DNA 손상 복구 기전과 타겟 치료 항암제

지난번 포스팅에서는 de novo mutation의 발생과 의의에 대해서 정리하였습니다. 관련 연구를 진행하다보니, 조금 더 근본적으로 de novo mutation을 발생시키는 DNA의 손상과 복구 기전에 대한 깊은 이해가 필요함을 느꼈습니다. (공부는 끝이 없습니다.) 사실 DNA 복구 기전의 문제는 많은 질환과 관련이 있는데, 대표적으로 암은 이러한 DNA 복구에 문제가 있는 것으로 잘 알려진 질환입니다. 그래서 DNA 손상과 복구에 대한 대부분의 연구는 암을 중심으로 이루어져 왔습니다. 그렇지만 암 이외에도 많은 유전 질환 또한 DNA 복구 문제와 연관성이 보고되고 있습니다. 그래서 이번 포스팅은 DNA가 손상되었을 때 이를 복구하는 여러가지 방법과 관련 단백을 정리하고, 암종의 맞춤 치료에 대한 의의에 대해 정리해보고자 합니다.

 

DNA 손상의 종류

생명체의 중요한 유전 정보를 지니고 있는 DNA는 이중 가닥으로 이루어져 있기 때문에, 손상의 종류에 따라서 복구되는 기전도 차이가 나게 됩니다. DNA의 손상은 DNA 복제 과정의 에러와 같은 세포의 내인적 요인과 외부의 환경적 요인에 노출되면서 발생하는 다양한 손상 (Environmental mutagen) 등이 복합적으로 작용하여 일어나게 됩니다. 이때, 가닥의 한쪽만 손상 (Single-strand break; SSB)이 이루어진 경우는 상보적인 반대쪽 가닥의 정보를 이용하여 복구를 할 수 있지만, 양쪽 가닥이 모두 손상 (Double-strand break; DSB)된 경우는 인접한 상동 염색체의 정보를 이용하여야 복구가 가능해집니다. 이외에도 이전에 정리했던 Chromothripsis나 Kataegis와 같은 event가 발생하면, 훨씬 더 복잡한 패턴의 대규모의 손상이 발생할 수 있습니다.

 

DNA 복구 기전과 관련된 주요 분자

아래 그림은 DNA의 손상을 복구하는 여러 기전과 관련 분자들을 정리하여 보여주고 있습니다. 암 유전학에서 재미있는 것은 이러한 손상 복구 기전과 연관된 분자들 중 어떠한 것에 문제가 있는가에 따라서 질환의 경과나 치료제의 반응 정도 등에 차이가 난다는 점입니다. 사실 암과 관련된 맞춤 치료 및 표적 치료제 (Targeted agent)도 이러한 개념에 근거하여, 관련 암종의 분자 프로파일 (molecular profile)을 작성하고 최적의 치료 옵션을 찾는데에 있습니다.

• Base excision repair: DNA의 산화적 손상 (ROS)을 복구하는 가장 기본적인 기전으로, 손상된 염기를 잘라내고 다시 복구합니다.
• Nucleotide excision repair (NER): 여러 개의 base로 이루어진 조금 더 큰 nucleotide 단위의 손상을 복구하는 기전으로, UV, Tobacco, ROS, Radiation과 같은 다양한 환경적인 mutagen에 대응하는 복구 기전입니다.
• Mismatch mediated repair (MMR): DNA 복제 과정에서 필연적으로 발생하는 replication error에 대한 복구 기전으로, 잘못 복제된 DNA를 교정해줍니다. 이러한 기전에 문제가 있는 경우, Lynch syndrome 또는 HNPCC (Hereditary nonpolyposis colorectal cancer)라고 하는 가족성 암 증후군을 일으키는 것으로 잘 알려져 있습니다.
• DNA double-strand break repair: 이중 가닥 손상에 대해서는 다양한 복구 기전이 존재하는데, 크게 NHEJ (Non-homologous end joining)와 HDR (Homology directed repair) 기전이 존재합니다. 간단히 정리하면 NHEJ는 손상된 부분을 그냥 연결해주는 방식이고, 그렇기 때문에 INDEL이 발생하게 됩니다. 유전자 가위인 CRISPR-Cas9 이 이러한 방식으로 INDEL을 유도하게 됩니다. 반대로, HDR은 인접한 상동 염색체의 동일 부분의 유전 정보를 활용하여 복구하는 기전으로, BRCA1/2 또는 FANC family가 주요한 역할을 하는데, 안젤리나 졸리의 예방적 유방 절제술로 유명해진 유전성 유방 난소암 증후군 (Hereditary Breast Ovarian Cancer; HBOC)이나 판코니 빈혈 (Fanconi Anemia)이 이러한 분자의 문제로 발생하는 것이 잘 알려져 있습니다.

 

DNA 복구 기전 문제와 암종의 타겟 맞춤 치료

DNA 손상을 제대로 복구하지 못하여 발생한 암은 문제가 있는 기전에 따라서, 타겟 치료제에 대한 반응성도 달라지게 됩니다. 아래 그림은 이러한 기전과 타겟 치료제의 관계를 보여주고 있습니다. 가장 대표적으로 Homolgy directed repair (HDR)에 문제가 있어서 발생한 암종들은 Platinum 계열의 항암제와 PARP inhibitor에 잘 듣는 것으로 알려져 있고, Mismatch repair (MMR)에 문제가 있는 암종들은 면역 항암제 (Immune Checkpoint Inhibitor)에 대한 반응성이 좋은 것으로 보고 되고 있습니다. 이러한 분자 기전과 연관된 분자에 따라서, 환자의 반응성을 예측하고 치료 옵션을 수립하는 것이 환자별 맞춤 치료와 정밀 의료의 방향성으로 제시되고 있습니다.

 

관련 포스팅 보기>

[유전학 중요개념 정리] De novo mutation의 발생 기전과 질병 발생학적 의의

[유전학 중요개념 정리] Complex DNA rearrangement: Chromothripsis, Chromoanasynthesis, and Chromoplexy

닥터 프리즈너 속 헌팅턴병의 유전학: 삼염기 반복 질환과 Anticipation

면역 항암제, Immune checkpoint inhibitor의 원리 및 종류

 

[References]

Jalal, Shadia, Jennifer N. Earley, and John J. Turchi. “DNA repair: from genome maintenance to biomarker and therapeutic target.” Clinical cancer research 17.22 (2011): 6973-6984.

Morgan, Meredith A., and Theodore S. Lawrence. “Molecular pathways: overcoming radiation resistance by targeting DNA damage response pathways.” Clinical Cancer Research 21.13 (2015): 2898-2904.

Corcoran, Niall M., et al. “Molecular pathways: Targeting DNA repair pathway defects enriched in metastasis.” Clinical Cancer Research 22.13 (2016): 3132-3137.

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[유전학 중요개념 정리] De novo mutation의 발생 기전과 질병 발생학적 의의

De novo mutation (DNM; Of new의 라틴어 표기)은 양쪽 부모로부터 물려 받은 inherited variant와 달리, 글자 그대로 proband에서 새롭게 나타난 변이를 일컫습니다. 따라서, 환자에서 검출된 DNM은 질병의 원인일 가능성이 높습니다. 이러한 이유 때문에, 변이 판독을 위한 ACMG guideline에서도 DNM 여부를 Pathogenicity의 Strong Evidence 중 하나인 PS2 (De novo, both maternity and paternity confirmed, in a patient with the disease and no family history) criteria에 포함시키고 있습니다.

이전에 변이 판독을 위한 기초적인 포스팅에서 DNM에 대해서 간단히 언급한 적이 있는데, 이번 포스팅에서는 DNM의 발생 과정과 질병 발생에서의 의의에 대해서 Reference 논문들의 내용을 중심으로 정리해 보고자 합니다.

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[유전학 중요개념 정리] Germline vs. Somatic mutation

임상의를 위한 NGS 레포트 해석의 이해

NGS 결과의 임상 적용: Genotype-phenotype correlation

 

I. De novo mutation의 발생 기전

DNM은 아래와 같은 크게 3가지 과정에서 발생할 수 있습니다. 수정란이 1개의 세포로부터 Germline isolation이 일어나는 것은 10여개의 세포로 분열한 이후 입니다. 해당 과정은 매우 빠르게 일어나며, 일반 세포분열보다 2배 정도 빠르게 일어나고, 그 과정에서 mutation도 빠르게 발생합니다. 따라서, 1) 부모의 Germline이 구축되기 전, mutation이 발생 (Parental postzygotic mutation)하면 발생한 Mutation은 부모의 체내에서 Mosaicism으로 존재하게 됩니다. 이 경우, 부모에서 Mosaic로 존재하는 mutation이 아이에서 DNM처럼 검출될 수 있습니다. 2) 부모의 생식 세포 (Germline 구축 이후)에 mutation이 발생 (Germline mutation)하면, 아이에게 그대로 전달이 되며, 대부분의 DNM (~89%)은 이러한 과정으로 발생합니다. 부모의 나이가 많아질수록, 생식세포에 축적되는 mutation도 많아지기 때문에, 일반적으로 DNM의 개수도 증가하게 됩니다. 마지막으로 부모의 생식 세포에 mutation이 없더라도, 3) 아이의 수정란이 분열하는 과정에서 DNM이 발생 (Postzygotic mutation)할 수 있습니다.

 

II. De novo mutation의 검출 방법

DNM을 검출하기 위해서는 환자 외에도 양쪽 부모의 유전체 정보를 모두 알아야합니다. (Trio-family sequencing) 따라서 비용적인 측면에서도 환자 1명을 시퀀싱할때보다 산술적으로 3배더 필요하게 됩니다. 환자와 양쪽 부모를 모두 시퀀싱 한 후에, 실제 시퀀싱 데이터에서 DNM을 call하는 것도 쉽지만은 않은데, 여러 가지 기술적인 한계와 문제가 함께 존재하게 됩니다. 현재는 이러한 한계를 극복학기 위해 short-read 기반의 시퀀싱 데이터에 다양한 algorithm을 적용하여, DNM call의 정확도를 높히는 다양한 방법론들이 개발되고 있습니다. 추후에 점점 더 정확한 시퀀싱 방법론, Long-read를 통한 haplo-type phasing이 가능하게 되면, 이 부분은 점점 개선될 것으로 생각됩니다.

 

III. De novo mutation의 해석 및 질병 발생학적 의의

위의 표는 부모로부터 물려받는 inherited variants와 DNM의 특성을 비교하여 보여주고 있습니다. 일반적으로, 30억쌍의 염기 중에서 De novo로 발생하는 SNV는 44-82개 정도이고, Exon영역의 Coding variant로 존재하는 DNM은 1~2개 정도로 매우 드뭅니다. 이렇게 드물게 일어나는 과정이기 때문에, 환자에서만 존재하는 돌연변이는 양쪽 부모의 유전적 소인을 무시하면 질병 발생에 매우 중요한 역할을 할 것 (High damaging capacity)이라고 예상할 수 있습니다. 그러나 이렇게 발생하는 mutation 도 random 하게 발생하며, 실제로는 부모로부터 전달받는 inherited variant와 상호 작용을 알 수 없기 때문에, 그 정확한 의미를 해석하는 것은 쉽지 않습니다.

Reference의 마지막 세번째 Nature Genetics 논문은 자폐증 (Autistic spectrum disorder, ASD) 환자 군에서 DNM의 해석을 위한 통계학적 방식을 제안하고 있는데, 실제 유전자별로 무작위적으로 발생하는 mutational process와 비교하여, 질병군에서 실제로 유의미하게 더 많이 발생하는 DNM이 있는 유전자를 검출하여, 질병의 원인 유전자를 발굴하고 있습니다. 다만, 이러한 방식은 엑솜 영역에 평균 1~2개 정도 발생하는 DNM의 개수를 고려할 때, 매우 많은 수의 환자로 구성된 코호트가 필요함을 생각할 수 있습니다.

논문에서 사용된 tool은 denovolyzer (http://denovolyzer.org/) 라고 하는 R package로 개발되어, 아래 논문에 잘 설명되어 있으므로 참고하시기 바랍니다.

Ware, James S., et al. “Interpreting de novo variation in human disease using denovolyzeR.” Current protocols in human genetics 87.1 (2015): 7-25.

[References]

Goldmann, J. M., J. A. Veltman, and C. Gilissen. “De novo mutations reflect development and aging of the human germline.” Trends in Genetics (2019).

Acuna-Hidalgo, Rocio, Joris A. Veltman, and Alexander Hoischen. “New insights into the generation and role of de novo mutations in health and disease.” Genome biology 17.1 (2016): 241.

Samocha, Kaitlin E., et al. “A framework for the interpretation of de novo mutation in human disease.” Nature genetics 46.9 (2014): 944.