NGS 결과의 임상 적용: Genotype-phenotype correlation

최근에 병원의 의료 현장에서 NGS 타겟 시퀀싱 패널을 이용하면서 다양한 유전자들을 동시에 검사하는 건수가 폭발적으로 증가하고 있습니다. 다만 안타깝게도 많은 경우에 실제로 그 유전체 정보와 데이터를 충분히 활용하지 못하고 있음을 많이 느낍니다. 즉, 돈을 들여서 구축된 파이프 라인을 통해서 유전체 데이터 생산은 되는데, 이후에 변이들에 대한 적절한 해석을 하고, 환자에 적용하는데 까지는 아직 더 경험이 필요한 것 같습니다. 그래서 이번 글에서는 매우 중요한 개념인 유전형-표현형 일치 (Genotype-Phenotype correlation; G-P correlation)에 대한 포스팅을 남기고자 합니다.

관련 포스팅 보기>

NGS 검사: Whole Genome & Exome, Targeted Sequencing 비교

임상의를 위한 NGS 레포트 해석의 이해

 

I. Genotype-Phenotype correlation 의 개념

NGS 검사를 직접 해보면, 환자 한명에서도 엄청나게 많은 수의 변이들이 쏟아져 나옵니다. 여러가지 컴퓨터 예측 알고리즘이나 기존에 보고되어 구축된 유전체 데이터 베이스를 통해, 해당 변이가 실제로 질병을 일으키는 변이인지에 대해서 확인을 하고, 해당 결과가 NGS 검사 결과 보고서를 통해서 임상 의사에게 보고됩니다. 그러나, 이때 보고서의 다양한 변이 리스트를 보고, 실제로 환자에서 질병을 일으키는 유전자 이상이 무엇인지를 판단하는 것은 의사의 몫입니다.

이때 가장 중요한 것은 환자가 나타내는 임상 양상이 실제로 해당 유전자의 이상으로 발생하는 임상 양상과 일치하는가? 입니다. 나의 환자가 NGS 검사를 통해 확인된 유전형(Genotype)으로 인해 특정 유전자의 이상이 의심되고, 해당 유전자의 이상으로 알려진 질병 또는 임상 양상이 실제 나의 환자에서 나타나는 임상 양상(표현형, phenotype)과 일치하는가를 판단하는 전반적인 과정이 바로 G-P correlation이 되겠습니다. 원래는 해당 질병의 전문가가 종합적으로 판단하여야 하는데, 임상 유전학자들의 수는 매우 제한적이기 때문에, 환자의 주치의도 이러한 판단을 할 수 있어야 하기 때문에, 기본적인 유전학적 지식이 필수로 요구됩니다.

 

II. Genotype-Phenotype correlation의 접근 과정

NGS 검사를 통해 환자의 다양한 변이 정보를 얻었고, 임상 증상과 의심되는 질병도 있습니다. 이때 진단을 위한 마지막 퍼즐을 풀 차례입니다. 제일 먼저 할 과정은 환자에서 검출된 병적 변이에 의해서 실제로 보고된 임상 양상과 질병이 무엇인가를 확인하는 것입니다. 다양한 데이터 베이스가 있으나, 가장 광범위하고 무난하게 활용할 수 있는 곳은 아래의 두곳입니다. 아래 사이트에서 가장 먼저 확인해야할 것은 유전 양식(AD, AR, XLD, XLR 등등)과 질병을 일으킨 것으로 알려진 병적 변이에 대한 정보 입니다.

• Online Mendelian Inheritance in Men (OMIM) : 사람의 유전질환들에 대한 다양한 데이터를 제공하기 위해 만들어졌습니다. 유전 양상과 대표적인 케이스 논문들에 대해서 바로 링크를 제공하기 때문에 유용합니다.
• Gene Reviews : 좀 더 다양한 임상 양상들에 대해서 유전자 단위로 좀 더 상세하고 종합적으로 서술되어 있어, 배경 지식을 얻는데 더 좋습니다.

위의 사이트에서 우리 환자에서 검출된 유전자로 검색을 해서, 실제로 어떤 질병과 임상 양상이 보고되었었는가를 확인합니다. 또한 해당 유전자가 나타내는 임상 양상의 특징이 무엇인지를 파악해야합니다.

 

III. Genotype-Phenotype correlation이 안될 경우의 해석법

위와 같은 과정을 여러번 거치다 보면 다양한 상황에 마주하게 됩니다. 실제 병적 변이도 확인하고, 임상 양상도 잘 일치해서 환자를 진단하면 가장 좋겠지만, 여전히 모호한 경우를 많이 마주하게 됩니다.

• 유전 양식이 잘 일치하는가? : 환자에서 변이가 homozygote 인지, heterozygote인지 그리고 알려진 질병 발생이 상염색체 우성 (AD)인지 상염색체 열성(AR)인지 잘 살펴본다. AR로 알려진 질병은 경우에 따라서 Compound heterozygote의 가능성도 있으므로, 추가적으로 다른 변이도 검출되지 않았은지 따져 본다.

> [유전학 중요개념 정리] Compound Heterozygote

• 임상 양상과 해당 유전자가 의심되지만, 환자에서 검출된 변이가 실제로 병적 변이인지 모호한 경우: 1) 변이 빈도를 확인한다. : 인구 집단에서 흔한 변이이면 크게 의미가 없다. > 매우 드물거나 보고된 적이 없는 변이의 경우, 2) 환자의 부모에서 해당 변이 존재 유무를 확인하는 가족 검사를 실시한다. 만약 부모도 같은 변이를 가지고 있고 정상이라면, 질병과 관계가 없을 가능성이 높다. 그러나 일부는 투과도 (Penetrance)가 100%가 아니기 때문에 항상 그런 것은 아니다. 3) 관련 논문을 검색한다. > 논문을 잘 찾아보면 최소한의 실마리를 얻을 수 있다.

 

Genotype-Phenotype correlation 과정 자칫 환자를 잘못 진단하는 결과를 일으킬 수 있기때문에 매우 중요한 과정입니다. 그러나 이러한 과정을 통해 NGS 검사 결과를 적절히 해석하고 임상 진료에 활용하는 의사는 매우 제한적입니다. 임상 진료 현장에서 많은 의사들이 이러한 유전체 데이터를 활용하여 환자들을 적절히 진단하고 치료 하기를 소망합니다. 위에서 언급한 것 외에도 다양한 접근법이 있을 수 있으나, 분량이 너무 길어지기 때문에 이번 포스팅은 여기서 마무리하도록 하겠습니다.

광고

[유전학 중요개념 정리] Compound Heterozygote

최근 NGS 데이터를 필터링하다보니, 의학 유전학에서 매우 중요한 개념인 것 같아서 정리하는 포스팅을 남깁니다. “Compound Heterozygote (복합 이형접합자)“란 무엇이며, NGS 데이터를 분석할 때 왜 중요한가?

보통 멘델의 유전 법칙에 의하면, 유전 질환은 Autosomal Dominant (AD; 우성 유전) 또는 Autosomal Recessive (AR; 열성 유전) 방식을 따릅니다. 그 외에도 대표적으로 X-linked Dominant (XLD) 또는 Recessive (XLR) 방식의 성염색체 연관 유전 또는 모계 유전 방식의 Mitochondrial inheritance 등이 있습니다. 그리고 그 유전 방식을 따질 때는 보통 어느 한 지역 (loci)의 형질을 비교하여, 동형접합 (Homozygote)인지 또는 이형접합 (Heterozygote)인지를 따지게 됩니다.

그림의 심혈관 질환 발생 모형 처럼, 많은 경우의 질병 발생은 유전자 이외에도 다양한 요인들이 함께 작용하여 나타나게 됩니다.

그러나, Compound heterozygote의 경우에는 변이의 위치가 동일하지 않더라도, 한 유전자 내에서 서로 다른 변이가 존재할 경우에도 질병 발현을 하게 됩니다. 이 개념은 아래 그림을 보면 이해하기가 쉽습니다. 복합 이형접합은 아래 그림과 같이 cis-와 trans- 2가지 방식이 존재합니다.  질병에서 Compound heterozygote가 나타나는 이유는 대부분의 질병 발생이 하나의 유전적 위치의 이상에 의해 단순히 나타나는 경우가 매우 드물기 때문입니다.

NGS 데이터를 통해 변이를 분석할 경우에, 유전자 단위로 복합적으로 질병이 생긴 경우 (Compound Heterozygote)도 함께 고려하여 분석을 해주어야 합니다.

특히, NGS 데이터를 통해 새로운 질병 관련 변이를 발굴하는 연구의 경우에는 다양한 유전 방식을 가정하여, 가능한 경우의 수로 나눠서 variant를 필터링하고 분석하게 되는데, 이때 관심이 되는 질병이 Compound heterozygote인 경우도 가정에 포함하여 분석할 필요가 있겠습니다.

마지막으로 대표적인 예 몇가지를 살펴보고 포스팅을 마치도록 하겠습니다. 아래의 표는 Hypertrophic Cardiomyopathy (비후성 심근증) 발생에 대해 Compound heterozygote로 발생한 경우를 정리한 표입니다. 같은 유전자 (Gene 1, 2) 내에 서로 다른 2개의 missense variant가 있는 것을 볼 수가 있습니다. 이렇듯 많은 경우, 질병 발생은 단순히 1개의 변이가 아니라 다양한 유전자와 요인 간의 상호 작용을 고려해야하기 때문에 분석이 쉽지 않습니다.

[복합 이형접합으로 비후성 심근증 발생을 보고한 경우를 정리한 표]

[참고 문헌]

Kelly, Matthew, and Christopher Semsarian. “Multiple mutations in genetic cardiovascular disease.” Circulation: Cardiovascular Genetics 2.2 (2009): 182-190.