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새로운 질병 유전자의 발견

질병 유전자를 발견하기 위하여 대체로 3가지의 주요 방법이 채택되어 왔다.

첫째, 단백질(expression product)을 통하여 유전자를 분리하는 방법, 즉 전향적 방법(forward genetics)이라고 불리는 방법이다.

둘째, candidate gene approach로, 기존에 알려진 질병과 관련이 되었을 것으로 예측되는 유전자를 조사하여 정상 유전자 발현을 방해할 것으로 예상되는 질병 특유의 돌연 변이(mutation)를 거꾸로 찾는 방법이다.

셋째, 질병 유전자의 염색체상의 위치에 대한 지식을 기본으로 한 DNA mapping이나 클로닝(cloning)방법이 있는데, 이를 reverse genetics 또는 positional cloning이라 한다.

전향적 방법은 가장 처음 개발된 방법으로, 생화학적 기초가 알려진 질병의 경우에서 유전자 산물의 특성이 유전자 분리를 가능하게 하였다. 정상적으로, 첫 단계는 알려진 비정상 단백질과 일치하는 cDNA clone을 분리하는 것이다. 이후는 정상 인간 유전자 clone을 분리하기 위혀 특정 cDNA clone을 human genomic DNA library에 hybridization하는 것이다.

유전자 산물을 부분 정제한 후에, 여러 방법으로 특정 DNA clone을 분리하여 나갈 수 있다. 예를 들어, phenylketonuria(PKU)의 경우 phenylalanine hydroxylase를 부분 정제한 후에 특이항체를 만들어 쥐 간의 polysomal mRNA의 protein synthesis assay(in vitro)에서 특이항체에 상응하는  mRNA를 identify 하고 정제된 mRNA는 cDNA로 전환시켜 특이 cDNA clone이 분리된 것이다. 최근에는 특정 cDNA expression library를 이용하여 직접 항체를 이용한 선별 검사(screening)가 가능하게 되었다.

전향적 방법에서 또다른 방법은 단백질에서 일부 아미노산 서열(amino acid sequence)를 알아내는 것이다. 이것으로 똑같은 아미노산 서열을 합성할 수 있는 가능한 모든 codon 순열에 일치하는 oligonucleotide 종류들을 디자인할 수 있다. 이 때 oligonucleotide들을 이용하여 human cDNA library를 선별 검사하여 같은 염기 서열을 가진 cDNA clone을 분리할 수 있는 것이다.

위 방법은 factor Ⅷ 을 제일 처음 분리할 때 쓰인 것이다. 돼지의 factor Ⅷ 단백의 일부를 microsequencing 한 후, 상응하는 oligonucleotide들을 만들어 돼지 genomic DNA library를 검색한 것이다. 돼지의 factorⅧ 유전자는 그 후 인간의 genomic DNA library 검색에 쓰였다.

이전에 분리된 유전자들이 병든 조직에서 생리적 역할을 한다거나, 염색체상에서 동일 위치에 있다거나, 유사한 단백질을 만든다면 질병 유전자의 후보 유전자로서 간주될 수 있을 것이다. 예를 들어, 선천성 망막 퇴행증에 있어서 phototransduction에 관여하는 단백질들을 만드는 많은 유전자들이 이미 분리되었다. 그 중 하나인 rhodopsin 유전자(gene)의 조사과정에서, autosomal dominant retinitis pigmentosa를 가진 일부 환자들에서 돌연 변이가 발견되었다.

Marfan 증후군에서도 초기 연관 분석에서 15q위치에 유전자가 mapping된 다음 in-situ hybridization을 통하여 15q21.1 위치의 fibrillin 단백질을 찾을 수 있었다. 정상인과 Marfan 환자의 fibrillin 유전자의 구조를 비교하여 본 결과 missense mutation임이 밝혀졌고 이것은 fibrillin이 Marfan 증후군의 원인 유전자임을 암시하는 것이다.

질병 유전자 산물(단백질)의 특성을 잘 모르거나, 원인 유전자를 찾아낼 수 없다 해도 positional cloning을 통하여 미확인된 질병 유전자를 분리해 낼 수 있다. 최근에는 이 방법이 성공률이 높아졌는데, 여러 중요한 유전자들이 염색체상에서의 위치가 알려진 후 분리된 것이다.

이와 같은 방법으로 발견된 대표적 질환의 유전자들로는 Duchenne muscular dystrophy,

cystic fibrosis, Wilson병, Huntington 무도병, fragile-X 증후군, Marfan 증후군, Alport 증후군, neurofibromatosis등이 있다. 이 경우에는 질병 유전자의 염색체에서의 정확한 위치를 세밀하게 확립하는 것으로 시작한다. 이것은 종종 연관 분석(linkage analysis)에 의한 것이거나, 종양 억제 유전자(tumor suppressor gene)의 경우에서처럼 종양에서의 구조적인 변화(lose of heterozygosity: LOH)에 의하여 가능하였다.

일부 경우에서는 질병 특유의 염색체상의 결손이나 전위의 발견으로 도움을 받기도 한다. 최종적으로 분리된 질병 유전자를 증명하기 위해서는 최소한 정상 유전자 발현과 일치하지 않는 환자들 특유의 돌연 변이를 발견하는 것이다.