유전자 네트워크 분석을 통한 심근증 마커 유전자 탐색 연구

학위논문 (석사)-- 서울대학교 보건대학원 보건학과, 2017. 8. 손현석.심근증은 관상동맥질환이나 고혈압, 판막증, 선천성 심장병등의 심혈관계 질환 없이 심장근육에 구조적, 기능적 이상이 생기는 질병으로 심장의 심실이 비정상적으로 비대해 지거나 확장이 되는 특징을 보인다. 심근증은 모든 연령대에서 발병 할 수 있고 증상은 심부전, 부정맥, 혈전증, 심장돌연사 등 다양하게 나타난다. 또한 치료법도 아형, 증상에 따라 매우 다양하기 때문에 효율적인 치료와 관리를 위해서는 조기에 정확하게 진단을 하는 것이 중요하다. 최근 염기서열 분석법 및 생명정보학적 기법의 발달로 심근증과 관련이 있는 유전학적인 정보들이 증가하고 있을 뿐 만 아니라 기존의 염기서열 분석법들에 비해 훨씬 많은 유전자를 빠른 시간에 분석 할 수 있는데, 이는 질병과 관련된 전체적인 유전자 분석 결과를 제공하여 심근증을 진단 하는데 도움을 준다. 이러한 유전학적 정보를 효율적으로 이용하기 위해서는 데이터베이스 및 검색 시스템의 구축이 중요하기 때문에 본 연구에서는 먼저 심근증에 대한 유전학적 데이터베이스와 웹 기반의 검색 시스템을 구축하고 CGDB (Cardiomyopathy Genetic Database)라 명명하였다. 데이터베이스 구축에 이용된 유전자 및 아미노산 서열, 유전자의 변이 및 임상적 의의, 단백질에 대한 정보는 각각 GenBank, ClinVar, UniProt에서 얻었으며 다운로드받은 플랫파일은 JAVA 프로그래밍 언어를 이용해 데이터 파싱 과정을 수행하여 데이터베이스의 구축에 필요한 정보들만을 추출하고 이를 다시 Mysql에 입력하기 위한 sql 포맷의 파일로 재가공 하였다. 이렇게 구축한 데이터베이스는 JSP, HTML을 이용하여 웹 기반의 검색시스템을 통해 구현 하였다. 본 데이터베이스의 구현은 크게 두 가지로 나눌 수 있는데 첫 번째는 심근증에 대한 통합적인 유전학적 정보의 제공으로 조건을 만족하는 유전자를 검색 할 수 있고 해당 유전자의 변이 및 발현하는 단백질에 대한 정보를 얻을 수 있게 하였다. 두 번째는 2차 연구를 위한 염기 및 아미노산의 서열정보를 fasta형식의 파일로 출력 할 수 있게 하였다. 이러한 데이터베이스 및 검색시스템을 통해 제공되는 심근증에 대한 유전학적 정보들은 신속하고 정확한 심근증의 진단에 크게 기여 할 수 있을 것이다. 다음으로는 심근증에 대한 마커 유전자를 찾기 위해 유전자 네트워크 분석을 실시 하였다. 먼저 네트워크를 구성 할 유전자를 선별하기 위해 NCBI GEO의 마이크로어레이 데이터를 이용하였다. 여러 원인의 심근증 환자들 중 심부전의 예후를 나타내는 환자들에 대한 연구 결과들로 차별 및 공통 발현 유전자들을 선별하여 심근증의 예후로 심부전을 나타내는데 관여하는 유전자들의 네트워크를 구성 하였다. 유전자들 사이의 연결선은 유전자들 간의 발현 상관성을 기반으로 구성하였는데 발현 상관성에 대한 정보는 GeneNetwork라는 웹 서비스를 통해 얻었다. 이렇게 구성한 유전자 네트워크에 대해 중심성 분석을 실시하였는데 이를 통해 C1QTNF7, ECM2, FAM188A, HNMT, ITIH5, NAMPT, OIP5-AS1, PTN, SMOC2, SULF1이 심부전의 예후를 나타내는데 중요한 역할을 한다는 것을 알 수 있었다. 또한 위의 네트워크와 선천적인 변이가 심근증의 원인이 되는 유전자들간의 2부 네트워크를 구성하고 중심성 분석을 시행하여 심부전의 예후를 보이게 하는 유전자들과 발현상관성이 큰 선천적 변이의 유전자들을 선별하였다. 중심성 분석의 결과 확장성 심근증 에서는 ACTC1, ACTN2, BAG3, DES, DMD, DSG2, DSP, FKTN, ILK, LAMP2, LDB3, LMNA, MYH7, MYPN, PKD1, PKP2, PLN, PSEN1, RBM20, RYR2, SCN5A, SGCD, TCAP, TPM1, TTN, VCL이, 비대성 심근증 에서는 ACTC1, ACTN2, ANKRD1, LAMP2, MYOZ2, MYPN, PLN, PRKAG2, TTN, VCL이 심부전의 예후를 보이게 하는 유전자들과 발현상관성이 크다는 것을 알 수 있었다. 이는 말초 혈액을 이용한 통상적인 진단검사에 심부전의 예후를 예측 할 수 있는 마커 유전자로 활용이 가능하다. 본 연구 결과들은 심부전에 대한 신속 정확한 진단 및 예후를 예측 할 수 있게 해주어 적절한 치료 방향 결정 및 지속적인 모니터링을 통해 환자들의 수명 연장 및 삶의 질 향상에 기여 할 수 있는 보건학적 의의가 있다.제 1 장. 서 론 1 1.1 연구배경 1 1.1.1 심근증의 정의와 병리생리학적 특징 1 1.1.2 심근증에 대한 분자 수준의 연구 5 1.1.3 심근증으로 인한 심부전 17 1.1.4 심근증 관련 데이터베이스 18 1.1.5 마이크로어레이와 차별발현 유전자 분석 23 1.1.6 유전자 네트워크 분석 25 1.2 연구의 필요성 27 1.3 연구의 목적 29 제 2 장. 연구 방법 31 2.1 데이터 수집 및 가공 31 2.2 시스템 개발 환경 및 데이터베이스 구현 35 2.3 차별발현 유전자 분석 39 2.4 유전자 네트워크 분석 43 2.5 단백질 네트워크 분석 54 제 3 장. 연구 결과 55 3.1 심근증에 대한 유전학적 정보 검색 시스템 구축 55 3.2 마이크로어레이 데이터를 이용한 차별발현 유전자 분석 63 3.3 유전자 네트워크 분석 68 3.4 단백질 네트워크 분석 83 3.5 유전자 선별 86 제 4 장. 고 찰 97 4.1 심근증으로 인한 심부전의 마커유전자 탐색 97 4.2 활용 방안 99 4.3 보건학적 연구에 적용 101 제 5 장. 결 론 102 참고문헌 105 Abstract 111Maste