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골다공증의 유전체 연관성 연구동향
  • 작성일2012-04-06
  • 최종수정일2012-08-24
  • 담당부서감염병감시과
  • 연락처043-719-7173

골다공증의 유전체 연관성 연구동향
Genomic association studies of osteoporosis

질병관리본부 국립보건연구원 유전체센터 형질연구과             
황주연             

  


Ⅰ. 들어가는 말
  사회적으로 생활수준의 향상과 의학기술 발달에 따라, 전 세계적으로 고령화가 급속히 이루어지면서 근골격계 대표적 질환인 골다공증이 노령인구에 대한 보건측면에서 크게 주목받고 있다. 골다공증이란 골의 미세구조의 질적인 변화로 인해 통합성과 강도가 약화되어, 결국 골 주요 부위인 척추 및 대퇴,  요골 등의 골절 위험도가 증가되는 질환으로, 해마다 골다공증으로 인한 골절 환자의 발생률이 늘면서 연간 의료비도 비례적으로 늘어나고 있는 추세이다. 세계보건기구(WHO)는 골다공증 기준을 골밀도(bone mineral density; BMD)를 바탕으로 한 골다공증 수치(T-score)에 의해 골다공증(-2.5 이하), 골감소증(-2.5와 -1 사이), 정상(-1 이상)으로 정의하고 있으며(Figure 1, 2), 골절위험(fracture risk)을 포함하여 점차 골다공증 극복의 중요성이 강조되고 있다.
  일반적으로 동양 여성의 골밀도는 서양 여성에 비해 낮고, 특히 폐경기 여성의 절반 정도가 척추골절을 보이고 있으며, 칼슘 섭취가 낮고, 육체적 활동이 서양 여성에 비해 적은 것으로 미루어 보아 동양 여성의 경우 서양 여성보다 골다공증에 대한 문제가 훨씬 심각할 것으로 예상할 수 있다. 우리나라 40세 이상 여성의 약 30%와 40세 이상 남성의 약 15%가 골다공증 진단을 받고 있으며, 골다공증성 골절(osteoporotic fracture)로 인한 사회경제적 손실은, 2003년 한 해 동안 약 1조 495억원에 달한 것으로 알려지고 있다. 세계적으로 골다공증 치료제 시장은 현재 약 10조원대로 추산되며, 우리나라에서도   지속적으로 확대되고 있어 향후 2년 내 골다공증 치료를 위한 2천억원대의 비용이 발생할 것으로 전망된다.
  골다공증 및 골다공증성 골절은 65-80%가 유전적 요인을 보인다고 알려져 있어, 한국인에 있어서도 골다공증 환자와 정상인 간의 단일유전자 변이의 차이를 확인하는 방식의 연관성연구를 통하여 골다공증의 유전적 요인을 규명할 필요가 있다. 이러한 노력의 일환으로 기존에 수행하였던 후보유전자 중심의 환자-대조군 연관성 연구로부터 최근에는 전장유전체 연관성 분석방법을 이용한 유전체 연구에 이르기까지 활발한 유전체 연관성 연구가 진행되어 왔다. 이 글에서는 현재 질병관리본부 국립보건연구원   유전체센터 형질연구과에서 수행 중에 있는 골다공증 및 골다공증성 골절의 유전요인 발굴을 위한 전장유전체 연관분석 연구를 중심으로 그 내용 및 연구 현황을 기술하고자 한다.


Ⅱ. 몸 말
  1. 골다공증 유전체 연구 및 기술 동향

  골다공증 연구를 다음과 같이 골다공증 기전, 골다공증 제어, 그리고 골다공증 질환으로 분류하여 이에 대한 특허관련 기술 동향을 조사하였다. 골다공증관련 분자표적(유전자)의 탐색 및 발굴, 동물모델을 통한 기전연구, 그리고 파골세포 억제제 및 조골세포 촉진제를 통한 골다공증 예방 및 치료를 위한 제어연구, 마지막으로 골대사 및 골다공증 질환의 연관관계에 대해 위의 세 가지 분류를 통하여 살펴보면 우리  나라의 연구는 현재 해외연구에 비해 모두 미비한 실정임을 알 수 있다(Figure 3).
  골다공증의 최근 전장유전체 연구 동향을 살펴보면, 2008년을 시작으로 골밀도에 대한 단일 GWAS분석 연구가 주를 이루었으며, 2010년에 이르러 연구대상 특성(trait)은 점차 골밀도와 골절위험도와의 연관성을 보고하는 추세에 있다. 이에 덧붙여 골량(bone mass)이나 고관절 결합구조(hip geometry) 분석 등 다양한 각도에서의 표현형(phenotype)에 대한 연구도 진행되고 있다. 전장유전체 연관분석 연구에서 골밀도와의 연관성이 보고된 대부분의 시그널은 유전자의 인트론 또는 비유전자영역에 위치하였으며, 지금까지 밝혀진 새로운 유전자들 외에도 RANK 시그널에 관련된 주요 경로(pathway) 유전자도 함께 보고되었다. 이러한 전장유전체 연구의 대부분은 유럽인들 중심으로 밝혀진 경우이므로, 동아시아 및  한국인 특이적 유전변이의 발굴이 시급함을 시사한다(Figure 4). 
                             
                            
                             
                              
  2. 후보유전자 연관성 연구(Candidate Gene Association Study; CGAS)

  우리몸속 뼈는 성장기 이후 조골세포(osteoblast)에 의한 골 형성 작용(bone formation)과 파골세포(osteoclast)에 의한 골 흡수 작용(bone resorption)의 상호작용을 통해 끊임없는 골 재형성(bone remodeling)이 이루어지고 이로부터 골대사의 항상성(bone homeostasis)이 유지되고 있다. 하지만   골다공증 환자의 경우 조골작용에 비해 파골화 과정이 가속화됨에 따라 골 교체율의 균형이 깨지게 되어 결국 골량이 감소되고 골의 구조적 탄성이 약화되게 된다. 이에 유전체센터 형질연구과에서는 지난 5년간(2005-2010), 골 형성과 흡수에 관련된 후보유전자에 대해서 골다공증에 영향을 미치는 유전변이를  찾고자, 조골화과정(osteoblastogenesis) 및 파골화과정(osteoclastogenesis)에서의 기능적으로 입증된 관련 후보유전자를 선별하고 이들 유전자들로부터 단일염기다형성(Single Nucleotide Polymorphism; SNP)을 발굴하여 골다공증 환자 및 정상인(약 2,000명)에 대한 연관성 분석을 수행하였으며, 이로부터 약 20개의 후보유전자로부터 유의적인 연관성 결과를 보고하였다. Figure 5에서와 같이 조골화과정에서는 분화전 조골세포(pre-osteoblast) 단계에 관여하는 대부분의 유전자들(초록색 표시)이 골다공증에 위험도 감소효과(protective effect)를 보였으며, 반대로 파골화작용에서는 세포분화(differentiation) 단계에 관여하는 유전자(초록색 표시)들이 골다공증에 위험도 증가효과(risk effect)를 나타냈다(Figure 6).
                           
                            
  3. 전장유전체 연관성 연구(Genome-Wide Association Study; GWAS)

  최근 전장유전체연관분석은 다양한 복합 질환의 유전적 요인을 찾기 위한 방법으로서 활발히 진행되어 왔다. 골다공증의 연구에 있어서도 전체적인 골대사에서 다형성 마커를 포함하는 유전자 및 유전변이들의 역할에 대한 충분한 이해 뿐만이 아니라 기존 후보유전자 기반의 연관성분석으로부터 찾지 못했던 새로운 유전자 발굴을 위해 유전체 전장 스케일의 연관성 분석이 필요하다. 하지만 앞서 언급한 바와 같이   유럽인을 대상으로 한 골다공증의 중간표현형(intermediate phenotype)인 골밀도에 대한 전장유전체 연관성이 상당부분 보고되어 있으나, 아시아인을 대상으로 최종표현형(end point phenotype)인 골절에 대한 전장유전체 연관성 연구는 아직 미비한 실정이다. 국립보건연구원 유전체센터가 확보한 한국인  지역사회코호트인 안성/안성 코호트(KARE)의 골절 환자 및 정상인 1,427명에 대해 일차적 전장유전체 연관분석을 수행하였으며, 재현성 검증을 위해 아산/가톨릭병원(ACMC)으로부터 1,626명 및 일본 이화학연구소(RIKEN)로부터 929명에 대해 각 재현성 검증분석(de novo replication)을 수행한 결과, 전장유전체 유의적 수준(genome-wide significance, p < 10-8)을 만족하는 새로운 유전자를 확인하였고, 이에 대한 최종적인 기능 검증연구를 진행 중에 있다.
  골절은 골탄성 및 골강도의 약화로 인해 골구조가 변화되서 뼈가 무르게 되고(fragility), 결국 골절위험도(fracture risk)가 높아지게 되어 나타나게 된다. 골다공증의 주요 인자인 낮은 골밀도만으로는   골절에 대한 설명력이 부족하므로 골절 위험도를 평가하는 대체 검사방법으로서 골초음파(Sound of Speed, SOS)에 대한 유전변이 발굴이 시급한 실정이다. 골강도를 대표하는 골초음파는 측정방법에 있어 기존 DXA(Dual-energy X-ray Absorptiometry)방법에 비해 이동이 간편하며, 비용이 저렴하고, 무엇보다 방사선 장애가 없는 것이 장점이어서 코호트 population을 대상으로 대용량 유전체 연관분석이  수월하다. 이에 유전체센터가 확보하고 있는 농촌코호트의 시료 2,000명을 대상으로 Illumina omni1 SNP chip을 이용하여 지노타이핑을 수행하여 골초음파에 대한 전장유전체 연관 분석을 수행하였으며, 후속적인 재현성 검증연구를 진행 중에 있다.
  현재 골다공증에 대한 유전요인을 발굴하고자 유럽인 중심으로 시작된 GEFOS(GEnetic Factors for OSteoporosis Consortium) 국제 컨소시엄에서 메타 연구가 활발히 진행 중에 있다. 주요 목적은 기존 국제 합맵 프로젝트(HapMap) 데이터 기반에서 충분히 확인하지 못했던 골다공증 관련 시그널들을 1,000 genome 데이터 패널을 이용한 결측치 예측분석 후 메가 메타분석을 통해 확인하고자 하는데  있다. GEFOS는 총 7개의 워크 패키지로 구성되어 있으며, 유전체센터 형질연구과는 WP5 즉, 유전자-환경 상호작용 연구에 포함되어 공동연구를 수행 중에 있다. 또한 농촌코호트로부골초음파에 대한 최종적인 전장유전체 연관성 결과를 확보하고, 이들 한국인구 집단에서 발굴된 유전요인들을 GEFOS 연구 결과에서 검증할 예정이다(Figure 7).
                

  4. 후속 기능연구(Post-GWAS functional study)

  전장유전체 연관성 연구를 통해 골다공증 관련 새로운 유전자 및 유전변이들의 연관성 보고는 지속적으로 증가 추세에 있으나, 아직까지 그 유전자들의 기능적 관련성에 대한 증명은 부족한 경우가 대부분이다. 유전체연구의 실용화를 위해 유전체연구 결과들은 궁극적으로 생물학적 기능연구를 통해 검증되어야하는 것이 필수적이며, 골다공증의 경우도 post-GWAS functional characterization이 필요한 실정이다. 골절에 대한 전장유전체 연관성 분석에 의해 확보된 유전자에 대한 후속 골기능 연구를 수행하고자 마우스 파골세포의 분화유도를 통해 타켓 유전자의 발현여부를 조사하였으며, siRNA knockdown 방법을 이용하여 타겟유전자의 부재 시 파골화 과정에서 중요한 전사 인자들의 발현 정도 및 파골화 작용(osteoclastogenesis)의 억제기능에 대한 in vitro 결과를 확인하였다. 동시에 타겟 유전자의 비교유전체 연구, 기능 연관도 분석(pathway connectivity), eQTL 발현분석 등 다양한 in silico 기능 연구를 수행하였다. 또한 in vivo 연구를 수행하고자, 난소절제 마우스(난소절제술을 통한 폐경기성 골다공증 마우스모델) 및 골다공증 마우스(노령화를 가속화한 골절 마우스모델)를 이용해서 주요 골다공증성 골절 부위에서의 면역형광엽색법(immunohistochemistry) 방법을 이용한 타겟유전자의 발현여부 검증을 수행 중이 있으며, 동시에 골흡수 활성도(resorption activity)를 측정하여 다핵 파골세포(multinucleated osteoclast)에서의 기능을 검증할 예정이다.

  5. 향후 연구(further study)

  다면발현성(pleiotropic effect)은 하나의 유전자 또는 변이가 독립적으로 다양한 표현형(multiple trait)에 영향을 미치는 현상을 일컫는다. 전장유전체 연관분석의 완화(moderate)한 유전 영향력(genetic effect)과 표현형(trait)간의 연관성(correlation)으로 인해 기존 단일 변이(uni-variate)를 기본으로 하는 단일 전장유전체 연관분석 연구(single GWAS framework)로는 다면발현성 여부를 찾기는 불충분하다. 골다공증성 골절은 고령화(aging), 혈압(blood pressure), 혈청 마그네슘 농도(serum magnesium concentration), 폐 기능(lung function) 등의 표현형(phenotype)과 밀접하게 연관되어 있다. 실제 이러한 각각의 trait에 대한 단일 전장유전체 연관성분석에서 공통적인 유전자들이 이들 traits와 연관성을 보인다고 보고되었다. 따라서 이처럼 표현형간의 상관성(phenotypic correlation)을 보이는 traits에서 공통적으로 작용하는 다면발현적 유전요인 발굴에 대한 후속적인 연관성 연구가 필요하며, 향후 다중변이 전장유전체 연관성 보고(bi-/multi- variate GWAS polygenic contribution)를 통한   다면발현 유전자의 특성을 규명할 계획으로 있다.


Ⅲ. 맺는 말


   골다공증은 점진적으로, 수 년간에 걸쳐 자신도 모르는 사이에 진행하며 실제 다른 원인 없이 골절이 되어서야 자가 인지가 가능한 침묵의(silencing) 질환이다. 이러한 골절로 인해 만성통증, 기형, 우울감등 심리적, 사회적, 경제적인 문제를 동반하게 된다. 따라서 골다공증성 골절을 개인별로 예측하고 미리 예방하기 위하여 유전변이 발굴 및 검증연구가 필요한 실정이다. 현재 국립보건연구원 유전체센터 형질연구과에서 진행하고 있는 골다공증성 골절 및 골초음파관련 전장유전체 연관분석과 유전자-환경 교호작용 연구는 향후 골다공증의 유전적 원인요인 발굴 및 원인기작에 대한 이해증진과 더불어 조기예방과 정확한 진단, 그리고 성공적인 치료에 대한 기여를 할 것으로 기대된다. 발굴된 마커정보를 활용하여  타겟영역에 대한 보다 효율적인 원인 유전변이 발굴(fine mapping, resequencing)이 가능할 것이며,  차세대 시퀀싱 기술을 통하여 원인 유전변이(causal variant) 또는 빈도가 낮은 유전변이(rare variant)의 발굴과 후속적인 기능 검증연구가 뒷받침되어야 할 것이다. 앞으로는 골다공증 및 골절 위험성이 높은 환자를 대상으로 미연에 예방하고 대처함으로써, 골다공증 및 골다공증성 골절에 대한 예측의학이 가능할 것이다. 더욱이 개인별 맞춤(personal) 시퀀싱의 대중화에 따라 개인의 유전적 특성을 파악해, 차별화된 진단과 치료가 가능한 맞춤 의학 실현이 한층 더 앞당겨질 것으로 전망해본다.


Ⅳ. 참고문헌

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3. Hui, L., DelMonte, T. & Ranade, K. Genotyping using the TaqMan assay. Curr Protoc Hum Genet Chapter 2, Unit 2.10. (2008)
4. Richards J. B., et al. (2008) Bone mineral density, osteoporosis, and osteoporotic fractures: a genome-wide association study. Lancet 371:1505-1512
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9. PLINK(Whole genome data analysis toolset) http://pngu.mgh.harvard.edu/~purcell/plink/

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