-아밀로이드가 알츠하이머 질환의 원인보다는 결과산물로 발생한 것이라는 의견이 제기되고 있다(Lancet Neurol (2010) 9:702-716). 치매치료제 후보물질의 50% 이상이 베타-아밀로이드 단백질을 타겟으로 개발되고 있으나 현재까지의 개발실패율은 99.6%이며, 승인된 제품들도 단기적 인지기능 개선으로 유효성이 크지 않고 뇌세포 사멸을 억제할 수 없어 근본적인 병인치료가 불가한 단점이 있다(Global Data, Opportunity and unmet need in the dementia therapeutics market, 2010).
알츠하이머성 치매의 유전적인 요인은 3~4%에 국한되며, 후생유전학적 변화를 포함한 다수의 병인이 치매 발병기전에 관여할 것으로 예상하고 있다. 최근에 알츠하이머 질환에서 후생유전학적 조절의 중요성에 대한 연구결과가 지속적으로 증가하고 있다(Neurobiol Aging (2011) 32:1161-1180, Nat Neuroscience (2014) 17:1138-1140, Hum Mol Genet (2014) 23:648-656). 유전자-식이·환경-질병 상호작용에 기반한 후생유전학적 변화가 다양한 질환의 초기단계에 작용한다는 연구결과들이 보고되었다(Nature (2004) 429:457-463, Adv. Genet. (2010) 71:237-255). 후생유전학은 DNA 염기서열의 변화를 수반하지 않고 유전자 발현, 유전체 안정성에 가역적인 변화가 발생하는 현상을 연구하는 분야로 DNA 메틸화, 마이크로RNA, 히스톤 단백질 변형의 주요 작용기전이 포함된다(Nat. Rev. Genet. (2002) 3:415-428). 식이와 환경인자들이 인체 에피지놈에 영향을 미치고 궁극적으로 이들 인자들이 질병 발병기전에 관여하며, 후생유전학 조절기전은 가역적인 변화라는 것이 입증되면서 질병 예방, 조기진단의 측면에서 주목을 받고 있다(Cancer Lett. (2008) 269:189-198, Acta Physiol. (2011) 202:103-118, Nat. Rev. Genet. (2012) 13:97-109, Biochimie (2012) 94:2242-2263).
이에 본 발명의 목적은 치매의 임상증상이 발현되기 이전에 혈액으로부터 경도인지장애 및 알츠하이머성 치매에 특이적인 DNA 메틸화 변화를 정량분석하여 알츠하이머성 치매 및 경도인지장애를 조기에 진단할 수 있는 진단용 조성물과 이를 이용한 알츠하이머성 치매 및 경도인지장애 진단에 필요한 정보를 제공하는 방법을 제공하는 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 하나의 양태로서, 본 발명은 환자의 생리학적 시료 내 유전자에서 하기 표 1 내지 표 3에 나타낸 1번 내지 72번의 유전자로 이루어진 군 중 적어도 하나의 유전자 메틸화 수준을 측정하는 제제를 포함하는 퇴행성 신경 질환, 바람직하게는 알츠하이머성 치매 또는 경도인지장애의 진단용 조성물을 제공한다.
바람직하게, 본 발명에 따른 진단용 조성물은 상기 1번 내지 72번의 유전자 중 NLRP1, NTN1, ULK1, SF3A3, FLT4, YBEY, EBF3, TRPM4, TMEM121, HSPA12B, DTX1, LHX6, C7orf50, NUMA1, NLRP2, NLRP7, MUC4, NTMT1, C9orf50, AHRR, RAP1, NCOR2, HSBP1L1, ADARB2, C20orf112, ELANE, SLC11A1, ZNF10, TRIM24, AZU1, ABCB10, CABP5, S100A14, S100A16, PON1, NKD1, TMEM99, EPHA3, MYCBPAP, KCNC1, FMOD, CLEC4C, OR2T4, ZNF268, DMRT2 및 DMRTB1로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 유전자를 포함할 수 있다.
상세하게는, 인간게놈(GRCh37/hg19) 표준 염기서열을 기준으로 표 1 내지 표 3에 게시된 1번부터 72번 유전자의 시작시점부터 종료시점까지의 염기서열 위치번호에 해당하는 전체 CpG 영역의 메틸화 수준을 측정할 수 있다.
여기서, 상기 유전자의 메틸화 수준을 측정하는 제제는 상기 유전자의 전체 CpG 영역 내 적어도 하나의 CpG 섬(CpG island)의 메틸화 수준을 측정할 수 있다.
여기서, 상기 유전자의 메틸화 수준은 DNA를 포함하는 시료로부터 중합효소 연쇄반응(PCR)을 통해 증폭되는 전체 CpG 영역에 특이적으로 결합하는 프라이머 쌍 및 프로브 또는 해당 영역에 특이적으로 결합하는 항체를 포함할 수 있다.
또한 본 발명은 또 하나의 양태로서, 상기 1번 내지 72번 유전자들로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 유전자의 CpG 부위에서의 메틸화 수준을 측정하여 알츠하이머성 치매 또는 경도인지장애의 진단에 필요한 정보를 제공하는 방법을 제공한다.
일예로, 본 발명에 따른 방법은 하기와 같은 단계를 포함할 수 있다:
(a) 환자의 생물학적 시료로부터 DNA를 수득하는 단계;
(b) 상기 단계 (a)에서 수득된 DNA로부터 상기 표 1 내지 표 3의 1번 내지 72번 유전자로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 유전자의 CpG 부위의 메틸화 수준을 측정하는 단계; 및
(d) 상기 메틸화 수준을 대조군 시료의 유전자의 CpG 부위의 메틸화 수준과 비교하는 단계.
여기서, 상기 환자의 생물학적 시료는 혈액일 수 있다.
본 발명은 퇴행성 신경질환, 구체적으로 알츠하이머성 치매 및 이의 전조 단계인 경도인지장애를 혈액과 같은 환자로부터 채취한 생물학적 샘플 기반으로 분석하여 발병 위험도를 조기에 진단하는 일차 진단법을 제공할 수 있다는 장점을 갖는다.
또한, 본 발명에 따른 진단용 조성물은 알츠하이머성 치매 및 경도인지장애의 발병이나 진행을 차단할 수 있는 치료제의 효능을 평가하기 위한 바이오 마커로도 활용될 수 있다.
게다가, 본 발명은 식이, 생활습관 및 환경과 만성질환과의 상관관계를 특이적으로 규명할 수 있는 후생 유전학적 분자진단기술을 제공할 수 있다.
도 1은 타겟 바이설파이트 시퀀싱된 서열들을 인체 표준염기서열과 대조하고 QC 과정을 거쳐 메틸화된 CpG 리스트를 작성한 후, 생물정보학 분석을 수행하는 분석 순서도를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 2는 분석 대조군 대비 메틸화 수준이 차별화 되어있는 영역(Differentially methylated region, DMR)을 규명하는 알고리즘을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 3은 동일-연령 정상대조군 대비 MCI 및 AD군에 특이적인 DMR들을 선별한 후, 피어슨 상관계수로 DMR들의 CpG 메틸화 수준 유사도를 평가함으로써 메틸화 수준에 따라 계층적으로 클러스터링 분석한 예시로써 이온 항상성(ion homeostasis)에 특이적인 DMR 클러스터링 분석 히트맵을 나타낸 것이다.
도 4는 칼슘 신호전달 관련한 티로신 수용체 단백질 키나제 경로로 GO term이 enriched된 DMR들을 상호작용 분석한 예시로써 나타낸 것이다.
도 2는 분석 대조군 대비 메틸화 수준이 차별화 되어있는 영역(Differentially methylated region, DMR)을 규명하는 알고리즘을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 3은 동일-연령 정상대조군 대비 MCI 및 AD군에 특이적인 DMR들을 선별한 후, 피어슨 상관계수로 DMR들의 CpG 메틸화 수준 유사도를 평가함으로써 메틸화 수준에 따라 계층적으로 클러스터링 분석한 예시로써 이온 항상성(ion homeostasis)에 특이적인 DMR 클러스터링 분석 히트맵을 나타낸 것이다.
도 4는 칼슘 신호전달 관련한 티로신 수용체 단백질 키나제 경로로 GO term이 enriched된 DMR들을 상호작용 분석한 예시로써 나타낸 것이다.
본 발명을 더 쉽게 이해하기 위해 편의상 특정 용어를 본 명세서에서 정의한다. 본 명세서에서 달리 정의하지 않는 한, 본 발명에 사용된 과학 용어 및 기술 용어들은 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 의미를 갖는다. 또한, 문맥상 특별히 지정하지 않는 한, 단수 형태의 용어는 그것의 복수 형태도 포함하는 것이며, 복수 형태의 용어는 그것의 단수 형태도 포함한다.
이하, 본 발명에 따른 알츠하이머성 치매 또는 경도인지장애와 같은 퇴행성 신경질환 진단용 조성물 및 이를 이용한 퇴행성 신경질환의 진단에 필요한 정보를 제공하는 방법에 대하여 상세히 설명하도록 한다.
본 발명의 일 측면에 따른 퇴행성 신경질환, 바람직하게는 알츠하이머성 치매 또는 경도인지장애의 진단용 조성물은 혈액으로부터 알츠하이머성 치매 또는 경도인지장애 관련 유전자의 메틸화 수준을 측정하는 제제를 포함한다.
보다 상세하게는, 본 발명의 일 실시예에 따른 진단용 조성물은 하기 표 1 내지 표 3에 나타낸 1번 내지 72번으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 유전자 메틸화 수준을 측정하는 제제를 포함한다.
연번 | Chr | 시작( hg19 ) | 끝( hg19 ) |
DMR
길이 |
CpG의 수 |
메틸화
패턴 |
DMR
q값 a |
최근접 유전자(Nearest gene) |
1 | chr17 | 17625608 | 17626598 | 990 | 84 | hypo | 4.89E-29 | RAI1 |
2 | chr12 | 10095796 | 10096364 | 568 | 23 | hypo | 3.08E-18 | Unknownb |
3 | chr4 | 1521836 | 1522355 | 519 | 42 | hypo | 1.29E-15 | Unknown |
4 | chr1 | 38461434 | 38462094 | 660 | 48 | hyper | 5.37E-14 | SF3A3 |
5 | chr22 | 31318090 | 31318623 | 533 | 37 | hyper | 2.55E-13 | Unknown |
6 | chr17 | 9018997 | 9019243 | 246 | 24 | hyper | 1.71E-12 | NTN1 |
7 | chr1 | 146550096 | 146550428 | 332 | 16 | hypo | 8.32E-12 | Unknown |
8 | chr5 | 180045709 | 180045947 | 238 | 25 | hyper | 3.18E-10 | FLT4 |
9 | chr10 | 50649636 | 50649836 | 200 | 15 | hyper | 7.74E-10 | Unknown |
10 | chr13 | 114965482 | 114965834 | 352 | 33 | hypo | 1.25E-09 | Unknown |
11 | chr21 | 47716376 | 47716596 | 220 | 14 | hyper | 1.32E-08 | YBEY |
12 | chr10 | 131669298 | 131669502 | 204 | 11 | hypo | 3.46E-08 | EBF3 |
13 | chr1 | 146549841 | 146550019 | 178 | 15 | hypo | 3.87E-08 | Unknown |
14 | chr19 | 49713699 | 49714161 | 462 | 31 | hyper | 3.87E-08 | TRPM4 |
15 | chr14 | 105996224 | 105996552 | 328 | 20 | hyper | 9.40E-08 | TMEM121 |
16 | chr8 | 1365279 | 1365723 | 444 | 20 | hypo | 2.35E-07 | Unknown |
17 | chr12 | 132381853 | 132382053 | 200 | 14 | hypo | 3.95E-07 | ULK1 |
18 | chr20 | 3732985 | 3733155 | 170 | 8 | hypo | 1.91E-06 | HSPA12B |
19 | chr12 | 113527226 | 113527446 | 220 | 10 | hyper | 2.76E-06 | DTX1 |
20 | chr8 | 1365038 | 1365238 | 200 | 12 | hypo | 2.88E-06 | Unknown |
21 | chr7 | 149484782 | 149485002 | 220 | 13 | hypo | 3.03E-06 | Unknown |
22 | chr9 | 124989568 | 124989758 | 190 | 17 | hypo | 6.96E-06 | LHX6 |
23 | chr16 | 56892350 | 56892564 | 214 | 14 | hypo | 1.32E-05 | Unknown |
24 | chr7 | 1163439 | 1163659 | 220 | 13 | hypo | 1.42E-05 | C7orf50 |
25 | chr11 | 71725267 | 71725485 | 218 | 10 | hypo | 1.57E-05 | NUMA1 |
*DMR : 대조군 대비 메틸화 수준이 차별화 되어있는 영역(메틸화 가변 영역, differentially methylated region)
aq 값는 3개의 군(Control, MCI, AD)을 포함하는 본 발명을 위한 다중 가설 시험에 대한 P-값을 정정하기 위한 sliding linear model method를 사용하여 결정되었다.
bMCI 및 알츠하이머 군(표 1 및 2)에서 유의적인 DMR은 인지 기능과 상호관련되었으나 아직 알려지지 않은 관련된 유전자들을 포함한다
연번 | Chr | 시작( hg19 ) | 끝( hg19 ) | DMR 길이 | CpG의 수 | 메틸화 패턴 |
DMR
q값 a |
최근접 유전자(Nearest gene) |
26 | chr3 | 195489539 | 195489977 | 438 | 43 | hyper | 1.67E-21 | MUC4 |
27 | chr8 | 144360958 | 144361408 | 450 | 37 | hyper | 2.57E-19 | Unknown |
28 | chr1 | 146550096 | 146550428 | 332 | 16 | hyper | 5.73E-19 | Unknown |
29 | chr13 | 114965482 | 114965834 | 352 | 33 | hypo | 5.14E-17 | Unknown |
30 | chr1 | 146550610 | 146550907 | 297 | 20 | hyper | 7.65E-13 | Unknown |
31 | chr17 | 5402865 | 5403855 | 990 | 54 | hypo | 1.96E-12 | NLRP1 |
32 | chr1 | 146549841 | 146550019 | 178 | 15 | hyper | 5.08E-12 | Unknown |
33 | chr13 | 50194290 | 50194700 | 410 | 20 | hypo | 5.08E-12 | Unknown |
34 | chr3 | 109115303 | 109115515 | 212 | 19 | hyper | 5.08E-12 | Unknown |
35 | chr8 | 1365038 | 1365238 | 200 | 12 | hypo | 1.35E-08 | Unknown |
36 | chr7 | 16890746 | 16891086 | 340 | 25 | hypo | 1.54E-08 | Unknown |
37 | chr1 | 146550467 | 146550587 | 120 | 10 | hyper | 3.10E-08 | Unknown |
38 | chr9 | 124989568 | 124989758 | 190 | 17 | hypo | 1.03E-07 | LHX6 |
39 | chr9 | 132387696 | 132387849 | 153 | 10 | hypo | 1.89E-07 | NTMT1, C9orf50 |
40 | chr5 | 415510 | 415948 | 438 | 25 | hyper | 8.51E-07 | AHRR |
41 | chr17 | 2798033 | 2798156 | 123 | 6 | hypo | 1.36E-06 | RAP1GAP2 |
42 | chr9 | 124989338 | 124989542 | 204 | 9 | hypo | 2.51E-06 | LHX6 |
43 | chr12 | 124876432 | 124876652 | 220 | 11 | hypo | 9.05E-06 | NCOR2 |
44 | chr18 | 77723153 | 77723316 | 163 | 9 | hyper | 9.49E-06 | HSBP1L1 |
45 | chr1 | 146549498 | 146549618 | 120 | 6 | hyper | 1.04E-05 | Unknown |
46 | chr19 | 55477676 | 55477858 | 182 | 10 | hypo | 1.07E-05 | NLRP2,NLRP7 |
47 | chr17 | 2798176 | 2798366 | 190 | 10 | hypo | 1.29E-05 | RAP1,GAP2 |
48 | chr12 | 46005101 | 46005221 | 120 | 8 | hypo | 1.94E-05 | Unknown |
49 | chr10 | 1335993 | 1336125 | 132 | 3 | hypo | 4.03E-05 | ADARB2 |
50 | chr20 | 31045063 | 31045190 | 127 | 8 | hyper | 4.71E-05 | C20orf112 |
No. | Chr | 시작( hg19 ) | 끝( hg19 ) | DMR 길이 | CpG의 수 | 메틸화 패턴 |
DMR
q값 a |
최근접 유전자(Nearest gene) |
51 | chr19 | 846079 | 846273 | 194 | 13 | hypo | 1.57E-05 | ELANE |
52 | chr2 | 219246923 | 219247092 | 169 | 7 | hypo | 0.000325 | SLC11A1 |
53 | chr12 | 133706148 | 133706286 | 138 | 4 | hyper | 0.001324 | ZNF10 |
54 | chr7 | 138143996 | 138144113 | 117 | 5 | hypo | 0.00148 | TRIM24 |
55 | chr19 | 827670 | 827856 | 186 | 8 | hypo | 0.001976 | AZU1 |
56 | chr1 | 229695409 | 229695520 | 111 | 6 | hypo | 0.006477 | ABCB10 |
57 | chr19 | 48547303 | 48547511 | 208 | 4 | hypo | 0.006901 | CABP5 |
58 | chr1 | 153589553 | 153590457 | 904 | 10 | hypo | 0.013317 | S100A14,S100A16 |
59 | chr7 | 94953909 | 94954020 | 111 | 5 | hyper | 0.016527 | PON1 |
60 | chr16 | 50579070 | 50579222 | 152 | 3 | hypo | 0.024942 | NKD1 |
61 | chr19 | 55477676 | 55477858 | 182 | 10 | hypo | 1.07E-05 | NLRP7 |
62 | chr17 | 38974614 | 38974704 | 90 | 3 | hyper | 0.007324 | TMEM99 |
63 | chr3 | 89156168 | 89156331 | 163 | 3 | hypo | 0.01792 | EPHA3 |
64 | chr17 | 48585063 | 48585269 | 206 | 3 | hypo | 0.000518 | MYCBPAP |
65 | chr11 | 17755541 | 17755802 | 261 | 4 | hyper | 0.010192 | KCNC1 |
66 | chr1 | 203320121 | 203320217 | 96 | 3 | hyper | 0.015589 | FMOD |
67 | chr1 | 203320359 | 203320764 | 405 | 12 | hyper | 8.71E-08 | FMOD |
68 | chr12 | 7899903 | 7900123 | 220 | 4 | hyper | 0.00708 | CLEC4C |
69 | chr1 | 248524177 | 248524397 | 220 | 3 | hyper | 0.019824 | OR2T4 |
70 | chr12 | 133706148 | 133706286 | 138 | 4 | hyper | 0.013513 | ZNF268 |
71 | chr9 | 1049431 | 1049571 | 140 | 4 | hyper | 0.022904 | DMRT2 |
72 | chr1 | 53924146 | 53924255 | 109 | 3 | hyper | 0.02656 | DMRTB1 |
바람직한 일 예에서, 본 발명에 따른 알츠하이머성 치매 또는 경도인지장애의 진단용 조성물은 NLRP1, NTN1, ULK1, SF3A3, FLT4, YBEY, EBF3, TRPM4, TMEM121, HSPA12B, DTX1, LHX6, C7orf50, NUMA1, NLRP2, NLRP7, MUC4, NTMT1, C9orf50, AHRR, RAP1, NCOR2, HSBP1L1, ADARB2, C20orf112, ELANE, SLC11A1, ZNF10, TRIM24, AZU1, ABCB10, CABP5, S100A14, S100A16, PON1, NKD1, TMEM99, EPHA3, MYCBPAP, KCNC1, FMOD, CLEC4C, OR2T4, ZNF268, DMRT2 및 DMRTB1으로부터 선택되는 적어도 하나의 유전자 메틸화 수준을 측정하는 제제를 포함한다.
본 발명에서는 상기 인간 게놈 염색체 부위의 염기서열은 The February 2009 Human reference sequence(GRCh37/hg19)에 따라 표현하였지만, 상기 인간 게놈 염색체 부위의 구체적 서열은 게놈 서열 연구 결과가 업데이트됨에 따라서 그 표현이 다소 변경될 수 있으며, 이러한 변경에 따라 본 발명의 상기 인간 게놈 염색체 부위의 표현이 상이해질 수 있다. 따라서, 본 발명의 The February 2009 Human reference sequence(GRCh37/hg19)에 따라 표현된 인간 게놈 염색체 부위는 본 발명의 출원일 이후 인간 표준 염기서열(human reference sequence)이 업데이트되어 상기 인간 게놈 염색체 부위의 표현이 지금과 다르게 변경된다고 하여도, 본 발명의 범위가 상기 변경된 인간 게놈 염색체 부위에 미치게 됨은 자명하다고 할 것이다. 이러한 변경 내용은 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 누구라도 용이하게 알 수 있는 사항이다.
여기서, 상기 유전자들은 혈액으로부터 퇴행성 신경질환, 구체적으로 알츠하이머성 치매 및 이와 관련된 경도인지장애의 후생유전학적 진단을 위해 바이오 마커로 활용되는 유전자들이다.
여기서, 상기 유전자들은 알츠하이머성 치매 및 경도인지장애의 발병 위험도에 따라 정상 대조군에 비해 메틸화 수준이 높거나 낮을 수 있다. 구체적으로, 4번, 5번, 6번, 8번, 9번, 11번, 14번, 15번, 19번, 26번, 27번, 28번, 30번, 32번, 34번, 37번, 40번, 44번, 45번, 50번, 53번, 59번, 62번, 65번, 66번, 67번, 68번, 69번, 70번, 71번, 72번 유전자의 CpG 부위는 정상 대조군에 비해 메틸화 수준이 높고, 1번, 2번, 3번, 7번, 10번, 12번, 13번, 16번, 17번, 18번, 20번, 21번, 22번, 23번, 24번, 25번, 29번, 31번, 33번, 35번, 36번, 38번, 39번, 41번, 42번, 43번, 46번, 47번, 48번, 49번, 51번, 52번, 54번, 55번, 56번, 57번, 58번, 60번, 61번, 63번, 64번 유전자의 CpG 부위는 정상 대조군에 비해 메틸화 수준이 낮다.
본원에서 사용되는 용어 "메틸화(methylation)"는 DNA의 사이토신(cytosine) 잔기의 5번째 탄소에 메틸기가 첨가되는 것을 의미한다. 본 발명에서 용어, "메틸화(methylation)"는 DNA를 구성하는 염기에 메틸기가 부착되는 것을 말한다. 바람직하게, 본 발명에서 메틸화 여부는 특정 유전자의 특정 CpG 부위의 사이토신 잔기의 다섯 번째 탄소에서 일어나는 메틸화 여부를 의미한다. 메틸화가 일어난 경우 그로 인하여 전사인자의 결합이 방해를 받게 되어 특정 유전자의 발현이 억제되며, 반대로, 비메틸화 또는 저메틸화가 일어나는 경우 특정 유전자의 발현이 증가하게 된다.
포유동물 세포의 게놈 DNA 에는 A, C, G 및 T 에 더하여, 사이토신 링의 다섯 번째 탄소에 메틸 그룹이 부착된 5-메틸사이토신(5-methylcytosine, 5-mC)이라는 5번째 염기가 존재한다. 5-메틸사이토신의 메틸화는 CpG라고 불리는 CG 디뉴클레오티드(5'-mCG-3')의 C에서만 일어나고, CpG의 메틸화는 alu 또는 트랜스포존과 게놈의 반복서열이 발현되는 것을 억제한다. 또한, 상기 CpG의 5-mC가 자연적으로 탈아미노화하여 티민(T)이 되기 쉽기 때문에, CpG는 포유동물 세포에서 대부분의 후성유전학적 변화가 자주 일어나는 부위이다.
본 발명에서 사용되는 용어 "CpG 영역" 또는 "CpG 섬"은 CpG가 예외적으로 높은 빈도로 모여 있는 게놈 영역을 의미하며, C+G 함유량이 50%이상이고, CpG 비율이 3.75%이상인 평균 0.2 내지 3kb 길이의 부위를 의미한다.
CpG에서, C는 사이토신을, G는 구아닌을 나타내며 p는 사이토신과 구아닌과의 사이에 있는 포스포다이에스테르 결합을 의미한다.
인간 게놈에는 약 45,000개의 CpG 섬이 있으며, 이들 대부분이 유전자의 발현을 조절하는 프로모터 부위에서 발견되며, 실제로, CpG 섬은 인간 유전자의 약 50%에 달하는 하우스키핑(housekeeping) 유전자의 프로모터에서 발견된다.
정상인의 체세포에서, 상기 하우스키핑 유전자 프로모터 부위의 CpG 섬은 비메틸화되어 있으며, 임프린티드(imprinted) 유전자 및 비활성화 상태의 X 염색체 상의 유전자와 같이 발달과정 동안 발현되지 않는 유전자들은 메틸화되어 있다.
본 발명의 목적상 표 1, 표 2 및 표 3으로부터 선택되는 적어도 하나의 유전자의 CpG 영역 내의 메틸화 수준이 정상 대조군과 비교하여 상대적으로 과메틸화 또는 저메틸화되어 있을 경우, 알츠하이머성 치매 또는 경도인지장애가 발병되었거나 발병 가능성이 높다고 진단할 수 있다.
본 발명에서 용어, "메틸화 수준의 측정"은 상기 표 1 내지 표 3에 나타낸 1번 내지 72번 유전자의 CpG 부위의 메틸화 수준을 측정하는 것으로서, 메틸화 특이적인 PCR, 예를 들어 메틸화 특이적 PCR(methylation-specific polymerase chain reaction, MSP), 실시간 메틸화 특이적 PCR(real time methylation-specific polymerase chain reaction), 메틸화 DNA 특이적 결합 단백질을 이용한 PCR, 또는 정량 PCR 등을 통해 측정할 수 있다. 또는, 파이로시퀀싱 및 바이설파이트 시퀀싱과 같은 자동염기분석 등의 방법으로 측정할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
바람직하게, 상기 유전자의 CpG 부위란, 상기 유전자의 DNA 상에 존재하는 CpG 부위를 말한다. 상기 유전자의 DNA는, 상기 유전자가 발현하는데 필요하며 서로 작동가능하게 연결되어 있는 일련의 구성 단위를 모두 포함하는 개념으로, 예를 들어, 프로모터 영역, 단백질 코딩 영역(open reading frame, ORF) 및 터미네이터 영역을 포함한다. 따라서, 상기 표 1 내지 표 3에 나타난 1번 내지 72번 유전자의 CpG 부위는 해당 유전자의 프로모터 영역, 단백질 코딩 영역(open reading frame, ORF) 또는 터미네이터 영역 등에 존재할 수 있다. 바람직한 예로는, 상기 유전자의 프로모터 영역에 존재하는 CpG 부위일 수 있다.
예를 들어, 본 발명에서 1번 유전자(RAI1)의 CpG 부위의 메틸화 수준을 측정하는 것은, 17번 염색체의 17625608 내지 17626598 번째 염기 중에 나타나는 CpG 부위의 사이토신의 메틸화 수준을 측정하는 것을 의미할 수 있다.
본 발명에서, CpG 부위의 메틸화 수준을 측정하는 제제는 비메틸화 사이토신 염기를 변형시키는 화합물 또는 메틸화 민감성 제한효소, 유전자의 메틸화된 대립형질 서열에 특이적인 프라이머, 및 비메틸화된 대립형질 서열에 특이적인 프라이머를 포함할 수 있다.
상기 비메틸화 사이토신 염기를 변형시키는 화합물은 바이설파이트(bisulfite) 또는 이의 염일 수 있으나 이에 제한되지 않으며, 바람직하게는 소듐 바이설파이트일 수 있다. 이러한 바이설파이트를 이용하여 비메틸화 사이토신 잔기를 변형시켜 CpG 부위의 메틸화 여부를 검출하는 방법은 당 업계에 널리 공지되어 있다(WO01/26536; US2003/0148326A1).
또한, 상기 메틸화 민감성 제한효소는 CpG 부위의 메틸화를 특이적으로 검출할 수 있는 제한효소로서 제한효소의 인식부위로 CG를 함유하는 제한효소일 수 있다. 예를 들면, SmaI, SacII, EagI, HpaII, MspI, BssHII, BstUI, NotI 등이 있으며 이에 제한되지 않는다. 상기 제한효소 인식부위의 C에서의 메틸화 또는 비메틸화에 따라 제한효소에 의한 절단 여부가 달라지고 이를 PCR 또는 서던블롯(Southern Blot) 분석을 통해 검출할 수 있게 된다. 상기 제한효소 이외의 다른 메틸화 민감성 제한효소는 당 업계에 잘 알려져 있다.
본 발명에 따른 표 1 내지 표 3에 나타난 1번 내지 72번 유전자의 CpG 부위에서의 메틸화 수준을 측정하는 대표적인 방법으로, 환자의 생물학적 시료에서 게놈 DNA를 수득하고, 수득한 DNA에 메틸화되지 않은 사이토신 염기를 변형시키는 화합물 또는 메틸화 민감성 제한효소를 처리한 후, 상기 처리된 DNA를 프라이머를 이용하여 PCR에 의해 증폭시키고 그 증폭된 결과물의 존부를 확인하는 것을 통해 측정할 수 있다.
따라서, 본 발명의 제제는 1번 내지 72번 유전자의 메틸화된 대립형질 서열에 특이적인 프라이머 및 비메틸화된 대립형질 서열에 특이적인 프라이머를 포함할 수 있다. 본 발명에서, 용어 "프라이머"는 짧은 자유 3 말단 수산화기를 가지는 핵산 서열로 상보적인 템플레이트(template)와 염기쌍을 형성할 수 있고 템플레이트 가닥 복사를 위한 시작 지점으로 기능을 하는 짧은 핵산 서열을 의미한다. 프라이머는 적절한 완충용액 및 온도에서 중합반응(즉, DNA 중합효소 또는 역전사효소)을 위한 시약 및 상이한 4가지 뉴클레오사이드 트리포스페이트의 존재하에서 DNA 합성을 개시할 수 있다. 또한, 프라이머는, 7개 내지 50개의 뉴클레오타이드 서열을 가진 센스 및 안티센스 핵산으로서, DNA 합성의 개시점으로 작용하는 프라이머의 기본 성질을 변화시키지 않는 추가의 특징을 혼입할 수 있다.
본 발명의 프라이머는 메틸화 여부를 분석하는 대상이 되는 특정 CpG 부위의 서열에 따라 바람직하게 디자인될 수 있으며, 각각 메틸화되어 바이설파이트에 의해 변형되지 않았던 사이토신을 특이적으로 증폭할 수 있는 프라이머쌍, 및 메틸화되지 않아 바이설파이트에 의해 변형된 사이토신을 특이적으로 증폭할 수 있는 프라이머쌍일 수 있다.
상기 조성물 및 키트에는 상기 제제 이외에도, 중합효소, 아가로스, 전기영동에 필요한 완충용액 등이 추가로 포함될 수 있다.
또 하나의 양태로서, 본 발명에 따른 1번 내지 72번 유전자들로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 유전자의 CpG 부위에서의 메틸화 수준을 측정하여 퇴행성 신경질환, 바람직하게는 알츠하이머성 치매 또는 경도인지장애의 진단에 필요한 정보를 제공하는 방법에 관한 것이다.
일예로, 본 발명에 따른 방법은 하기와 같은 단계를 포함할 수 있다:
(a) 환자의 생물학적 시료로부터 DNA를 수득하는 단계;
(b) 상기 단계 (a)에서 수득된 DNA로부터 상기 표 1 내지 표 3의 1번 내지 72번 유전자로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 유전자의 CpG 부위의 메틸화 수준을 측정하는 단계; 및
(d) 상기 메틸화 수준을 대조군 시료의 유전자의 CpG 부위의 메틸화 수준과 비교하는 단계.
바람직하게, 상기 대조군 시료는 알츠하이머성 치매 및 경도인지장애를 앓지 않는 정상인의 시료일 수 있다.
또한, 상기 방법은, 환자의 시료에서 측정된 4번, 5번, 6번, 8번, 9번, 11번, 14번, 15번, 19번, 26번, 27번, 28번, 30번, 32번, 34번, 37번, 40번, 44번, 45번, 50번, 53번, 59번, 62번, 65번, 66번, 67번, 68번, 69번, 70번, 71번, 72번 유전자의 CpG 부위 메틸화 수준이 대조군 시료에서 측정된 메틸화 수준보다 높거나, 환자의 시료에서 측정된 1번, 2번, 3번, 7번, 10번, 12번, 13번, 16번, 17번, 18번, 20번, 21번, 22번, 23번, 24번, 25번, 29번, 31번, 33번, 35번, 36번, 38번, 39번, 41번, 42번, 43번, 46번, 47번, 48번, 49번, 51번, 52번, 54번, 55번, 56번, 57번, 58번, 60번, 61번, 63번, 64번 유전자의 CpG 부위 메틸화 수준이 대조군 시료에서 측정된 메틸화 수준보다 낮은 경우, 해당 환자가 알츠하이머성 치매 또는 경도인지장애를 가질 위험성이 있는 것으로 결정하는 단계를 더욱 포함할 수 있다.
본 발명에서 용어 "생물학적 시료"란 알츠하이머성 치매 및 경도인지장애 위험군 환자와 정상인 간에 1 내지 72번 유전자 중 어느 하나의 유전자의 메틸화 수준이 차이 나는 조직, 세포, 혈액(전혈, 혈청, 혈장을 포함), 체액(타액, 객담 또는 뇨)와 같은 시료 등을 포함하나, 이에 제한되지 않는다. 바람직하게는 혈액 또는 체액 시료일 수 있다.
먼저, 환자로부터 게놈 DNA를 수득하여 메틸화 수준을 측정하기 위하여, 게놈 DNA의 수득은 당 업계에서 통상적으로 사용되는 페놀/클로로포름 추출법, SDS 추출법(Tai et al., Plant Mol. Biol. Reporter, 8: 297-303, 1990), CTAB 분리법(Cetyl Trimethyl Ammonium Bromide; Murray et al., Nuc. Res., 4321-4325, 1980) 또는 상업적으로 판매되는 DNA 추출 키트를 이용하여 수행할 수 있다.
상기 단계 (b)의 유전자의 CpG 부위의 메틸화 수준을 측정하는 단계는, 비메틸화 사이토신 염기를 변형시키는 화합물 또는 메틸화 민감성 제한효소, 유전자 CpG 부위의 메틸화된 서열에 특이적인 프라이머, 및 비메틸화된 서열에 특이적인 프라이머를 이용하여 수행될 수 있다.
보다 상세하게는, 수득된 시료 내 게놈 DNA를 비메틸화 사이토신 염기를 변형시키는 화합물 또는 메틸화 민감성 제한효소로 처리하는 단계; 및
상기 처리된 DNA를 유전자 CpG 부위의 메틸화 부위를 증폭할 수 있는 프라이머를 이용하여 메틸화 특이적 중합효소반응(methylation-specific polymerase chain reaction), 실시간 메틸화 특이적 중합효소반응(real time methylation-specific polymerase chain reaction), 메틸화 DNA 특이적 결합 단백질을 이용한 PCR, 정량 PCR, 파이로시퀀싱 및 바이설파이트 시퀀싱으로 구성된 군에서 선택되는 하나 이상을 선택하여 메틸화 수준을 측정하는 단계에 의해 수행될 수 있다.
상기에서, 비메틸화 사이토신 염기를 변형시키는 화합물은 바이설파이트일 수 있으며, 바람직하게는 소듐 바이설파이트일 수 있다. 이러한 바이설파이트를 이용하여 비메틸화 사이토신 잔기를 변형시켜 유전자 메틸화 여부를 검출하는 방법은 당 업계에 널리 공지되어 있다.
또한, 상기 메틸화 민감성 제한효소는 위에서 설명한 바와 같이, 특정 CpG 부위의 메틸화를 특이적으로 검출할 수 있는 제한효소로서 제한효소의 인식부위로 CG를 함유하는 제한효소일 수 있으며, 예를 들면, SmaI, SacII, EagI, HpaII, MspI, BssHII, BstUI, NotI 등이 있으며, 이에 제한되지 않는다.
상기 프라이머는 위에서 설명한 바와 같이, 메틸화 여부를 분석하는 대상이 되는 특정 CpG 부위의 서열에 따라 바람직하게 디자인될 수 있으며, 각각 메틸화되어 바이설파이트에 의해 변형되지 않았던 사이토신을 특이적으로 증폭할 수 있는 프라이머쌍 및 메틸화되지 않아 바이설파이트에 의해 변형된 사이토신을 특이적으로 증폭할 수 있는 프라이머 쌍일 수 있다.
메틸화 수준의 측정은, 당 업계에 공지된 방법, 예를 들면 전기영동을 수행하여 원하는 위치의 밴드의 검출 여부에 따라서 수행될 수 있다. 예를 들면, 비메틸화 사이토신 잔기를 변형시키는 화합물을 사용한 경우 두 종류의 프라이머쌍, 즉 메틸화되어 바이설파이트에 의해 변형되지 않았던 사이토신을 특이적으로 증폭할 수 있는 프라이머쌍 및 메틸화되지 않아 바이설파이트에 의해 변형된 사이토신을 특이적으로 증폭할 수 있는 프라이머쌍에 의해 각각 증폭된 PCR 결과물의 존부에 따라 메틸화 정도를 판단할 수 있다. 바람직하게, 샘플 게놈 DNA를 바이설파이트로 처리하고, 해당 유전자의 CpG 부위를 PCR로 증폭하고, 증폭된 부위의 염기서열을 분석하는 바이설파이트 게놈 시퀀싱 방법을 사용하여 메틸화 여부를 판단할 수 있다.
또한, 제한효소를 이용한 경우에도 당 업계에 공지된 방법, 예를 들어 mock DNA에서 PCR 결과물이 나타난 상태에서, 제한효소로 처리된 DNA에서 PCR 결과물이 있는 경우는 유전자가 메틸화된 것으로 판단하고, 제한효소로 처리된 DNA에서 PCR 결과물이 없는 경우는 유전자가 비메틸화 한 것으로 판단하는 것에 따라 그 메틸화 여부를 판단할 수 있으며, 이는 당업자에게 자명하다. 상기에서 mock DNA란 시료에서 분리되고 아무런 처리를 하지 않은 상태의 시료 DNA를 의미한다.
이와 같은 방법에 따라, 환자의 시료 내 4번, 5번, 6번, 8번, 9번, 11번, 14번, 15번, 19번, 26번, 27번, 28번, 30번, 32번, 34번, 37번, 40번, 44번, 45번, 50번, 53번, 59번, 62번, 65번, 66번, 67번, 68번, 69번, 70번, 71번, 72번 유전자의 CpG 부위가 특이적으로 과메틸화되거나, 1번, 2번, 3번, 7번, 10번, 12번, 13번, 16번, 17번, 18번, 20번, 21번, 22번, 23번, 24번, 25번, 29번, 31번, 33번, 35번, 36번, 38번, 39번, 41번, 42번, 43번, 46번, 47번, 48번, 49번, 51번, 52번, 54번, 55번, 56번, 57번, 58번, 60번, 61번, 63번, 64번 유전자의 CpG 부위가 특이적으로 저메틸화 상태로 측정되는 경우, 알츠하이머성 치매 또는 경도인지장애에 대한 위험성이 있다고 예측할 수 있는 것이다.
따라서, 상기 본 발명에 따를 경우, 1번 내지 72번 유전자의 CpG의 메틸화 여부를 효과적으로 확인하여 알츠하이머성 치매 또는 경도인지장애에 대한 위험도를 용이하게 판단할 수 있다.
이하에서는 본 발명의 구체적인 실시예들을 제시한다. 다만, 하기에 기재된 실시예들은 본 발명을 구체적으로 예시하거나 설명하기 위한 것에 불과하며, 이들이 본 발명의 내용을 제한하는 것은 아니다.
<
실시예
1> 알츠하이머성 치매,
경도인지장애
, 동일-연령 정상군으로부터 DNA 순수 분리
신경정신과 전문의가 심층 인지기능검사와 신경심리검사를 통해 알츠하이머성 치매환자군, 경도인지장애군 및 동일-연령 정상 대조군을 분류하였다. 경도인지장애군은 Peterson 진단기준에 따랐으며(Arch. Neurol. (1999) 56:303-308), 알츠하이머성 치매환자군 분류는 NINCDS-ADRDA 가이드라인에 따랐으며(Neurology (1984) 34:939-944), 인지기능이 정상이고 우울증이 없는 동일-연령군을 정상 대조군으로 분류하였다. 임상 혈액시료는 공용 기관생명윤리위원회(e-IRB)의 연구심의(승인번호 P01-201510-31-004)를 득한 후에 적법하게 검사 동의서를 구득하고 채취하였다(아주대학교 의과대학 정신건강의학교실, 광주시 정신보건센터). 알츠하이머성 치매환자군, 경도인지장애군 및 동일-연령 정상대조군의 임상특징은 하기의 표 4에 기재하였다.
정상대조군 (n=21) |
MCI (n=20) |
AD (n=20) |
p-value | |
Age (years) | 73.1(5.5) | 74.8(5.5) | 80.0(6.4) | 0.001 |
Gender (female) | 20 (95.2) | 15 (75) | 12 (60) | 0.026 |
Education (years) | 5.9(3.6) | 7.0(4.3) | 5.4(4.8) | 0.496 |
K-MMSE | 27.4(1.9) | 24.0(3.6) | 17.9(4.5) | <0.001 |
CDR-SB | 0.1 (0.2) | 1.3 (1.0) | 4.0 (1.2) | <0.001 |
S-IADL | 1.3 (1.5) | 3.6 (3.6) | 18.2 (10.3) | <0.001 |
GDS-15 | 2.7 (3.4) | 3.2 (3.9) | 4.8 (3.3) | 0.147 |
Neuropsychological test (percentile) | ||||
Language: K-BNT (n=60) | 84.6 (12.6) | 49.2 (35.8) | 24.1 (23.1) | <0.001 |
Verbal memory: SVLT-delayed recall (n=60) | 88.0 (12.6) | 30.1 (27.0) | 11.6 (21.0) | <0.001 |
Visuospatial memory: RCFT-delayed recall (n=60) | 71.5 (23.6) | 25.6 (20.9) | 14.8 (23.9) | <0.001 |
Attention: Digit Span Test-backward (n=60) | 85.3 (18.3) | 72.2 (25.8) | 45.3 (34.1) | <0.001 |
Frontal lobe function: Stroop Test-color reading (n=50) | 53.9 (34.9) | 19.0 (19.4) | 13.2 (20.4) | <0.001 |
* Values are mean (SD) or n (%).
약어: CDR-SB = 임상 침해 척도-점수 총합(Clinical Dementia Rating-Sum of Boxes), GDS-15 = 15종 노인 우울 검사(15-item Geriatric Depression Scale), K-BNT = 한국형 보스톤 이름대기 검사(Korean Boston Naming Test), K-MMSE = 한국형 간이정신상태검사(Korean version of the Mini-Mental State Examination), NPI = 신경행동정신검사(Neuropsychiatric inventory), RCFT = 레이 복합도형검사(Rey Complex Figure Test), S-IADL = 서울-도구적 일상생활수행능력(Seoul-Instrumental Activity of Daily Living), SVLT = 서울 언어학습검사(Seoul Verbal Learning Test)
각 혈액시료는 K2EDTA 튜브에 채혈한 후 8시간 이내에 냉장 조건으로 연구실로 운반하였다. 대상군별 3개의 진공채혈관을 1,900 X g, 10분간 원심분리하고 혈장, 백혈구를 분리하였다. 게놈성 DNA는 QIAamp DNA Blood Mini 키트(퀴아젠, Cat.No 51106)를 제조사의 매뉴얼에 따라 추출하였다. 순수분리한 게놈성 DNA 농도는 Qubit 3.0(써모피셔, Cat.No Q33216)장비와 제조사가 권장하는 Qubit dsDNA HS assay 키트(써모피셔, Cat.No Q32854)를 사용하여 정량하였고 A260/A280 및 A260/A230 비율은 흡광광도계를 사용하여 측정하였다.
<
실시예
2>
타겟
바이설파이트
시퀀싱(Targeted
bisulfite
sequencing)
순수 분리한 게놈성 DNA(총 2 mcg)를 초점형 초음파분산기(Covaris, S2모델)로 평균 150 내지 200bp 길이로 단편화시킨 뒤, SureSelect Methyl-Seq Library Prep 키트(어질런트, Cat.No 5500-0129)를 사용하여 DNA 라이브러리를 제조하였다. 이 과정은 절단된 DNA 단편의 3'말단 아데닐화, 메틸화 어댑터 연결반응, AMPure XP 비드를 이용한 ligated DNA 순수분리과정을 포함한다. 타겟 농축과 바이설파이트 변형은 SureSelectXT Human Methyl-Seq 키트(어질런트 Cat.No 5190-4661)를 사용하여 다음과 같은 순서로 수행하였다: 라이브러리 혼성화, 스트렙트아비딘 비드를 이용한 하이브리드 캡쳐, 캡쳐된 DNA의 바이설파이트 변형(자이모리서치, EZ DNA Methylation-Gold 키트, Cat.No D5005), 라이브러리 증폭, AMPure XP 비드를 이용한 순수분리, 그리고 변형된 라이브러리의 인덱싱, 풀링.
DNA 클러스터는 HiSeq Rapid PE Cluster 키트 v2(일루미나, Cat.No PE-402-4002)와 HiSeq Rapid SBS 키트 v2(일루미나, Cat.No FC-402-4021)를 사용하여 제조한 후 HiSeq2500 차세대염기서열분석기(일루미나, Cat.No SY-401-2501)를 이용하여 바이설파이트 염기서열 분석을 수행하였다. 이를 통해 혈액 게놈성 DNA의 8,400만 염기, 총 370만개 CpG 부위를 타겟하여 그 메틸화 수준을 분석하였다.
<
실시예
3>
타겟
바이설파이트
시퀀싱 데이터로부터 메틸화된
CpG
부위 확인
시퀀싱된 서열들로부터 타겟 영역 CpG 부위에서의 메틸화 수준을 분석하기 위하여 우선, 잘못된 염기 정보를 가질 수 있는 가능성을 가진 서열의 Quality Score(Q score)를 확인하기 위하여 생산된 시퀀싱 데이터에 대한 QC를 진행하였다. 시퀀싱된 서열들을 표준 인체게놈 DNA(GRCh37/hg19)와 대조(alignment)하는 과정에서 부정확한 결과를 산출할 가능성 있는 low quality 염기 정보를 가지고 있는 데이터에 대해서는 다음과 같은 조건으로 필터링 하였다. 첫째, 시퀀싱 데이터 3' 말단의 low quality 10bp 제거. 둘째, N의 비율이 10% 이상인 시퀀싱 데이터 제거. 셋째, 평균 Quality Score가 20이하인 데이터 제거. 넷째, Quality Score 값이 2이하인 염기 비율이 5% 이상인 데이터 제거. 염기서열 Quality Score는 시퀀싱된 염기서열들의 각 base position당 정확도로 다음과 같은 수학식 1로 계산하였다.
[수학식 1]
P(Error)=10-Qscore/10
그리고 전처리 과정이 완료된 시퀀싱 데이터들은 Bismark 0.9.1 메틸화 데이터 분석 파이프라인을 사용하여 참조서열인 hg19 게놈서열에 alignment를 진행하였다. 이후 라이브러리 증폭 PCR 과정 중 발생할 수 있는 중복(duplication) 데이터들을 제거하고 Bismark 패키지 내의 C 염기 calling 모듈을 사용하여 CpG 부위별 메틸화 수준이 계산된 Cytosine CG list를 생성하였다(도 1 참조).
<
실시예
4> 알츠하이머성 치매(AD) 및
경도인지장애(MCI)에
특이적인
DMR
규명
분석 대조군 대비 메틸화 수준이 차별화 되어있는 영역(Differentially methylated region, DMR)을 규명하기 위하여 분석시료간의 CpG 메틸화 수준을 Pearson correlation으로 계산하고 다음과 같은 선정 기준을 충족하는 영역을 DMR 후보군으로 분류하였다. 첫째, 분석시료간 공통적으로 메틸화된 CpG(도 2, CG로 표현)부위들을 추출할 때 depth가 5이상일 것. 둘째, 해당 CpG 부위에서 메틸화된 C염기 비율이 60% 이상일 것. 셋째, 분석 대조군(동일-연령 정상군) 대비 비교군(MCI군 또는 AD군) 간에 평균 메틸화 수준 차이가 10% 이상일 것. 선별된 DMR의 임상적 의의는 윌콕슨 순위-합 검정을 통해 확인하였으며, P-value가 0.01 이하이고 fold change가 1.5 이상이며, false discovery rate(FDR)의 P-value가 0.05 이하일 때 유의미한 경우로 판정하였다. 상기와 같이 AD 및 MCI 특이적인 DMR들을 선별하는 알고리즘을 도 2와 같이 요약할 수 있다.
상기와 같이 calling 알고리즘을 통해 선별된 DMRs 중에서 MCI 그리고/또는 AD에 특이적인 DMR들은 표1, 2와 같다. 이들은 인체에서 알려진 370만개 CpG 부위 중, 동일-연령 정상 대조군 대비 MCI 및 AD환자군 혈액에서 특이적인 메틸화 수준의 변화가 확인된 DMR이다. 표 3은 MCI 및 AD환자군에서 특이적인 DNA 메틸화 수준의 변화가 검출된 DMRs 중에서 미토콘드리아 내막 이온 항상성 유지, 칼슘 신호전달경로, 시냅스 신호전달 관련 DMR 일부를 예시로 나타내었다.
<
실시예
5> AD 및 MCI 특이적인
DMRs
클러스터링 분석
상기와 같이 동일-연령 정상 대조군 대비 AD군 및 MCI군에 특이적인 DMR들을 선별한 후, 피어슨 상관계수(Pearson correlation coefficient)로 DMR들의 CpG 메틸화 수준 유사도를 평가함으로써 메틸화 수준에 따라 DMR들을 클러스터링하였다. 이에 따라 비슷한 메틸화 수준을 갖는 DMR들은 클러스터링 heatmap에서 근접하게 위치하도록 시각화되어 나타난다. 클러스터링 분석을 위한 DMR들은 유전자 전사과정의 후생유전학 조절기전(DNA 메틸화)을 분명하게 확인하고자 UP1KTSS(전사개시부위로부터 5'upstream 방향 1,000bp 영역)와 5'-UTR(untranslated region) 영역의 CpG 부위들만 선별하여 비교분석하였다. 이와 같은 hierarchical clustering heatmap 분석의 대표적인 예시를 나타내면, 32개의 상염색체 DMR들로서 동일-연령 대조군 대비 경도인지장애군에 특이적인 32개 상염색체 DMR들이 클러스터링 분석된 경우를 제시할 수 있으며, 기능주석 분석을 통해 미토콘드리아 이온 항상성 기전에 관여하는 것으로 확인되었다(도 3 참조).
<
실시예
6> 유전자 기능주석(functional annotation) 분석
MCI군 또는 AD군에 특이적인 DMR들을 유전자의 기능적 범주에서 평가하고 상관관계를 통계적으로 분석하고자 DAVID Bioinformatics Resources 6.7(NIAID/NIH, https://david.ncifcrf.gov/)을 활용하였다. 우선, 분석대상 DMR들의 기능적 상관성을 Kappa 통계로 분석하고, 이들을 유전자 기능별로 분류하고 텍스트로 시각화하는 과정을 수행하였다. 기능주석된 DMR들의 중요도는 변형된 Fischer Exact score인 P-value로 평가하며 0.05 이하의 값일 때 해당 카테고리에서 기능적으로 enriched되어 있는 것으로 판단하였다. 유전자 온톨로지(Gene ontology, GO) 분석은 Gene Ontology Consortium(http://geneontology.org/)의 웹-기반 서비스를 활용하여 세포 구성(CC), 분자기능(MF), 생물학적 과정(BP)의 3가지 도메인으로 계층분류하였다. 칼슘 신호전달 관련한 티로신 수용체 단백질 키나제 경로로 GO term이 enriched된 DMR 리스트를 표 5에 나타내었으며, 이들의 상호작용 분석결과는 도 4와 같다.
유전자 기호 | DB/resource category |
Enriched terms associated with gene cluster | P-Value |
NLRP7
EPHA3 RIPK4 CERK SLC17A4 CLEC4C TMEM99 SLC46A1 SLCO2A1 S100A16 S100A14 NKD1 CABP5 CCR2 GNA14 LDHB SLC11A1 |
INTERPRO | EF-HAND 1 | 8.80E-04 |
INTERPRO | EF-Hand type | 1.10E-03 | |
SP_PIR_KEYWORDS | calcium | 3.70E-03 | |
UP_SEQ_FEATURE | domain:EF-hand 1 | 9.90E-03 | |
INTERPRO | EF-HAND 2 | 1.60E-02 | |
GOTERM_MF_FAT | calcium ion binding | 1.80E-02 | |
GOTERM_BP_FAT | carboxylic acid transport | 8.50E-03 | |
GOTERM_BP_FAT | organic acid transport | 8.60E-03 | |
GOTERM_CC_FAT | cell fraction | 1.50E-02 | |
GOTERM_CC_FAT | membrane fraction | 1.70E-01 | |
GOTERM_CC_FAT | insoluble fraction | 1.80E-01 | |
GOTERM_CC_FAT | plasma membrane part | 9.30E-03 | |
SP_PIR_KEYWORDS | membrane | 1.30E-02 | |
|
GOTERM_BP_FAT | defense response | 1.90E-02 |
GOTERM_CC_FAT | integral to plasma membrane | 2.00E-02 | |
GOTERM_BP_FAT | receptor tyrosine kinase activity | 2.20E-02 | |
GOTERM_BP_FAT | membrane receptor kinase activity | 3.60E-02 | |
GOTERM_BP_FAT | inflammatory response | 3.80E-02 | |
SP_PIR_KEYWORDS | nucleotide-binding | 4.60E-02 | |
GOTERM_CC_FAT | extrinsic to membrane | 7.60E-02 |
이상, 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.
Claims (12)
- 제1항에 있어서, 상기 유전자 프로모터의 CpG 부위의 메틸화 수준을 측정하는 제제는,
비메틸화 사이토신 염기를 변형시키는 화합물;
상기 유전자 프로모터의 CpG 부위의 메틸화된 서열에 특이적인 프라이머; 및
비메틸화된 서열에 특이적인 프라이머를 포함하는 것인 조성물.
- 제2항에 있어서, 상기 비메틸화 사이토신 염기를 변형시키는 화합물은 바이설파이트(bisulfite) 또는 이의 염인 조성물.
- 삭제
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항의 조성물을 포함하는 알츠하이머성 치매 또는 경도인지장애 진단용 키트.
- 제6항에 있어서, 상기 유전자의 CpG 부위의 메틸화 수준의 측정 단계는,
수득된 시료 내 게놈 DNA를 비메틸화 사이토신 염기를 변형시키는 화합물로 처리하는 단계; 및
상기 처리된 DNA를 유전자 CpG 부위의 메틸화 부위를 증폭할 수 있는 프라이머를 이용하여 메틸화 특이적 중합효소반응(methylation-specific polymerase chain reaction), 실시간 메틸화 특이적 중합효소반응(real time methylation-specific polymerase chain reaction), 메틸화 DNA 특이적 결합 단백질을 이용한 PCR, 정량 PCR, 파이로시퀀싱 및 바이설파이트 시퀀싱으로 구성된 군에서 선택되는 하나 이상을 선택하여 메틸화 수준을 측정하는 단계를 포함하는 방법.
- 제6항에 있어서, 환자의 시료에서 측정된 4번, 5번, 6번, 8번, 9번, 11번, 14번, 15번, 19번, 26번, 27번, 28번, 30번, 32번, 34번, 37번, 40번, 44번, 45번, 50번, 53번, 59번, 62번, 65번, 66번, 67번, 68번, 69번, 70번, 71번, 72번 유전자의 CpG 부위 메틸화 수준이 대조군 시료에서 측정된 메틸화 수준보다 높은 경우, 해당 환자가 퇴행성 신경질환을 가질 위험성이 있는 것으로 결정하는 것인, 방법.
- 제6항에 있어서, 환자의 시료에서 측정된 1번, 2번, 3번, 7번, 10번, 12번, 13번, 16번, 17번, 18번, 20번, 21번, 22번, 23번, 24번, 25번, 29번, 31번, 33번, 35번, 36번, 38번, 39번, 41번, 42번, 43번, 46번, 47번, 48번, 49번, 51번, 52번, 54번, 55번, 56번, 57번, 58번, 60번, 61번, 63번, 64번 유전자의 CpG 부위 메틸화 수준이 대조군 시료에서 측정된 메틸화 수준보다 낮은 경우, 해당 환자가 퇴행성 신경질환을 가질 위험성이 있는 것으로 결정하는 것인, 방법.
- 제7항에 있어서, 상기 비메틸화 사이토신 염기를 변형시키는 화합물은 바이설파이트(bisulfite) 또는 이의 염인 방법.
- 삭제
- 제7항에 있어서, 상기 생물학적 시료는 조직, 세포, 혈액, 또는 체액인 것인, 방법.
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