위암의 전장유전체 연관분석
Genome-wide association study of gastric cancer

질병관리본부 국립보건연구원 유전체센터 형질연구과           
신영아          
  

Ⅰ. 들어가는 말
   최근에는 인간게놈프로젝트(International HapMap Project) 발표 후 인간의 유전체 염기서열이 많은  부분 규명되고, 측정 기술이 발전함에 따라, 전장유전체를 대상으로 질병과 관련성을 밝히기 위한 연구가 활발하게 시작되고 있다. 현재 전장유전체 관련 연구에서 가장 활발하게 연구되는 분야는 전장유전체 단일염기다형성(whole genome SNP; Single Nucleotide Polymorphism) 연구이다. SNP는 사람의   염기서열 평균 200-300bp 마다 하나씩 존재하는 단일염기서열(single nucleotide)의 다형성(polymorphism)을 말한다. 단일염기다형성이 존재하여 개인의 차이와 질병에 대한 감수성이 차이를  보이는 것이라는 가정 하에 질병의 감수성이나, 치료반응 차이의 원인을 규명하는 것이 전장유전체연구의 주된 내용이다. SNP 연구는 대립유전자의 빈도가 흔하고, 유전적인 효과가 상대적으로 작은 질병관련 유전자들을 찾는다. 전장유전체 SNP검사는 DNA 염기서열 변이 중 이미 흔하게 변이가 일어나는 곳만을 선택적으로 칩의 형태로 제작하여 질병과 관련을 보는 것이다. 2006년부터 약 100만개의 SNP를 질병관련 연구에 적용하는 전장유전체 관련분석(Genome-Wide Association Study; GWAS = Whole Genome Association Study; WGAS)이 활성화되어 그 결과로 각종 만성 질환과 여러 가지 표현형질과 연관된 유전자가 밝혀지고 있다[1]. GWAS 결과는 서구 인구집단 위주로 보고가 되어 왔지만, 최근에는 일본, 중국 등의 동양인구집단에서도 그 결과가 보고되고 있다. 특히 위암은 동양에서 발병률이 서구에 비해 높으므로, 동양인 인구집단에서의 전장유전체연관 분석 연구가 필요한 질환이다. 이러한 맥락에서 위암과 관련된 유전원인을 동양인 인구집단에서 발굴하기 위해, 현재 유전체센터에서는 삼성의료원과 공동연구로 한국인 인구집단에서의 위암의 전장유전체 연관분석을 수행하고 있다. 이 글에서는 현재  진행되고 있는 위암의 전장유전체 연관분석연구에 대해 기술하고자 한다. 

Ⅱ. 몸 말
   위암은 1965년에 Lauren. P가 분류한 기준을 최근에 많이 사용하고 있으며, 이에 따르면 위암은 장형(intestinal type)과 미만형(diffuse type)으로 나뉠 수 있다[2](Figure 1). 미만형 위암은 WHO 기준의 미분화형(Undifferentiated type)이며, 젊은 사람에게 발병하고, 예후가 안 좋은 것이 특징이고, 장형 위암은 WHO 기준의 분화형(differentiated type)이, 연령이 증가할수록 발병률이 높아지고, 남자에게 잘 발생하며, 만성 위축성 위염, H.pylori균과 관련이 있는 것이 특징이다[3]. 따라서 미만형과 장형  위암은 조직학적으로 다를뿐만 아니라 병의 발생 기전도 다르고 유전적 요인도 차이가 있으리라 생각 하고 있다. 특히 지역적으로 발생율이 큰 차이를 보여 환경적 요인이 발병에 중요한 기여를 하리라   생각되는 장형 보다는 발생에 있어 지역 편차가 없는 미만형이 보다 더 유전 연관성이 강하리라 생각되고 있다. 세계적으로 미만형 위암의 밝혀진 유전변이는 뉴질랜드의 가족연구에서 보고된  E-cadherin 유전자의 변이가 있다[4,5]. E-cadherin 유전자의 변이는 위암뿐만 아니라, 유방암, 대장암, 갑상선암,  난소암에도 영향을 준다고 보고되고 있다[6]. 미만형과 달리 장형에 대한 유전요인은 아직까지 뚜렷하게 밝혀지고 있지 않다. GWAS를 통하여 찾아낸 위암 연관 유전자는 일본인과 한국인의 미만형에서 2008년에 보고된 PSCA 그리고 2010년에 중국 특정 지역의 cardia type 위암에서 확인된 PLCE1 유전자뿐이다[2,7](Figure 2). 이에 국립보건연구원 유전체센터에서는 위선암(gastric adenocarcinoma)의 두 가지 type인 미만형과 장형의 위험유전요인을 발굴하기 위해 두 가지 type의 위암에 대하여 전장유전체연관분석 연구를 수행하였다.
                                   
                                   

                                 
  1차 전장유전체연관분석을 위해, 미만형과 장형 위암 질환군의 시료로는 삼성의료원에서 수집한 2,005 개의 위암환자 시료를 사용하였고, 이들의 대조군의 시료로는 2008년부터 시행한 학술연구 용역사업으로 국립보건연구원 유전체센터가 확보한 대도시코호트에서 4,302개의 정상인 시료를 선정하였다. 질환군과 대조군 총 6,307개의 시료의 유전체정보는 SNP chip(Affymetrix Genome-wide Human SNP array 6.0)과 genotype calling algorithm인 미국의 Broad Institute에서 개발한 BirdSeed 1)를  이용하여 확보하였다. 확보한 유전체의 정도관리(Quality Control)와 연관분석(Association analysis)에는 Harvard와 MIT의 Broad Institute에서 개발한 free, open-source의 전장유전체 연관분석을 위한 toolset인 PLINK[8]를 이용하였다. 이 과정에서 두 가지 type의 위암에 유의한 연관을 보이는 60여개의 SNP를 발굴하였으며, 이 결과를 다른 독립된 인구집단에서의 확인하기 위하여 2차 검증연구(replication)를 수행하였다. 검증연구를 위한 질환군 시료는 국립암센터의 위암환자 1,055명이었고, 대조군 시료는 국립보건연구원 유전체센터의 안성, 안산 ‘전장유전체분석’ 연구 사업으로부터 확보한 정상인 시료 3,507명이었다. 검증연구를 위한 시료의 유전자형은 MassARRAY?의 iPLEX GoldTM assay   방법을 사용하여 결정하였다(Figure 3).
                                  
  2차에 걸친 전장유전체분석연구를 통하여 일본인 인구집단에서 보고된 PSCA 유전자 다양성이 한국인에서도 미만형과 강한 연관성이 있음을 P value = 1.44×10-24, odds ratio = 1.62로 확인하였고  이는 PSCA 유전자의 다양성을 가진 사람이 가지지 않은 사람에 비해 1.62배 더 빈번히 질병이 발생함을  의미한다. 또한 미만형의 PSCA의 유전자 다양성과 함께 장형과 연관성이 있는 새로운 유전 다양성(SNP) 부위를 발굴하였다. 새로 발굴한 장형 위암 연관 유전 다양성 부위는 기존의 연관성분석 연구에서 다른 질환 특히 다른 암과의 연관성이 보고되지 않았다. 새로 발굴한 유전다양성 부위를 한국인 인구 집단이 아닌 대만, 일본, 중국 등 다른 아시아 인구집단에서 추가적인 3차 검증 연구를 수행하여, 이  부위가 다른 인종에서도 나타나는 공통적인 위암 위험 유전인자인지를 확인할 예정이다.

Ⅲ. 맺는

   위암은 환경적 요인과 유전적 요인이 동시에 작용하여 발생하는 질환이다. 그러므로 위암의 예방,   치료, 예측, 예후 등을 위해서는 이 두 가지 원인에 대하여 파악을 해야만 한다. 여러 역학조사를 통하여 증명된 환경적 요인은 조절할 수 있으며, 유전적 원인은 본 연구과제와 같은 GWAS, 차세대 sequencing 기술을 이용한 연구, 기능연구와 같은 질병유전체 연구의 성과물로 일부분 파악이 가능하리라 본다. 이 중 GWAS는 비용과 효과에서 볼 때 현재까지 위암의 유전적 요인을 파악할 수 있는 가장   강력한 수단이다. 위암의 GWAS를 통하여 위암의 발병과 연관된 유전체 마커를 발굴한다면, 이 정보를 이용하여 발굴된 마커 주변에 대한 fine mapping(resequencing)을 보다 저렴하고 효율적으로 수행할 수 있다. 시퀀싱을 통하여 질병과 직접적으로 연관이 있는 유전변이(causal variant) 또는 빈도가 낮은 유전변이(rare variant)를 발굴하는데 이어서 그 기능을 연구하는 후속연구가 추가적으로 진행된다면  그 결과를 위암의 조기발견, 치료 약물의 개발, 예후 예측 등에 적용할 수 있을 것이다. 전 세계적으로 아직까지 위암 연관 유전자 발굴을 위한 대규모 전장유전체 분석연구는 일본과 중국 등 동아시아 지역에서만 수행하고 있는 상황으로 다른 질병에 비해서 잘 이루어져 있지 않다. 현재 국립보건연구원 유전체센터의 위암 전장유전체연관분석 연구는 기존에 수행되었던 연구와 더불어 위암의 유전적 원인을   밝히는데 많은 기여를 할 것으로 기대된다.  

1) SNP chip의 image file인 CEL 파일에서 모든 개인의 염기다형성(Single Nucleotide Polymorphism;SNP)의 유전자형(genotype)을 0(AA), 1(AB), 2(BB)로 읽는 모델기반(model-based)의 알고리즘

Ⅳ. 참고문헌

1. 2010 대한진단검사의학회 춘계학술심포지엄
2. Study Group of Millennium Genome Project for Cancer, Sakamoto H, Yoshimura K, Saeki N, Katai H, Shimoda T, Matsuno Y, Saito D, Sugimura H, Tanioka F, Kato S, Matsukura N, Matsuda N, Nakamura T, Hyodo I, Nishina T, Yasui W, Hirose H, Hayashi M, Toshiro E, Ohnami S, Sekine A, Sato Y, Totsuka H, Ando M, Takemura R, Takahashi Y, Ohdaira M, Aoki K, Honmyo I, Chiku S, Aoyagi K, Sasaki H, Ohnami S, Yanagihara K, Yoon KA, Kook MC, Lee YS, Park SR, Kim CG, Choi IJ, Yoshida T, Nakamura Y, Hirohashi S. genetic variation in PSCA is associated with susceptibility to diffuse-type gastric cancer. Nat Genet 40(6) 730-740 (2008)
3. Fenoglio-Preiser, C. et al. Gastric carcinoma. in WHO Classification of Tumours: Tumours of the Digestive System (eds. Hamilton, S.R. & Aaltonen, L.A.) 39?52 (IARC Press, Lyon, 2000).
4. Robin M. Cisco, James M. Ford, Jeffrey A. Norton Hereditary diffuse gastric cancer. American Cancer Society (2008) 
5. Guilford, P., Hopkins, J., Harraway, J., McLeod, M., McLeod, N., Harawira,P., Taite, H., Scoular, R., Miller, A., and Reeve, A.E. (1998). E-cadherin germline mutations in familial gastric cancer. Nature 392, 402?405.
6. CDH1 deion from Entrez Gene http://www.ncbi.-nlm.nih.gov/gene/999?ordinalpos=1&itool= EntrezSystem2.PEntrez.Gene.Gene_ResultsPanel.Gene_RVDocSum     
7. Abnet CC et. al. A shared susceptibility locus in PLCE1 at 10q23 for gastric adenocarcinoma and esophageal squamous cell carcinoma.Nat. genet. 2010 
8. PLINK(Whole genome data analysis toolset) http://pngu.-mgh.harvard.edu/~purcell/plink/