KR102735656B1 - Predicting biomarker for progression of Alzheimer’s dementia using alteration in DNA methylation of KRT32 gene - Google Patents
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Abstract
본 발명은 유전자 CpG 부위의 메틸화 수준을 검출함으로써, 알츠하이머병 치매로의 진행 위험성을 예측하기 위한 조성물, 키트 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a composition, kit, and method for predicting the risk of progression to Alzheimer's disease dementia by detecting the methylation level of a gene CpG region.
Description
본 발명은 유전자 CpG 부위의 메틸화 수준을 검출함으로써, 알츠하이머병 치매로의 진행 위험성을 예측하기 위한 조성물, 키트 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a composition, kit, and method for predicting the risk of progression to Alzheimer's disease dementia by detecting the methylation level of a gene CpG region.
한국의 빠른 경제 성장과 생활 방식의 서구화, 의학의 발전으로 인해 한국 국민의 평균 수명이 연장되는 한편, 한국은 전세계적으로 가장 빠르게 인구의 고령화가 진행되고 있다. 이에 따라 노화와 맞물려 발병하는 신경퇴행성질환 역시 가파르게 증가하고 있다. Due to Korea's rapid economic growth, Westernization of lifestyles, and advancements in medicine, the average life expectancy of Koreans has increased, while Korea is also experiencing the fastest aging population in the world. As a result, neurodegenerative diseases that occur in conjunction with aging are also increasing rapidly.
치매는 사회경제적 부담이 큰 대표적인 질환으로서, 그 중에서 알츠하이머병 치매는 치매의 가장 흔한 종류이다. 알츠하이머병 치매는 기억력 감퇴로 시작하여 시간과 공간의 인지 능력 상실, 망상 및 성격변화, 언어 기능 마비, 및 운동 기능 마비 등의 증상으로 장기간에 걸쳐 점진적으로 진행하여 결국 사망에 이르는 대표적인 신경퇴행성 뇌질환이다. Dementia is a representative disease with a large socioeconomic burden, and among them, Alzheimer's disease dementia is the most common type of dementia. Alzheimer's disease dementia is a representative neurodegenerative brain disease that starts with memory loss, progresses gradually over a long period of time with symptoms such as loss of time and space recognition ability, delusions and personality changes, language function paralysis, and motor function paralysis, and eventually leads to death.
알츠하이머병 치매를 치료하기 위한 연구가 지난 수십년간 지속적으로 진행되어 왔음에도 불구하고 현재까지 근본적인 치료제는 없으며 단지 증상을 완화하거나 병변의 진행을 늦추는 수준의 치료만이 행해지고 있는 실정이다. 따라서, 알츠하이머병 치매는 조기 진단 및 선제적 치료를 통해 치매의 발병시기를 지연시키는 것이 가장 효과적인 관리 방법으로 제시되고 있다.Although research on treating Alzheimer's disease has been continuously conducted for the past several decades, there is currently no fundamental treatment, and only treatments that alleviate symptoms or slow the progression of lesions are being performed. Therefore, the most effective management method for Alzheimer's disease dementia is to delay the onset of dementia through early diagnosis and preemptive treatment.
그러나, 현재 알츠하이머병 치매 진단에 사용되고 있는 신경인지검사의 경우 환자의 연령, 교육수준, 또는 의도적 대답 거부 등이 검사 결과의 정확도에 크게 영향을 미치는 단점이 있고, MRI나 PET을 이용한 뇌영상검사의 경우, 고가의 장비를 시용하기 때문에 특별한 증상을 나타내지 않는 초기단계에 검사를 시행하기가 어려운 단점이 있다.However, the neurocognitive tests currently used to diagnose Alzheimer's disease have the disadvantage that the accuracy of the test results is greatly affected by the patient's age, education level, or intentional refusal to answer, and brain imaging tests using MRI or PET have the disadvantage that they are difficult to perform in the early stages when no particular symptoms appear because they use expensive equipment.
이에, 알츠하이머병 치매의 진단을 위한 다른 방법으로, 뇌척수액 또는 혈청에서 베타 아밀로이드 단백질을 검출하는 방법, tau 단백질의 농도를 측정하는 방법, 신경아교원섬유 산성 단백질(glial fibrillary acidic protein, GFAP)-항체를 검출하는 방법 등의 생화학적 방법들이 제안되었으나, 진단 방법의 임상 적용의 효율성과 정확도 등의 문제가 제기되고 있다 (국제공개특허 제92/17152호; 미국특허 제4,666,829호; 국제공개특허 제89/06242호; 미국특허 제5,231,000호 등).Accordingly, biochemical methods such as a method for detecting beta-amyloid protein in cerebrospinal fluid or serum, a method for measuring the concentration of tau protein, and a method for detecting glial fibrillary acidic protein (GFAP) antibodies have been proposed as other methods for diagnosing Alzheimer's disease dementia. However, problems such as the efficiency and accuracy of clinical application of the diagnostic methods have been raised (International Patent Publication No. 92/17152; U.S. Patent No. 4,666,829; International Patent Publication No. 89/06242; U.S. Patent No. 5,231,000, etc.).
따라서, 알츠하이머병 치매의 조기진단을 위해 임상증상을 대변하거나, 증상이 나타나기 이전의 전임상 상태를 측정할 수 있는 새로운 진단 마커가 절실히 요구된다.Therefore, there is an urgent need for new diagnostic markers that can represent clinical symptoms for early diagnosis of Alzheimer's disease dementia or measure the preclinical state before the onset of symptoms.
본 발명자들은 KRT32 (Keratin 32) 유전자가 알츠하이머병 경도인지장애에 특이적으로 고메틸화(hypermethylation)되는 것을 확인하고, 이를 바이오마커로 이용하여 KRT32 유전자의 메틸화 정도를 측정함으로써 알츠하이머병 치매로의 진행 위험성을 예측할 수 있다는 것을 확인하여 본 발명을 완성하게 되었다.The present inventors confirmed that the KRT32 (Keratin 32) gene is specifically hypermethylated in mild cognitive impairment of Alzheimer's disease, and confirmed that the risk of progression to Alzheimer's disease dementia can be predicted by measuring the degree of methylation of the KRT32 gene using this as a biomarker, thereby completing the present invention.
이에, 본 발명의 일예는 KRT32 유전자 프로모터의 CpG 부위의 메틸화 수준을 측정하는 제제를 포함하는 알츠하이머병 치매로의 진행 위험성 예측용 조성물을 제공한다.Accordingly, an example of the present invention provides a composition for predicting the risk of progression to Alzheimer's disease dementia, comprising a preparation for measuring the methylation level of a CpG site of a KRT32 gene promoter.
다른 예는 상기 조성물을 포함하는 알츠하이머병 치매로의 진행 위험성 예측용 키트를 제공한다.Another example provides a kit for predicting the risk of progression to Alzheimer's disease dementia comprising the composition.
다른 예는 KRT32 유전자 프로모터의 CpG 부위에서의 메틸화 수준을 측정하여 알츠하이머병 치매로의 진행 위험성을 예측하는 방법을 제공한다.Another example provides a method for predicting the risk of progression to Alzheimer's disease dementia by measuring the methylation level at the CpG site of the KRT32 gene promoter.
다른 예는 개체의 시료로부터 KRT32 유전자 프로모터의 CpG 부위의 메틸화 수준을 측정하는 단계를 포함하는, 알츠하이머병 치매로의 진행 위험성 예측을 위한 정보 제공 방법을 제공한다.Another example provides a method for providing information for predicting the risk of progression to Alzheimer's disease dementia, comprising the step of measuring the methylation level of a CpG site of a KRT32 gene promoter from a sample of an individual.
다른 예는 알츠하이머병 치매로의 진행 위험성 예측에 필요한 정보를 제공하기 위하여, 개체의 시료로부터 KRT32 유전자 프로모터의 CpG 부위에서의 메틸화 수준을 측정하는 방법을 제공한다.Another example provides a method for measuring the level of methylation at the CpG site of the KRT32 gene promoter from a sample of an individual to provide information necessary for predicting the risk of progression to Alzheimer's disease dementia.
본 발명은 KRT32 유전자가 알츠하이머병 경도인지장애에 특이적으로 고메틸화된다는 발견에 기초한 것으로, KRT32 유전자의 특정 CpG 위치에서 일어나는 특이적인 DNA 고메틸화 정도를 측정하여 알츠하이머병 치매로의 진행 위험성을 예측하는 분자생물학적 진단 기술을 제공한다. The present invention is based on the discovery that the KRT32 gene is specifically hypermethylated in mild cognitive impairment of Alzheimer's disease, and provides a molecular biological diagnostic technology for predicting the risk of progression to Alzheimer's disease dementia by measuring the degree of specific DNA hypermethylation occurring at a specific CpG position of the KRT32 gene.
DNA 메틸화 변화는 DNA에 존재하기 때문에 검출이 용이하고, 단백질이나 RNA 마커들에 비해 안정적이며, 한 유전자의 특정 위치에서 일어나므로 분석이 손쉬운 장점을 가진다. DNA methylation changes have the advantage of being easy to detect because they exist in DNA, being more stable than protein or RNA markers, and being easy to analyze because they occur at a specific location in a gene.
구체적으로, 본원의 일실시예에서는, 아밀로이드 병리소견이 없는 경도인지장애 환자군과 알츠하이머병 경도인지장애 환자군의 시료로부터 게놈 DNA를 추출하고, DNA 메틸화 변이 분석을 통해 DNA 메틸화 프로파일을 분석하였고, 아밀로이드 병리소견이 없는 경도인지장애 환자군과 비교하여 알츠하이머병 경도인지장애 환자군의 유전자 프로모터 부위의 CpG 부위에서 20% 이상 DNA 메틸화가 변화한 유전자를 선별하였다. 이 선별된 유전자들 가운데 KRT32 유전자가 아밀로이드 병리소견이 없는 경도인지장애 환자군에 비해 알츠하이머병 경도인지장애 환자군에서 프로모터의 CpG 부위의 DNA 메틸화가 약 21% 증가되어 있음을 확인하였고 리시버-작동 특징 커브(ROC curve: receiver operating characteristics curve) 분석을 통해 KRT32 유전자 프로모터의 CpG 부위의 고메틸화가 아밀로이드 병리소견이 없는 경도인지장애 환자군 대비 알츠하이머병 경도인지장애 환자군을 높은 정확도 (AUC = 0.8)로 구분할 수 있음을 확인하였다.Specifically, in one embodiment of the present invention, genomic DNA was extracted from samples of a group of patients with mild cognitive impairment without amyloid pathology and a group of patients with mild cognitive impairment of Alzheimer's disease, and DNA methylation profiles were analyzed through DNA methylation mutation analysis. In comparison with the group of patients with mild cognitive impairment without amyloid pathology, genes in which DNA methylation was changed by 20% or more in the CpG region of the gene promoter region of the group of patients with mild cognitive impairment of Alzheimer's disease were selected. Among these selected genes, we confirmed that the DNA methylation of the CpG region of the promoter of the KRT32 gene was increased by approximately 21% in the Alzheimer's disease mild cognitive impairment patient group compared to the mild cognitive impairment patient group without amyloid pathology, and through receiver operating characteristics curve (ROC curve) analysis, we confirmed that the hypermethylation of the CpG region of the KRT32 gene promoter can distinguish the Alzheimer's disease mild cognitive impairment patient group from the mild cognitive impairment patient group without amyloid pathology with high accuracy (AUC = 0.8).
이러한 결과는 KRT32 유전자의 질환 특이적 고메틸화가, 비침습적인 방법으로 알츠하이머병 치매로의 진행 위험성 예측하기 위한 바이오마커로 활용할 수 있음을 나타낸다.These results suggest that disease-specific hypermethylation of the KRT32 gene may serve as a biomarker for noninvasively predicting the risk of progression to Alzheimer's disease dementia.
따라서, 일 구체예는 KRT32 유전자 프로모터의 CpG 부위의 메틸화 수준을 측정하는 제제를 포함하는 알츠하이머병 치매로의 진행 위험성 예측용 조성물을 제공한다.Accordingly, one specific example provides a composition for predicting the risk of progression to Alzheimer's disease dementia, comprising a formulation that measures the methylation level of a CpG site of the KRT32 gene promoter.
다른 구체예는 상기 조성물을 포함하는 알츠하이머병 치매로의 진행 위험성 예측용 키트를 제공한다.Another specific example provides a kit for predicting the risk of progression to Alzheimer's disease dementia comprising the composition.
다른 구체예는 개체의 시료로부터 KRT32 유전자 프로모터의 CpG 부위에서의 메틸화 수준을 측정하여 알츠하이머병 치매로의 진행 위험성을 예측하는 방법을 제공한다.Another specific example provides a method for predicting the risk of progression to Alzheimer's disease dementia by measuring the methylation level at a CpG site of the KRT32 gene promoter from a sample of an individual.
다른 구체예는 개체의 시료로부터 KRT32 유전자 프로모터의 CpG 부위에서의 메틸화 수준을 측정하는 단계를 포함하는, 알츠하이머병 치매로의 진행 위험성 예측을 위한 정보 제공 방법을 제공한다.Another specific example provides a method for providing information for predicting the risk of progression to Alzheimer's disease dementia, comprising the step of measuring the methylation level at a CpG site of a KRT32 gene promoter from a sample of an individual.
다른 구체예는 알츠하이머병 치매로의 진행 위험성 예측에 필요한 정보를 제공하기 위하여, 개체의 시료로부터 KRT32 유전자 프로모터의 CpG 부위에서의 메틸화 수준을 측정하는 방법을 제공한다.Another specific example provides a method of measuring the methylation level at a CpG site of a KRT32 gene promoter from a sample of an individual to provide information necessary for predicting the risk of progression to Alzheimer's disease dementia.
본 발명에서 용어, "메틸화" 또는 "메틸레이션"은 DNA를 구성하는 염기에 메틸기가 부착되는 것을 말한다. 바람직하게, 본 발명에서 메틸화 여부는 특정 유전자 프로모터의 CpG 부위의 사이토신에서 일어나는 메틸화 여부를 의미한다. 메틸화가 일어난 경우 그로 인하여 전사인자의 결합이 방해를 받게 되어 특정 유전자의 발현이 억제되며, 반대로, 비메틸화 또는 저메틸화가 일어나는 경우 특정 유전자의 발현이 증가하게 된다.In the present invention, the term "methylation" or "methylation" refers to the attachment of a methyl group to a base constituting DNA. Preferably, in the present invention, methylation refers to methylation occurring at a cytosine of a CpG site of a specific gene promoter. If methylation occurs, binding of a transcription factor is hindered, thereby inhibiting the expression of a specific gene, and conversely, if unmethylation or hypomethylation occurs, the expression of a specific gene increases.
포유동물 세포의 게놈 DNA 에는 A, C, G 및 T 에 더하여, 사이토신 링의 다섯번째 탄소에 메틸 그룹이 부착된 5-메틸사이토신(5-methylcytosine, 5-mC)이라는 5번째 염기가 존재한다. 5-메틸사이토신의 메틸화는 CpG라고 불리는 CG 디뉴클레오티드(5'-mCG-3')의 C에서만 일어나고, CpG의 메틸화는 alu 또는 트랜스포존과 게놈의 반복서열이 발현되는 것을 억제한다. 또한, 상기 CpG의 5-mC가 자연적으로 탈아미노화하여 티민(T)이 되기 쉽기 때문에, CpG는 포유동물 세포에서 대부분의 후생유전학적 변화가 자주 일어나는 부위이다.In addition to A, C, G, and T, the genomic DNA of mammalian cells contains a fifth base called 5-methylcytosine (5-mC), which has a methyl group attached to the fifth carbon of the cytosine ring. Methylation of 5-methylcytosine occurs only at the C of the CG dinucleotide (5'-mCG-3') called CpG, and methylation of CpG suppresses the expression of alu or transposons and repetitive sequences in the genome. In addition, since the 5-mC of CpG is easily deaminated naturally to become thymine (T), CpG is the site where most epigenetic changes frequently occur in mammalian cells.
본 발명에서 용어, "메틸화 수준의 측정"은 유전자 CpG 부위의 메틸화 수준을 측정하는 것으로서, 메틸화 특이적인 PCR, 예를 들어 메틸화 특이적 PCR(methylation-specific polymerase chain reaction, MSP), 실시간 메틸화 특이적 PCR(real time methylation-specific polymerase chain reaction), 메틸화 DNA 특이적 결합 단백질을 이용한 PCR, 또는 정량 PCR 등을 통해 측정할 수 있다. 또는, 파이로시퀀싱 또는 바이설파이트 시퀀싱과 같은 자동염기분석 등의 방법으로 측정하거나, DNA 메틸레이션 마이크로어레이, 또는 메틸화된 CpG 결합 도메인 또는 항-메틸사이토신 항체를 이용한 면역침강법 등을 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 알츠하이머병이 아닌 사람의 시료에 비하여 또는 미리 결정된 임계값(cut-off)과 비교하여, 환자의 시료에서는 KRT32 유전자에서의 고메틸화가 특이적으로 나타나는 것을 통해서, 알츠하이머병 치매로의 진행 위험성 예측할 수 있다.In the present invention, the term "measurement of methylation level" refers to measuring the methylation level of a CpG region of a gene, which can be measured by methylation-specific PCR, for example, methylation-specific PCR (methylation-specific polymerase chain reaction, MSP), real time methylation-specific PCR, PCR using methylated DNA-specific binding protein, or quantitative PCR. Alternatively, it can be measured by a method such as automated base analysis such as pyrosequencing or bisulfite sequencing, or by using a DNA methylation microarray, or an immunoprecipitation method using a methylated CpG binding domain or an anti-methylcytosine antibody, but is not limited thereto. The risk of progression to Alzheimer's disease dementia can be predicted by specifically showing hypermethylation in the KRT32 gene in a patient's sample compared to a sample from a person without Alzheimer's disease or compared to a predetermined threshold (cut-off).
인간 KRT32 유전자는 17번 염색체에 위치하며, NCBI Entrez database 에 Gene ID: 3882 로 등록되어 있다. The human KRT32 gene is located on chromosome 17 and is registered in the NCBI Entrez database as Gene ID: 3882.
본 발명에서, 유전자의 CpG 부위란, 유전자의 DNA 상에 존재하는 CpG 부위를 말한다. 유전자의 DNA 는, 유전자가 발현하는데 필요하며 서로 작동가능하게 연결되어 있는 일련의 구성 단위를 모두 포함하는 개념으로, 예를 들어, 프로모터 영역, 단백질 코딩 영역(open reading frame, ORF) 및 터미네이터 영역을 포함한다. 따라서, 유전자의 CpG 부위는 해당 유전자의 프로모터 영역, 단백질 코딩 영역(open reading frame, ORF) 또는 터미네이터 영역 등에 존재할 수 있다. 바람직하게, KRT32 유전자에서 질환 특이적 고메틸화가 일어나는 CpG 부위는 유전자의 프로모터에 존재할 수 있다.In the present invention, the CpG site of a gene refers to a CpG site existing on the DNA of the gene. The DNA of the gene is a concept that includes a series of structural units that are necessary for the expression of the gene and are operably linked to each other, for example, a promoter region, a protein coding region (open reading frame, ORF), and a terminator region. Therefore, the CpG site of the gene may exist in the promoter region, the protein coding region (open reading frame, ORF), or the terminator region of the gene. Preferably, the CpG site where disease-specific hypermethylation occurs in the KRT32 gene may exist in the promoter of the gene.
일예로, 본 발명에서 KRT32 유전자 프로모터의 CpG 부위의 메틸화 수준을 측정하는 것은, KRT32 유전자의 프로모터 CpG 부위, 보다 상세하게는 17번 염색체의 41467764 내지 41467885번째 염기서열(서열번호 1) 중에 나타나는 CpG 부위의 사이토신의 메틸화 수준을 측정하는 것을 포함할 수 있다:For example, in the present invention, measuring the methylation level of the CpG site of the KRT32 gene promoter may include measuring the methylation level of cytosine in the CpG site of the promoter of the KRT32 gene, more specifically, in the CpG site appearing in the nucleotide sequence at positions 41467764 to 41467885 of chromosome 17 (SEQ ID NO: 1):
TCCCCATGGGAAGAGGCCTGGCTATTTAACAAGGAAATGTGTGGGTGGTAGAAACTGCTC C GATGCTGGCAGCGGCATAAATCCAGCAGAAAGGAACAGGAACCTCAGAGGCTTCCTAACAG (서열번호 1)TCCCCATGGGAAGAGGCCTGGCTATTTAACAAGGAAATGTGTGGGTGGTAGAAACTGCTC C GATGCTGGCAGCGGCATAAATCCAGCAGAAAGGAACAGGAACCTCAGAGGCTTCCTAACAG (SEQ ID NO: 1)
보다 구체적으로, 17번 염색체의 41467824번째 염기(서열번호 1의 61번째 염기)에 위치한 사이토신의 메틸화를 측정하는 것을 포함할 수 있다. More specifically, it may include measuring methylation of cytosine located at base 41467824 of chromosome 17 (base 61 of SEQ ID NO: 1).
본 발명에서는 상기 인간 게놈 염색체 부위의 염기서열은 최신 버전인 GRCh38 Genome Reference Consortium Human Reference 38 (GRCh38/hg38) 에 따라 표현하였지만 상기 인간 게놈 염색체 부위의 구체적 서열은 게놈 서열 연구 결과가 업데이트됨에 따라서 그 표현이 다소 변경될 수 있으며, 이러한 변경에 따라 본 발명의 상기 인간 게놈 염색체 부위의 표현이 상이해질 수 있다. 따라서, 본 발명의 GRCh38 Genome Reference Consortium Human Reference 38 (GRCh38/hg38) 에 따라 표현된 인간 게놈 염색체 부위는 본 발명의 출원일 이후 인간 표준 염기서열(human reference sequence)이 업데이트되어 상기 인간 게놈 염색체 부위의 표현이 지금과 다르게 변경된다고 하여도, 본 발명의 범위가 상기 변경된 인간 게놈 염색체 부위에 미치게 됨은 자명하다고 할 것이다. 이러한 변경 내용은 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 누구라도 용이하게 알 수 있는 사항이다.In the present invention, the base sequence of the human genome chromosome region is expressed according to the latest version, GRCh38 Genome Reference Consortium Human Reference 38 (GRCh38/hg38). However, the specific sequence of the human genome chromosome region may be somewhat changed in expression as the genome sequence research results are updated, and the expression of the human genome chromosome region of the present invention may be different according to such change. Therefore, even if the human reference sequence is updated after the filing date of the present invention and the expression of the human genome chromosome region is changed differently from the present expression, it will be obvious that the scope of the present invention extends to the changed human genome chromosome region. Anyone having ordinary skill in the art to which the present invention pertains can easily understand such change.
본 발명에서 용어, "알츠하이머병 (Alzheimer’s disease, AD)"은 신경 퇴행성 뇌질환의 대표적인 질환으로 기억력저하를 초기 증상으로 하고, 이후 전반적인 인지기능의 저하를 보이는 병이다. 종래에는 알츠하이머병을 임상증상에 기반하여 정의하고, 뇌의 부검을 통해 확진하였으나, 최근에는 알츠하이머병과 관련된 신경병리학적 변화들이 밝혀지고 이를 임상검사로 활용할 수 있게 되면서, 이러한 변화를 생체 내(in vivo) 생물표지자를 통하여 확인함으로써 알츠하이머병을 정의할 수 있게 되었다. 현재도, 알츠하이머병의 확진은 사후 뇌의 부검소견이긴 하지만, 뇌의 부검소견의 대표적인 특징으로 알려져 있는 아밀로이드 단백 및 타우 단백의 병적인 축적을 PET 영상 또는 뇌척수액검사를 간접적으로 확인할 수 있게 되면서, 임상양상만으로 진단하던 시대에 비해 진단의 정확성이 획기적으로 발전하게 되었다. In the present invention, the term "Alzheimer's disease (AD)" is a representative neurodegenerative brain disease that starts with memory loss as an initial symptom and then shows overall cognitive function decline. In the past, Alzheimer's disease was defined based on clinical symptoms and confirmed through brain autopsy, but recently, as neuropathological changes related to Alzheimer's disease have been discovered and can be utilized as clinical tests, Alzheimer's disease can be defined by confirming these changes through in vivo biomarkers. Even now, Alzheimer's disease is confirmed through postmortem brain autopsy findings, but pathological accumulation of amyloid protein and tau protein, which are known as representative features of brain autopsy findings, can be indirectly confirmed through PET imaging or cerebrospinal fluid examination, and the accuracy of diagnosis has been dramatically improved compared to the era when diagnosis was made based solely on clinical features.
알츠하이머병을 정의하기 위한 생물표지자로는, 베타아밀로이드 관련 지표(예를 들어, 뇌피질의 amyloid-PET 리간드의 결합이나 뇌척수액에서의 Aβ42 의 감소), 신경원섬유매듭 형태의 타우 관련 지표 (예를 들어, 뇌척수액에서의 인산화 타우의 증가나 뇌피질의 tau-PET 리간드의 결합), 또는 신경퇴행의 지표 (예를 들어, 뇌척수액 총 타우의 증가 또는 MRI에서의 뇌위축과 FDG-PET에서의 뇌 대사저하) 등을 들 수 있다.Biomarkers for defining Alzheimer's disease include beta-amyloid-related markers (e.g., decreased amyloid-PET ligand binding in the brain cortex or Aβ 42 in the cerebrospinal fluid), tau-related markers in the form of neurofibrillary tangles (e.g., increased phosphorylated tau in the cerebrospinal fluid or tau-PET ligand binding in the brain cortex), or markers of neurodegeneration (e.g., increased total tau in the cerebrospinal fluid or brain atrophy on MRI and brain hypometabolism on FDG-PET).
미국 국립노화연구소(National Institute of Ageing, NIA)와 알츠하이머협회(Alzheimer Association, AA)가 2011년에 발표한 NIA-AA 알츠하이머병의 진단기준을 업데이트한, 2018년 알츠하이머병의 연구용 진단기준(Jack CR, et al., NIA-AA Research Framework: toward a biological definition of Alzheimer’s disease. Alzheimers Dement 2018;14:535-562)에 따르면, 알츠하이머병은 치매의 임상증상이 나타나기 전이라도 알츠하이머병의 병리적 특성(상술한 바와 같은 알츠하이머병 생물표지자)이 관찰된다면 알츠하이머병의 진단기준에 포함된다. 구체적으로, 생물표지자와 인지 단계의 조합을 통하여 알츠하이머병을 크게 알츠하이머병 정상인지기능 (preclinical Alzheimer’s disease), 알츠하이머병 경도인지장애 (prodromal Alzheimer’s disease) 및 알츠하이머병 치매 (Symptomatic Alzheimer’s disease)로 세분화하여 하나의 연속체(continuum) 개념으로 설명한다.According to the 2018 Alzheimer's disease research criteria (Jack CR, et al., NIA-AA Research Framework: toward a biological definition of Alzheimer’s disease. Alzheimers Dement 2018;14:535-562), which are an update of the NIA-AA diagnostic criteria for Alzheimer’s disease announced in 2011 by the National Institute on Aging (NIA) and the Alzheimer Association (AA), Alzheimer’s disease is included in the diagnostic criteria for Alzheimer’s disease if the pathological characteristics of Alzheimer’s disease (Alzheimer’s disease biomarkers as described above) are observed even before the appearance of clinical symptoms of dementia. Specifically, Alzheimer’s disease is broadly categorized into preclinical Alzheimer’s disease, prodromal Alzheimer’s disease, and symptomatic Alzheimer’s disease through a combination of biomarkers and cognitive stages, and explained as a continuum.
알츠하이머병 정상인지기능은 생물학적 표지자검사에서 알츠하이머병의 병리 소견을 보이나, 임상증상은 없는 임상전(preclinical) 단계에 해당한다. 다음 단계인 알츠하이머병 경도인지장애는 생물학적 표지자검사에서 알츠하이머병의 병리 소견을 보이나, 경도의 객관적 인지저하가 있고, 독립적인 일상생활 수행능력은 유지되는 단계로서, "경도인지장애 단계의 알츠하이머병(AD with mild cognitive impairment)" 또는 "알츠하이머병 전구단계(prodromal AD)라는 용어도 병기된다. 알츠하이머병 치매는 생물학적 표지자 검사에서 알츠하이머병의 병리 소견을 보이고, 치매 증상이 발현되어, 객관적인 인지기능의 저하로 인해 독립적인 일상생활능력이 손상된다. "치매 단계의 알츠하이머병(AD with dementia)" 또는 "증상이 있는 알츠하이머병(Symptomatic AD)라는 용어도 병기된다.Alzheimer's disease normal cognitive function corresponds to the preclinical stage where biological marker tests show pathological findings of Alzheimer's disease but there are no clinical symptoms. The next stage, Alzheimer's disease mild cognitive impairment, is the stage where biological marker tests show pathological findings of Alzheimer's disease but there is mild objective cognitive decline and the ability to perform independent daily living is maintained. The terms "AD with mild cognitive impairment" or "prodromal AD" are also used. Alzheimer's disease dementia shows pathological findings of Alzheimer's disease in biological marker tests, dementia symptoms appear, and independent daily living ability is impaired due to objective decline in cognitive function. The terms "AD with dementia" or "Symptomatic AD" are also used.
이에 따라, 본 발명에서 용어, "알츠하이머병 경도인지장애"는 알츠하이머병의 병리적 특성(생물표지자)을 나타내는 것을 전제로 하되, 객관적 인지저하가 있으나 일상생활수행능력은 보존되어 있어 치매가 아닌 상태로, 알츠하이머병 치매 발병 전의 단계를 말한다. Accordingly, in the present invention, the term "Alzheimer's disease mild cognitive impairment" refers to a state before the onset of Alzheimer's disease dementia, in which objective cognitive decline is present but the ability to perform daily living activities is preserved, thus not dementia, while presupposing the pathological characteristics (biomarkers) of Alzheimer's disease.
이와 대비하여, 일반적인 "경도인지장애(mild cognitive impairment, MCI)"는 알츠하이머병뿐만 아니라, 다른 신경퇴행성질환 또는 다양한 요인으로 인하여 임상적으로 판단할 때, 인지능력이 감퇴되는 경우를 포함한다. 매년 일반 노인 인구의 1~2%에서 치매로 진행하는데 비하여, 경도인지장애 노인의 경우 1년에 5-20%에서 치매로 진행하는 것으로 알려져 있어, 경도인지장애는 치매의 고위험군으로 여겨진다. 그러나 경도인지장애는 알츠하이머병 치매가 아닌, 이마관자엽 치매나 혈관성 치매와 같은 다른 치매질환으로 진행되는 경우도 있고, 20~30%는 정상으로 회복되거나 치매로 진행되지 않고 경도인지장애 상태로 비슷하게 유지되는 것으로 알려져 있다. In contrast, the general "mild cognitive impairment (MCI)" includes cases in which cognitive ability is clinically judged to be declining due to not only Alzheimer's disease but also other neurodegenerative diseases or various factors. While 1-2% of the general elderly population progresses to dementia every year, 5-20% of the elderly with mild cognitive impairment are known to progress to dementia per year, so mild cognitive impairment is considered a high-risk group for dementia. However, mild cognitive impairment may progress to other dementia diseases such as frontotemporal dementia or vascular dementia rather than Alzheimer's disease dementia, and 20-30% are known to recover to normal or not progress to dementia but remain in a similar state of mild cognitive impairment.
그러나, 본원에서 "알츠하이머병 경도인지장애"는 알츠하이머병으로 인한 경도인지장애, 즉 알츠하이머병의 병리적 특성(생물표지자)을 나타내는 경도인지장애를 말하는 것으로, 일반적인 경도인지장애에 비하여 알츠하이머병 치매로 진행될 가능성이 월등히 높다. 종래 보고에 따르면, 알츠하이머병에 의한 것이 아닌 경도인지장애의 경우 3년내 알츠하이머병 치매로 진행하는 비율이 약 5%에 불과하였으나, NIA-AA 진단기준에 따른 알츠하이머병 경도인지장애의 경우 3년내 알츠하이머병 치매로 진행하는 비율이 약 59%로서 월등히 높았다 (Brain 2015: 138; 1327-1338).However, in this hospital, "Alzheimer's disease mild cognitive impairment" refers to mild cognitive impairment caused by Alzheimer's disease, that is, mild cognitive impairment that exhibits the pathological characteristics (biomarkers) of Alzheimer's disease, and is much more likely to progress to Alzheimer's disease dementia than general mild cognitive impairment. According to previous reports, the rate of progression to Alzheimer's disease dementia within 3 years was only about 5% in the case of mild cognitive impairment not caused by Alzheimer's disease, but in the case of Alzheimer's disease mild cognitive impairment according to the NIA-AA diagnostic criteria, the rate of progression to Alzheimer's disease dementia within 3 years was about 59%, which was much higher (Brain 2015: 138; 1327-1338).
이에, 본원 발명의 메틸화 마커는, 아밀로이드 병리소견이 없는 경도인지장애 환자군 대비 알츠하이머병 경도인지장애 환자군에 특이적으로 고메틸화되며, ROC 커브 분석을 통해 아밀로이드 병리소견이 없는 경도인지장애 환자군과 알츠하이머병 경도인지장애 환자군을 구별하는 유효성이 확인되었으므로, 알츠하이머병 경도인지장애에서 알츠하이머병 치매로의 진행 위험성을 미리 예측하는, 알츠하이머병 치매 예측 진단 마커로 활용될 수 있다.Accordingly, the methylation marker of the present invention is specifically hypermethylated in the Alzheimer's disease mild cognitive impairment patient group compared to the mild cognitive impairment patient group without amyloid pathology findings, and the validity of distinguishing between the mild cognitive impairment patient group without amyloid pathology findings and the Alzheimer's disease mild cognitive impairment patient group was confirmed through ROC curve analysis. Therefore, it can be utilized as a diagnostic marker for predicting Alzheimer's disease dementia that predicts the risk of progression from Alzheimer's disease mild cognitive impairment to Alzheimer's disease dementia in advance.
또한 본 발명의 조성물, 키트 및 방법은 알츠하이머성 치매 위험성을 미리 예측함으로써, 알츠하이머병 치매로의 진행가능성이 높은 환자를 선별하여 적극적인 예방관리 및 조기치료를 통해 질병의 악화를 지연시킬 수 있다. 또한 추후 임상적으로 활용될 경우, 조기 발견으로 인해 치매의 발병지연 및 유병률 감소 효과를 거둘 수 있으며, 궁극적으로 환자와 가족의 삶의 질을 향상시키고 나아가 국가가 부담하게 되는 사회경제적 비용을 크게 줄일 수 있다.In addition, the composition, kit, and method of the present invention can predict the risk of Alzheimer's dementia in advance, thereby selecting patients with a high possibility of progressing to Alzheimer's disease dementia and delaying the worsening of the disease through active preventive management and early treatment. In addition, if clinically utilized in the future, it can delay the onset of dementia and reduce the prevalence due to early detection, ultimately improving the quality of life of patients and their families and significantly reducing the socioeconomic costs borne by the country.
본 발명에서 "진단"이란 질환의 존재, 질환 병리 상태의 존재 또는 특징을 확인하는 것을 의미한다. 포괄적으로, 진단은 특정 질환을 현재 가지고 있는지 여부를 확인하거나, 증상이 나타나기 이전의 상태를 측정하거나, 질환의 예후(prognosis)를 판정하는 것, 나아가 질환의 진행 여부 또는 심화 여부를 확인하는 것을 포함할 수 있다.In the present invention, "diagnosis" means confirming the existence of a disease, the existence or characteristics of a disease pathological condition. In general, diagnosis may include confirming whether a person currently has a specific disease, measuring a condition before symptoms appear, determining the prognosis of a disease, and further confirming whether a disease is progressing or worsening.
본 발명에서 용어, "알츠하이머병 치매로의 진행 위험성 예측"은 알츠하이머병 치매의 증상이 나타나기 이전의 단계에서 향후 알츠하이머병 치매가 발병되거나 알츠하이머병 치매로 진행될 위험성을 미리 평가하고 예측하는 것을 의미한다.In the present invention, the term "prediction of risk of progression to Alzheimer's disease dementia" means assessing and predicting in advance the risk of developing or progressing to Alzheimer's disease dementia in the future at a stage before symptoms of Alzheimer's disease dementia appear.
본 발명에서, CpG 부위의 메틸화 수준을 측정하는 제제는 비메틸화 사이토신 염기를 변형시키는 화합물 또는 메틸화 민감성 제한효소, 유전자의 메틸화된 대립형질 서열에 특이적인 프라이머, 비메틸화된 대립형질 서열에 특이적인 프라이머, 메틸화된 CpG 결합 도메인, 또는 메틸화 DNA에 특이적으로 결합하는 메틸화 DNA항체 (예를 들어, 메틸사이토신에 특이적으로 결합하는 항체) 등을 포함할 수 있다.In the present invention, the agent for measuring the methylation level of a CpG site may include a compound that modifies an unmethylated cytosine base, a methylation-sensitive restriction enzyme, a primer specific for a methylated allele sequence of a gene, a primer specific for an unmethylated allele sequence, a methylated CpG binding domain, or a methylated DNA antibody that specifically binds to methylated DNA (e.g., an antibody that specifically binds to methylcytosine).
상기 비메틸화 사이토신 염기를 변형시키는 화합물은 바이설파이트(bisulfite) 또는 이의 염일 수 있으나 이에 제한되지 않으며, 바람직하게는 소듐 바이설파이트일 수 있다. 바이설파이트 변형된 DNA 는 서열분석 또는 메틸화 특이적 PCR 등 다양한 방법을 통하여 메틸화를 검출할 수 있으며, 이러한 바이설파이트를 이용하여 비메틸화 사이토신 잔기를 변형시켜 유전자의 메틸화 여부를 검출하는 방법은 당 업계에 널리 공지되어 있다(예를 들어, WO01/26536; US2003/0148326A1).The compound modifying the above unmethylated cytosine base may be, but is not limited to, bisulfite or a salt thereof, and preferably may be sodium bisulfite. Bisulfite-modified DNA can be methylated by various methods such as sequence analysis or methylation-specific PCR, and methods for modifying unmethylated cytosine residues using such bisulfite to detect whether a gene is methylated are widely known in the art (e.g., WO01/26536; US2003/0148326A1).
또한, 상기 메틸화 민감성 제한효소는 CpG 부위의 메틸화를 특이적으로 검출할 수 있는 제한효소로서 제한효소의 인식부위로 CG를 함유하는 제한효소일 수 있다. 예를 들면, SmaI, SacII, EagI, HpaII, MspI, BssHII, BstUI, NotI 등이 있으며 이에 제한되지 않는다. 상기 제한효소 인식부위의 C에서의 메틸화 또는 비메틸화에 따라 제한효소에 의한 절단 여부가 달라지고 이를 PCR 또는 서던블롯(Southern Blot) 분석을 통해 검출할 수 있게 된다. 상기 제한효소 이외의 다른 메틸화 민감성 제한효소는 당 업계에 잘 알려져 있다.In addition, the methylation-sensitive restriction enzyme may be a restriction enzyme that can specifically detect methylation of a CpG site and contains CG as a recognition site of the restriction enzyme. Examples thereof include, but are not limited to, Sma I, Sac II, Eag I, Hpa II, Msp I, Bss HII, Bst UI, Not I, etc. Depending on methylation or unmethylation at C of the restriction enzyme recognition site, whether or not the restriction enzyme cuts is different, and this can be detected through PCR or Southern Blot analysis. Other methylation-sensitive restriction enzymes other than the above restriction enzymes are well known in the art.
개체의 유전자의 특정 CpG 부위에서의 메틸화 수준을 측정하는 대표적인 일예로서, 환자의 시료에서 게놈 DNA를 수득하고, 수득한 DNA에 메틸화되지 않은 사이토신 염기를 변형시키는 화합물 또는 메틸화 민감성 제한효소를 처리한 후, 상기 처리된 DNA를 프라이머를 이용하여 PCR에 의해 증폭시키고 그 증폭된 결과물의 존부를 확인하는 것을 통해 측정할 수 있다.As a representative example of measuring the methylation level at a specific CpG site of an individual's gene, genomic DNA is obtained from a patient's sample, the obtained DNA is treated with a compound that modifies unmethylated cytosine bases or a methylation-sensitive restriction enzyme, the treated DNA is amplified by PCR using primers, and the presence or absence of the amplified result is confirmed.
따라서, 본 발명의 제제는 유전자의 메틸화된 대립형질 서열에 특이적인 프라이머 및 비메틸화된 대립형질 서열에 특이적인 프라이머를 포함할 수 있다. 본 발명에서, 용어 "프라이머"는 짧은 자유 3 말단 수산화기를 가지는 핵산 서열로 상보적인 주형(template)과 염기쌍을 형성할 수 있고 주형 가닥 복사를 위한 시작 지점으로 기능을 하는 짧은 핵산 서열을 의미한다. 프라이머는 적절한 완충용액 및 온도에서 중합반응(즉, DNA 중합효소 또는 역전사효소)을 위한 시약 및 상이한 4가지 뉴클레오사이드 트리포스페이트의 존재하에서 DNA 합성을 개시할 수 있다. 또한, 프라이머는, 7개 내지 50개의 뉴클레오타이드 서열을 가진 센스 및 안티센스 핵산으로서, DNA 합성의 개시점으로 작용하는 프라이머의 기본 성질을 변화시키지 않는 추가의 특징을 혼입할 수 있다.Accordingly, the formulation of the present invention may include a primer specific for a methylated allele sequence of a gene and a primer specific for an unmethylated allele sequence. As used herein, the term "primer" means a short nucleic acid sequence having a short free 3-terminal hydroxyl group, which can form base pairs with a complementary template and serves as a starting point for copying the template strand. The primer can initiate DNA synthesis in the presence of a reagent for polymerization reaction (i.e., DNA polymerase or reverse transcriptase) and four different nucleoside triphosphates in an appropriate buffer and temperature. In addition, the primer may incorporate additional features that do not change the basic property of the primer to act as a starting point for DNA synthesis as a sense and antisense nucleic acid having a sequence of 7 to 50 nucleotides.
본 발명의 프라이머는 메틸화 여부를 분석하는 대상이 되는 특정 CpG 부위의 서열에 따라 바람직하게 디자인될 수 있으며, 각각 메틸화되어 바이설파이트에 의해 변형되지 않았던 사이토신을 특이적으로 증폭할 수 있는 프라이머쌍, 및 메틸화되지 않아 바이설파이트에 의해 변형된 사이토신을 특이적으로 증폭할 수 있는 프라이머쌍일 수 있다. The primers of the present invention can be preferably designed according to the sequence of a specific CpG site to be analyzed for methylation, and can be a primer pair that can specifically amplify a cytosine that is methylated and not modified by bisulfite, and a primer pair that can specifically amplify a cytosine that is not methylated and modified by bisulfite.
한편, 메틸화 DNA 항체란, DNA 중의 메틸화된 염기에 특이적으로 결합하는 항체를 말한다. 구체적으로는, 메틸사이토신에 대한 항체와 같이, DNA 사슬 중 메틸화된 사이토신을 인식하여 결합하는 성질을 가진 항체를 들 수 있다. 또한, 시판되고 있는 메틸화 DNA 항체 중에서, 본원에 기재된 메틸화 상태의 DNA를 특이적으로 인식하여 특이적으로 결합할 수 있는 항체일 수 있다. Meanwhile, a methylated DNA antibody refers to an antibody that specifically binds to a methylated base in DNA. Specifically, an antibody having a property of recognizing and binding to a methylated cytosine in a DNA chain, such as an antibody for methyl cytosine, may be mentioned. In addition, among the methylated DNA antibodies on the market, an antibody that can specifically recognize and specifically bind to DNA in a methylated state as described herein may be mentioned.
메틸화 DNA 항체는 메틸화된 염기, 메틸화 DNA 등을 항원으로 하여 통상의 방법에 의해 제작할 수 있다. 예를 들어, 메틸사이토신 항체를 제조하기 위해서는, 5―메틸사이티딘, 5―메틸사이토신, 또는 5―메틸사이토신을 포함하는 DNA 등을 항원으로 하여 항체를 제조한 후 DNA 중의 메틸사이토신으로의 특이적인 결합을 지표로서 선별할 수 있다. Methylated DNA antibodies can be produced using methylated bases, methylated DNA, etc. as antigens by conventional methods. For example, to produce a methylcytosine antibody, an antibody is produced using 5-methylcytidine, 5-methylcytosine, or DNA containing 5-methylcytosine as antigens, and then the antibody can be selected using specific binding to methylcytosine in the DNA as an indicator.
또한, 메틸화된 CpG 결합 도메인(CpG binding domain: MBD) 또는 메틸화 DNA 항체를 이용하여 메틸화 수준을 측정하는 경우, 이들을 이용하여 메틸화된 DNA 를 면역침강시킨 후, 서던블롯, PCR, 마이크로어레이, 또는 서열분석(sequencing) 등을 통해 특정 CpG 부위를 확인할 수 있다. 또한, 항체의 면역학적 검출 또는 정량을 위하여 기질, 적당한 완충용액, 발색 효소 또는 형광물질 표지, 발색 효소 또는 형광물질로 표지된 2차 항체, 및 발색 기질 등을 사용할 수 있다. 상기에서 기질은 니트로셀룰로오스 막, 폴리비닐 수지로 합성된 96 웰 플레이트, 폴리스틸렌 수지로 합성된 96 웰 플레이트 및 유리로 된 슬라이드 글라스 등이 이용될 수 있고, 발색효소는 퍼옥시다아제(peroxidase), 알칼라인 포스파타아제(alkaline phosphatase) 등이 사용될 수 있고, 형광 물질은 FITC, RITC 등이 사용될 수 있고, 발색기질액은 ABTS(2,2'-아지노-비스-(3-에틸벤조티아졸린-6-설폰산)) 또는 OPD(o-페닐렌디아민), TMB(테트라메틸 벤지딘)가 사용될 수 있고, 그 외 방사성 동위원소 표지, 라텍스 비드 표지, 콜로이드 표지, 비오틴 표지 등을 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.In addition, when measuring the methylation level using a methylated CpG binding domain (MBD) or methylated DNA antibody, the methylated DNA can be immunoprecipitated using these, and then a specific CpG site can be identified through Southern blot, PCR, microarray, or sequencing. In addition, a substrate, an appropriate buffer solution, a chromogenic enzyme or fluorescent substance label, a secondary antibody labeled with a chromogenic enzyme or fluorescent substance, and a chromogenic substrate can be used for immunological detection or quantification of the antibody. In the above, the substrate may be a nitrocellulose membrane, a 96-well plate synthesized with polyvinyl resin, a 96-well plate synthesized with polystyrene resin, a glass slide glass, etc., the chromogenic enzyme may be peroxidase, alkaline phosphatase, etc., the fluorescent substance may be FITC, RITC, etc., the chromogenic substrate solution may be ABTS (2,2'-azino-bis-(3-ethylbenzothiazoline-6-sulfonic acid)) or OPD (o-phenylenediamine), TMB (tetramethyl benzidine), and other radioisotope labels, latex bead labels, colloid labels, biotin labels, etc., but are not limited thereto.
상기 조성물 및 키트에는 상기 제제 이외에도, 중합효소 아가로스, 전기영동에 필요한 완충용액 등이 추가로 포함될 수 있다. 또한, 상기 키트는 DNA 메틸화 마이크로어레이 형태로 구현될 수 있다.In addition to the above formulation, the above composition and kit may further include polymerase agarose, a buffer solution required for electrophoresis, etc. In addition, the kit may be implemented in the form of a DNA methylation microarray.
다른 구체예로, 본 발명은 KRT32 유전자 프로모터의 CpG 부위에서의 메틸화 수준을 측정하여 알츠하이머병 치매로의 진행 위험성을 예측하는 방법에 관한 것이다.In another specific example, the present invention relates to a method for predicting the risk of progression to Alzheimer's disease dementia by measuring the methylation level at a CpG site of the KRT32 gene promoter.
또한, 본 발명은 알츠하이머병 치매로의 진행 위험성 예측에 필요한 정보를 제공하기 위하여, 개체의 시료로부터 유전자 프로모터의 CpG 부위의 메틸화 수준을 검출하는 방법에 관한 것이다.In addition, the present invention relates to a method for detecting the methylation level of a CpG region of a gene promoter from a sample of an individual to provide information necessary for predicting the risk of progression to Alzheimer's disease dementia.
또한, 본 발명은 개체의 시료로부터 KRT32 유전자 프로모터의 CpG 부위에서의 메틸화 수준을 측정하는 단계를 포함하는, 알츠하이머병 치매로의 진행 위험성 예측을 위한 정보 제공 방법에 관한 것이다.In addition, the present invention relates to a method for providing information for predicting the risk of progression to Alzheimer's disease dementia, comprising a step of measuring the methylation level at a CpG site of the KRT32 gene promoter from a sample of an individual.
이를 위한 일 구현예로, 본 발명은 개체의 시료로부터 KRT32 유전자 프로모터의 CpG 부위의 메틸화 수준을 측정하는 단계; 및 상기 메틸화 수준을 알츠하이머병이 아닌 대조군 시료의 해당 유전자의 메틸화 수준과 비교하거나 미리 결정된 임계값(cut-off)과 비교하는 단계를 포함하는, 알츠하이머병 치매로의 진행 위험성 예측을 위한 정보를 제공하는 방법에 관한 것이다.As an embodiment for this, the present invention relates to a method for providing information for predicting the risk of progression to Alzheimer's disease dementia, comprising the steps of: measuring a methylation level of a CpG site of a KRT32 gene promoter from a sample of a subject; and comparing the methylation level with the methylation level of the corresponding gene in a control sample that does not have Alzheimer's disease or with a predetermined threshold value (cut-off).
본 발명에서 용어 "시료"란 알츠하이머병에 의해 유전자의 메틸화 수준이 차이 나는 세포, 조직, 전혈, 혈청, 혈장, 뇌척수액, 타액, 객담 또는 뇨와 같은 시료를 포함하나, 상기 예시에 제한되지 않고 DNA 추출이 가능한 모든 시료를 사용할 수 있다. 바람직한 구체예로는, 피부 조직 또는 피부 세포를 포함하고, 예를 들어 피부 섬유아세포 등을 포함하나, 이에 제한되지 않는다.The term "sample" in the present invention includes samples such as cells, tissues, whole blood, serum, plasma, cerebrospinal fluid, saliva, sputum or urine, in which the level of gene methylation is different due to Alzheimer's disease, but is not limited to the above examples and any sample from which DNA can be extracted may be used. Preferred specific examples include skin tissue or skin cells, and include, but are not limited to, skin fibroblasts.
먼저, 개체의 시료로부터 게놈 DNA를 수득하여 메틸화 수준을 검출하기 위하여, 게놈 DNA의 수득은 당 업계에서 통상적으로 사용되는 페놀/클로로포름 추출법, SDS 추출법(Tai et al., Plant Mol. Biol. Reporter, 8: 297-303, 1990), CTAB 분리법(Cetyl Trimethyl Ammonium Bromide; Murray et al., Nuc. Res., 4321-4325, 1980) 또는 상업적으로 판매되는 DNA 추출 키트를 이용하여 수행할 수 있다.First, to obtain genomic DNA from a sample of an individual and detect the methylation level, the genomic DNA can be obtained by using a phenol/chloroform extraction method, an SDS extraction method (Tai et al., Plant Mol. Biol. Reporter, 8: 297-303, 1990), a CTAB separation method (Cetyl Trimethyl Ammonium Bromide; Murray et al., Nuc. Res., 4321-4325, 1980), or a commercially available DNA extraction kit, which are commonly used in the art.
상기 유전자의 특정 CpG 부위의 메틸화 수준을 검출하는 단계는, 메틸화된 염기와 메틸화되지 않은 염기의 차이를 이용한, 제한효소 또는 바이설파이트를 이용하는 방법, 메틸화된 CpG 결합 도메인 또는 항-메틸사이토신 항체를 이용한 면역침강방법(예, MIRA, MeDIP), DNA 메틸레이션 마이크로어레이를 이용한 방법 등을 통해 수행될 수 있다. 예를 들어, 메틸화 특이적 중합효소반응(methylation-specific polymerase chain reaction), 실시간 메틸화 특이적 중합효소반응(real time methylation-specific polymerase chain reaction), 메틸화 DNA 특이적 결합 단백질을 이용한 PCR, 정량 PCR, 파이로시퀀싱, 바이설파이트 시퀀싱, DNA 메틸레이션 마이크로어레이, 또는 메틸화된 CpG 결합 도메인 또는 항-메틸사이토신 항체를 이용한 면역침강법 등을 사용하여 메틸화 수준을 측정 내지 검출할 수 있다.The step of detecting the methylation level of a specific CpG site of the above gene can be performed by a method using a restriction enzyme or bisulfite that utilizes the difference between methylated and unmethylated bases, an immunoprecipitation method (e.g., MIRA, MeDIP) using a methylated CpG binding domain or an anti-methylcytosine antibody, a method using a DNA methylation microarray, etc. For example, the methylation level can be measured or detected using a methylation-specific polymerase chain reaction, a real time methylation-specific polymerase chain reaction, PCR using a methylated DNA-specific binding protein, quantitative PCR, pyrosequencing, bisulfite sequencing, a DNA methylation microarray, or an immunoprecipitation method using a methylated CpG binding domain or an anti-methylcytosine antibody.
일예로, 본원의 방법은 (a) 수득된 시료 내 게놈 DNA를 비메틸화 사이토신 염기를 변형시키는 화합물 또는 메틸화 민감성 제한효소로 처리하는 단계; 및 (b) 상기 처리된 DNA를 해당 유전자의 특정 CpG 부위를 증폭할 수 있는 프라이머를 이용하여 PCR에 의해 증폭하는 단계를 포함할 수 있다.For example, the method of the present invention may include (a) a step of treating genomic DNA in the obtained sample with a compound that modifies an unmethylated cytosine base or a methylation-sensitive restriction enzyme; and (b) a step of amplifying the treated DNA by PCR using a primer capable of amplifying a specific CpG site of the corresponding gene.
상기 (a) 단계에서 비메틸화 사이토신 염기를 변형시키는 화합물은 바이설파이트일 수 있으며, 바람직하게는 소듐 바이설파이트일 수 있다. 이러한 바이설파이트를 이용하여 비메틸화 사이토신 잔기를 변형시켜 유전자의 메틸화 여부를 검출하는 방법은 당 업계에 널리 공지되어 있다. The compound that modifies the unmethylated cytosine base in the step (a) above may be a bisulfite, preferably sodium bisulfite. A method of detecting whether a gene is methylated by modifying an unmethylated cytosine residue using such bisulfite is widely known in the art.
또한, 상기 (a) 단계에서 메틸화 민감성 제한효소는 상기에서 설명한 바와 같이, 특정 CpG 부위의 메틸화를 특이적으로 검출할 수 있는 제한효소로서 제한효소의 인식부위로 CG를 함유하는 제한효소일 수 있으며, 예를 들면, SmaI, SacII, EagI, HpaII, MspI, BssHII, BstUI, NotI 등이 있으며, 이에 제한되지 않는다. In addition, in the step (a), the methylation-sensitive restriction enzyme may be a restriction enzyme that can specifically detect methylation of a specific CpG site as described above and contains CG as a recognition site of the restriction enzyme, and examples thereof include, but are not limited to, Sma I, Sac II, Eag I, Hpa II, Msp I, Bss HII, Bst UI, and Not I.
상기 (b) 단계에서 증폭은 통상적인 PCR 방법에 의해 수행될 수 있다. 이때 사용되는 프라이머는 상기에서 설명한 바와 같이, 메틸화 여부를 분석하는 대상이 되는 특정 CpG 부위의 서열에 따라 바람직하게 디자인될 수 있으며, 각각 메틸화되어 바이설파이트에 의해 변형되지 않았던 사이토신을 특이적으로 증폭할 수 있는 프라이머쌍 및 메틸화되지 않아 바이설파이트에 의해 변형된 사이토신을 특이적으로 증폭할 수 있는 프라이머 쌍일 수 있다.In the step (b) above, amplification can be performed by a conventional PCR method. The primers used at this time can be preferably designed according to the sequence of a specific CpG site to be analyzed for methylation as described above, and can be a primer pair that can specifically amplify cytosine that is methylated and not modified by bisulfite, and a primer pair that can specifically amplify cytosine that is not methylated and modified by bisulfite.
상기 유전자의 특정 CpG 부위의 메틸화 수준을 검출하는 단계는, (c) 상기 (b) 단계에서 증폭된 결과물의 존부를 확인하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 상기 (c) 단계에서 증폭된 결과물의 존부는 당 업계에 공지된 방법, 예를 들면 전기영동을 수행하여 원하는 위치의 밴드의 검출 여부에 따라서 수행될 수 있다. 예를 들면, 비메틸화 사이토신 잔기를 변형시키는 화합물을 사용한 경우 상기 (a) 단계에서 사용한 두 종류의 프라이머쌍, 즉 메틸화되어 바이설파이트에 의해 변형되지 않았던 사이토신을 특이적으로 증폭할 수 있는 프라이머쌍 및 메틸화되지 않아 바이설파이트에 의해 변형된 사이토신을 특이적으로 증폭할 수 있는 프라이머쌍에 의해 각각 증폭된 PCR 결과물의 존부에 따라 메틸화 정도를 판단할 수 있다. 바람직하게, 샘플 게놈 DNA를 바이설파이트로 처리하고, 해당 유전자의 CpG 부위를 PCR로 증폭하고, 증폭된 부위의 염기서열을 분석하는 바이설파이트 게놈 시퀀싱 방법을 사용하여 메틸화 여부를 판단할 수 있다. The step of detecting the methylation level of a specific CpG site of the gene may additionally include a step of (c) confirming the presence or absence of the result amplified in step (b). The presence or absence of the result amplified in step (c) may be determined by a method known in the art, for example, by performing electrophoresis and determining whether a band at a desired position is detected. For example, when a compound that modifies an unmethylated cytosine residue is used, the degree of methylation may be determined based on the presence or absence of a PCR result amplified by each of the two types of primer pairs used in step (a), that is, a primer pair that can specifically amplify a cytosine that is methylated and not modified by bisulfite, and a primer pair that can specifically amplify a cytosine that is not methylated and modified by bisulfite. Preferably, the presence or absence of methylation may be determined by using a bisulfite genome sequencing method that treats sample genomic DNA with bisulfite, amplifies a CpG site of the corresponding gene by PCR, and analyzes the base sequence of the amplified site.
또한, 제한효소를 이용한 경우에도 당 업계에 공지된 방법, 예를 들어 mock DNA에서 PCR 결과물이 나타난 상태에서, 제한효소로 처리된 DNA에서 PCR 결과물이 있는 경우는 CpG가 메틸화된 것으로 판단하고, 제한효소로 처리된 DNA에서 PCR 결과물이 없는 경우는 CpG가 비메틸화 한 것으로 판단하는 것에 따라 그 메틸화 여부를 판단할 수 있으며, 이는 당업자에게 자명하다. 상기에서 mock DNA란 시료에서 분리되고 아무런 처리를 하지 않은 상태의 시료 DNA를 의미한다.In addition, even in the case of using a restriction enzyme, the methylation can be determined by a method known in the art, for example, if a PCR result is shown in mock DNA, it is judged that CpG is methylated if there is a PCR result in DNA treated with the restriction enzyme, and if there is no PCR result in DNA treated with the restriction enzyme, it is judged that CpG is unmethylated, and this is obvious to those skilled in the art. In the above, mock DNA refers to sample DNA separated from a sample and not treated in any way.
유전자의 특정 CpG 부위의 메틸화 수준을 검출하는 다른 예로, 메틸화 DNA 항체, 예를 들어 메틸화된 CpG 결합 도메인(CpG binding domain: MBD) 또는 메틸사이토신에 대한 항체를 이용한 면역침강방법을 예시할 수 있다. 예를 들어, 메틸화된 CpG 결합 도메인 또는 5-메틸사이토신을 특이적으로 인지하는 항체를 이용하여 면역침강한 후 서던블롯, PCR, 마이크로어레이, 또는 서열분석(sequencing)등을 통해 특정 CpG 부위를 확인할 수 있다.Another example of detecting the methylation level of a specific CpG site of a gene may be an immunoprecipitation method using a methylated DNA antibody, for example, an antibody against a methylated CpG binding domain (MBD) or methylcytosine. For example, after immunoprecipitation using an antibody that specifically recognizes a methylated CpG binding domain or 5-methylcytosine, a specific CpG site can be identified through Southern blot, PCR, microarray, or sequencing.
이와 같은 방법에 따라, 대상 시료 내 KRT32 유전자 프로모터의 CpG 부위가 고메틸화 상태로 검출되는 경우, 알츠하이머병 치매로의 진행 위험성을 미리 예측할 수 있는 것이다.According to this method, if the CpG site of the KRT32 gene promoter in the target sample is detected as being hypermethylated, the risk of progression to Alzheimer's disease dementia can be predicted in advance.
따라서, 상기 본 발명에 따를 경우, 유전자의 특정 CpG 부위의 메틸화 변화는 개체의 시료에서 특이적으로 나타나므로, 유전자의 메틸화 변화를 바이오마커로 사용하여 알츠하이머병 치매 예측에 유용하게 사용될 수 있다. 예를 들어, KRT32 유전자의 특정 CpG 부위의 고메틸화를 바이오마커로 사용하여 알츠하이머병 치매로의 진행 위험성 예측에 유용하게 사용될 수 있다.Therefore, according to the present invention, since the methylation change of a specific CpG site of a gene is specifically shown in a sample of an individual, the methylation change of the gene can be usefully used as a biomarker to predict Alzheimer's disease dementia. For example, the hypermethylation of a specific CpG site of the KRT32 gene can be usefully used as a biomarker to predict the risk of progression to Alzheimer's disease dementia.
본 발명은 환자의 시료에서 채취한 게놈 DNA의 특정 유전자 CpG 부위의 메틸화 정도를 측정하여 알츠하이머병 치매로의 진행 위험성을 예측하는 분자생물학적 진단법을 제공하며, 이는 간편하고 비침습적이며 경제적인 장점이 있다. 또한, DNA 메틸화 변화는 검출이 용이하고, 종래 단백질이나 RNA 마커들에 비해 안정적이며 분석이 쉬운 장점이 있다.The present invention provides a molecular biological diagnostic method for predicting the risk of progression to Alzheimer's disease dementia by measuring the degree of methylation of a specific gene CpG site of genomic DNA collected from a patient's sample, which has the advantages of being simple, non-invasive, and economical. In addition, DNA methylation changes are easy to detect, and are stable and easy to analyze compared to conventional protein or RNA markers.
도 1은 DNA 메틸화 변이 분석에서 아밀로이드 병리소견이 없는 경도인지장애 환자군("MCI(non-AD)")과 알츠하이머병 경도인지장애 환자군("Prodromal AD")에서 KRT32 유전자의 DNA 메틸화 정도의 차이를 나타낸 것이다.
도 2는 파이로시퀀싱 분석에서 아밀로이드 병리소견이 없는 경도인지장애 환자군("MCI(non-AD)")과 알츠하이머병 경도인지장애 환자군("Prodromal AD")에서 KRT32 유전자의 DNA 메틸화 정도의 차이를 나타낸 것이다.
도 3은 KRT32 유전자의 DNA 메틸화 변화를 이용하여 아밀로이드 병리소견이 없는 경도인지장애 환자군("MCI(non-AD)")과 알츠하이머병 경도인지장애 환자군("Prodromal AD")을 구별할 수 있는 유효성을 평가하기 위한 리시버-작동 특징 커브(ROC curve: receiver operating characteristics curve) 분석 결과를 나타낸 것이다.Figure 1 shows the difference in the degree of DNA methylation of the KRT32 gene between the mild cognitive impairment patient group without amyloid pathology findings (“MCI (non-AD)”) and the mild cognitive impairment patient group with Alzheimer’s disease (“Prodromal AD”) in the DNA methylation mutation analysis.
Figure 2 shows the difference in the degree of DNA methylation of the KRT32 gene between the group of patients with mild cognitive impairment without amyloid pathology ("MCI (non-AD)") and the group of patients with mild cognitive impairment with Alzheimer's disease ("Prodromal AD") in pyrosequencing analysis.
Figure 3 shows the results of a receiver operating characteristics curve (ROC curve) analysis to evaluate the effectiveness of using DNA methylation changes in the KRT32 gene to distinguish between a group of patients with mild cognitive impairment without amyloid pathology (“MCI (non-AD)”) and a group of patients with mild cognitive impairment due to Alzheimer’s disease (“Prodromal AD”).
이하, 본 발명을 실시예에 의해 상세히 설명한다. 단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명이 하기 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in detail by examples. However, the following examples are only intended to illustrate the present invention, and the present invention is not limited to the following examples.
실시예 1. 연구대상Example 1. Research subjects
알츠하이머병 환자군은 알츠하이머병 정상인지기능군 (preclinical Alzheimer’s disease, AD), 알츠하이머병 경도인지장애군 (prodromal Alzheimer’s disease), 알츠하이머병 치매군 (Symptomatic Alzheimer’s disease)의 세 군을 포함한다. 대조군으로는 정상 대조군 (정상인지기능이고, 아밀로이드 병리 소견이 없는 그룹), 알츠하이머병에 의한 것이 아닌 경도인지장애군 (mild cognitive impairment (MCI) due to non-AD), 알츠하이머병에 의한 것이 아닌 치매군 (dementia due to non-AD)의 세 군으로 구성된다. The Alzheimer’s disease patient group includes three groups: preclinical Alzheimer’s disease (AD), prodromal Alzheimer’s disease, and symptomatic Alzheimer’s disease. The control group includes three groups: normal control (normal cognitive function, no amyloid pathology), mild cognitive impairment (MCI) due to non-AD, and dementia due to non-AD.
상기 6군의 연구대상자의 진단 및 분류는 다음과 같은 네 단계에 따라 수행되었다:Diagnosis and classification of the above six groups of research subjects were performed according to the following four steps:
첫 번째 단계로, 연구대상자와 대상자의 보호자와 함께, 신경과 의사의 구조화된 면담을 통해 병력을 청취하였다.In the first step, a medical history was collected through a structured interview by a neurologist with the subjects and their guardians.
두 번째 단계로, 신경심리검사를 통해 현재 인지 기능의 저하된 정도 및 일상생활능력의 저하 여부를 판단하였다. 이 두 단계를 거치면서 인지기능 저하의 세 단계, 즉, 정상인지기능, 경도인지장애, 치매의 세 단계를 판단하였다. 정상인지기능군의 경우, 주관적 인지 저하의 호소와 별개로, 객관적인 신경심리검사의 모든 항목에서 표준 점수 (z score ≥-1.5) 이상의 검사 결과를 보여, 인지 저하의 객관적 소견이 없고, 일상생활능력의 손상이 없는 상태이다. 경도인지장애의 경우, 환자 또는 정보제공자의 기억력저하에 대한 호소가 있으며, 신경심리검사에서 표준점수에서 1.5 이하 (z score <-1.5)의 결과를 보여, 객관적인 기억력 저하가 있으나, 전반적인 인지기능과 일상생활능력이 유지되는 군이다. 치매군은 두 가지 이상의 인지영역에서 객관적인 저하 (표준점수 1.5 이하)의 소견을 보이고, 서서히 진행하는 임상양상과 함께, 일상생활능력의 손상으로 인해, 다른 사람의 보살핌이 필요한 군이다. In the second step, the degree of decline in current cognitive function and decline in daily life ability were determined through neuropsychological tests. Through these two steps, the three stages of cognitive function decline, namely normal cognitive function, mild cognitive impairment, and dementia, were determined. In the case of the normal cognitive function group, regardless of subjective complaints of cognitive decline, all items of the objective neuropsychological test showed test results above the standard score (z score ≥-1.5), so there were no objective findings of cognitive decline and no impairment in daily life ability. In the case of mild cognitive impairment, there was a complaint of memory decline by the patient or informant, and the standard score of 1.5 or lower (z score <-1.5) was shown in the neuropsychological test, so there was objective memory decline, but overall cognitive function and daily life ability were maintained. The dementia group showed objective findings of decline (standard score 1.5 or lower) in two or more cognitive areas, and the clinical symptoms progressed slowly, and the group required care from others due to impairment in daily life ability.
세 번째 단계로, 혈액 검사 및 뇌의 구조적 영상 (computed tomography, CT 또는 magnetic resonance imaging, MRI), 뇌의 기능적 영상 (functional MRI, amyloid positron emission tomography, amyloid PET)을 시행하여, 인지 기능의 저하를 일으킬 수 있는 다른 원인을 배제하고, 뇌 안의 아밀로이드 병리소견의 축적 여부를 확인하였다. 인지 기능의 저하를 유발할 수 있는 다른 원인을 배제하는 것은 알츠하이머병 진단에서 중요한 단계로, 혈액검사에서 갑상선 호르몬의 기능 이상, 비타민 B12 또는 엽산 결핍증, 신경매독 등을 확인해서 이러한 가능성을 배제하는 것이 중요하며, 이외에도, 알코올 중독, 약물 중독, 주요 우울장애, 양극성 장애, 조현병, 경련 질환의 경우에도, 인지기능 저하와 연관이 있을 수 있으므로 배제하였다. 또한 뇌영상검사상, 구조적 뇌 이상, 예를 들면, 정상압수두증, 뇌졸중, 뇌종양 등의 이상을 배제하였고, 파킨슨병, 루이소체치매, 혈관성 치매와 같은 다른 신경퇴행성질환의 경우에도 배제하였다. 2018년 알츠하이머병의 연구용 진단기준에 따라, 아밀로이드 PET에서 양성인 경우 (Brain amyloid Plaque load, BAPL 2 or 3)의 경우, 알츠하이머병이 있다고 판단하였고, 임상 증상에 따라 preclinical, prodromal, 및 symptomatic AD 중 한 군으로 판단하였다. 아밀로이드 PET에서 음성 (BAPL 1)은 대조군으로 판단하고 임상 증상에 따라, 정상 대조군 (정상인지기능이고, 아밀로이드 병리 소견이 없는 그룹), 알츠하이머병에 의한 것이 아닌 경도인지장애군 (mild cognitive impairment (MCI) due to non-AD), 알츠하이머병에 의한 것이 아닌 치매군 (dementia due to non-AD) 중 한 군으로 결정하였다. 네 번째로, 이 세 단계의 임상 정보들을 종합하여, 6개의 군으로 최종적인 판단을 내렸다.In the third step, blood tests and structural brain imaging (computed tomography, CT or magnetic resonance imaging, MRI) and functional brain imaging (functional MRI, amyloid positron emission tomography, amyloid PET) were performed to exclude other causes of cognitive decline and to check for accumulation of amyloid pathology in the brain. Excluding other causes of cognitive decline is an important step in diagnosing Alzheimer's disease. It is important to exclude these possibilities by checking for thyroid hormone dysfunction, vitamin B12 or folate deficiency, and neurosyphilis in blood tests. In addition, alcoholism, drug addiction, major depressive disorder, bipolar disorder, schizophrenia, and convulsive disorders were also excluded because they may be associated with cognitive decline. In addition, structural brain abnormalities, such as normal pressure hydrocephalus, stroke, and brain tumors, were excluded in brain imaging tests, and other neurodegenerative diseases such as Parkinson's disease, dementia with Lewy bodies, and vascular dementia were also excluded. According to the 2018 Diagnostic Criteria for Research on Alzheimer's Disease, cases with positive amyloid PET results (brain amyloid plaque load, BAPL 2 or 3) were considered to have Alzheimer's disease and were classified into one of the following groups: preclinical, prodromal, and symptomatic AD, based on clinical symptoms. Cases with negative amyloid PET results (BAPL 1) were considered the control group and, based on clinical symptoms, were classified into one of the following groups: normal control group (normal cognitive function and no amyloid pathology), mild cognitive impairment (MCI) due to non-AD, and dementia due to non-AD. Fourth, the clinical information of these three stages was synthesized to make a final decision on six groups.
실시예 2. 피부생검 채취 및 피부 섬유아세포 배양Example 2. Skin biopsy collection and skin fibroblast culture
환자의 허벅지 안쪽에서 2 mm지름의 원통모양의 칼날을 이용하여 피부 생검을 채취하였다. 채취한 피부 생검을 6등분하여 피부 생검 조각이 잠길 정도의 배지 (DMEM/20% FBS)를 0.1% 젤라틴으로 코팅된 24웰 세포 배양 플레이트에 넣고 7일 동안 피부 생검 조각 모서리에서 세포가 뻗어 나오는 것을 관찰하였다. 피부 생검 조각이 건조되는 것을 방지하기 위해 2-3일 간격으로 배지를 보충하였다. 7일 후 배지의 양을 500 μL로 늘리고 2-3일 간격으로 배지를 갈아주었고 14일 후 피부 생검 조각 주변으로 세포가 자라서 배양 웰의 외각까지 세포가 채워지면 35 mm 배양 디쉬로 옮겨서 배지의 우태아혈청(FBS)의 농도를 20%에서 10%로 낮춘 후 세포배양을 계속하였다. 세포가 35 mm 배양 디쉬의 80-90% 정도 채워지면 계대배양을 실시하였다. 계대배양을 2-3번 반복 실시하여 피부섬유아세포만 선택배양되면 SERPHINH1 항체를 이용하여 섬유아세포 마커인 SERPHINH1을 발현을 확인하였다.A skin biopsy was collected from the patient's inner thigh using a cylindrical blade with a 2 mm diameter. The collected skin biopsy was divided into six equal parts and placed in a 24-well cell culture plate coated with 0.1% gelatin with enough medium (DMEM/20% FBS) to submerge the skin biopsy pieces. Cells were observed to extend from the edges of the skin biopsy pieces for 7 days. The medium was replenished every 2-3 days to prevent the skin biopsy pieces from drying. After 7 days, the amount of medium was increased to 500 μL and the medium was replaced every 2-3 days. After 14 days, when the cells had grown around the skin biopsy pieces and filled the outer edges of the culture wells, the cells were transferred to a 35-mm culture dish and the concentration of fetal bovine serum (FBS) in the medium was reduced from 20% to 10%, and cell culture was continued. Subculture was performed when the cells filled 80-90% of the 35-mm culture dishes. After repeating the subculture 2-3 times and selecting only skin fibroblasts, the expression of SERPHINH1, a fibroblast marker, was confirmed using the SERPHINH1 antibody.
실시예 3. Genomic DNA추출Example 3. Genomic DNA extraction
실시예 2에서 배양한 피부 섬유아세포에서 genomic DNA는 QIAmp DNA mini kit (Qiagen)를 이용하여 추출하였다. 추출방법은 제조사의 매뉴얼을 따라 실시하였다. 추출된 genomic DNA는 분광광도계(spectrophotometer)를 이용하여 정량하였으며, DNA 상태는 1% 아가로스 젤에서 전기영동하여 degradation 여부를 확인하였다.In Example 2, genomic DNA was extracted from cultured skin fibroblasts using QIAmp DNA mini kit (Qiagen). The extraction method was performed according to the manufacturer's manual. The extracted genomic DNA was quantified using a spectrophotometer, and the DNA status was checked for degradation by electrophoresis on a 1% agarose gel.
실시예 4. DNA 메틸레이션 변이 분석Example 4. DNA methylation mutation analysis
DNA 메틸레이션 변이 분석은 환자군과 대조군의 피부섬유아세포에서 DNA를 추출한 후 바이설파이트 전환(Bisulfite conversion)을 수행하여 비메틸화된 사이토신을 우라실로 바꾼 후, Infinium MethylationEPIC bead chip (illumina)을 사용하여 약 850,000 개의 CpG 부위에 대하여 메틸화 정도를 측정하였다. DNA 메틸화 정도는 0~1 값을 갖는 β 값으로 표시되며 β값 0은 해당 CpG 부위가 완전히 비메틸화된 것을 의미하며, 1은 완전히 메틸화된 것을 의미한다. DNA methylation mutation analysis was performed by extracting DNA from skin fibroblasts of the patient and control groups, performing bisulfite conversion to change unmethylated cytosine to uracil, and measuring the methylation degree for approximately 850,000 CpG sites using the Infinium MethylationEPIC bead chip (illumina). The degree of DNA methylation is expressed as a β value with a value of 0 to 1, and a β value of 0 means that the corresponding CpG site is completely unmethylated, and a β value of 1 means that it is completely methylated.
환자군과 대조군에서 차별적으로 메틸화되어 있는 유전자 (Differentially methylated genes, DMGs)를 확인하기 위하여 independent t-test 방법을 사용하였다. 최종적으로 p value<0.05이면서 절대값 β 차이≥0.3 인 프로모터 CpG 부위를 차별적으로 메틸화되어 있는 CpG 부위(differentially methylated CpG site)로 선정하고, 이 중에서 CpG 부위의 메틸화 정도가 변한 유전자를 DMG로 선정하였다.To identify differentially methylated genes (DMGs) between the patient group and the control group, the independent t-test method was used. Finally, promoter CpG sites with p value<0.05 and absolute value β difference≥0.3 were selected as differentially methylated CpG sites, and among these, genes with changed methylation levels of CpG sites were selected as DMGs.
실시예 5. 파이로시퀀싱 (Pyrosequencing) 분석Example 5. Pyrosequencing analysis
KRT32 (Keratin 32) 유전자의 특정 CpG 부위 (cg25598400, Chr17: 41467824)의 메틸레이션 정도를 측정하기 위하여 파이로시퀀싱 분석을 시행하였다. 바이설파이트를 처리한 gDNA를 주형으로 PCR을 시행하였다. 이때 PCR 프라이머는 PSQ assay design program (Qiagen, USA)를 이용하여 디자인하였다. 디자인된 PCR 프라이머의 염기서열은 아래와 같다:Pyrosequencing analysis was performed to measure the methylation level of a specific CpG site (cg25598400, Chr17: 41467824) of the KRT32 (Keratin 32) gene. PCR was performed using bisulfite-treated gDNA as a template. At this time, PCR primers were designed using the PSQ assay design program (Qiagen, USA). The base sequences of the designed PCR primers are as follows:
정방향 프라이머, 5'- AGTAGTGGTTGTTTTTTTTAATGAAAGTAT -3' (서열번호 2)Forward primer, 5'- AGTAGTGGTTGTTTTTTTTAATGAAAGTAT -3' (SEQ ID NO: 2)
비오티닐화된 역방향 프라이머, 5'- CCTCTAAAATTCCTATTCCTTTCTACT -3' (서열번호 3)Biotinylated reverse primer, 5'- CCTCTAAAATTCCTATTCCTTTCTACT -3' (SEQ ID NO: 3)
PCR 반응액은 20 ng 이하의 바이설파이트-전환된 gDNA, 10 μl 2' Hot/Start PCR premix (Enzynomics), 1 μl 정방향 프라이머 (10 pmole/μl), 1 μl 비오티닐화된 역방향 프라이머 (10 pmole/μl)를 포함하여 총 부피가 20 μl가 되도록 준비하였다. PCR 반응은 95℃에서 10분간 초기 변성(Denature) 과정을 거친 후, 변성(Denature) 과정을 95℃에서 30초, 부착(anealing) 과정을 56℃에서 30초, 신장(extention) 과정을 72℃에서 30초 동안 실시하고 이 과정을 50회 반복하였다. 마지막으로 72℃에서 10분간 반응하여 최종 신장 과정을 거쳤다. PCR 반응이 끝난 후 반응액 2 μl를 취하여 2.5% 아가로스 겔에서 전기영동하고 브롬화에티듐 염색을 통해 PCR 최종산물의 염기서열 크기를 확인하였다.The PCR reaction mixture was prepared in a total volume of 20 μl containing less than 20 ng of bisulfite-converted gDNA, 10 μl 2' Hot/Start PCR premix (Enzynomics), 1 μl forward primer (10 pmole/μl), and 1 μl biotinylated reverse primer (10 pmole/μl). The PCR reaction was performed with an initial denaturation step at 95°C for 10 min, followed by denaturation step at 95°C for 30 sec, annealing step at 56°C for 30 sec, and extension step at 72°C for 30 sec, which were repeated 50 times. Finally, a final extension step was performed at 72°C for 10 min. After the PCR reaction was completed, 2 μl of the reaction solution was taken and electrophoresed on a 2.5% agarose gel, and the base sequence size of the final PCR product was confirmed through ethidium bromide staining.
PCR 최종산물을 스트렙타비딘 세파로스 HP 비즈 (Amersham Biosciences)를 이용하여 ssDNA 주형이 되도록 준비하였다. 반응액은 1-2 μl 비즈, 40 μl 결합 완충액, 16-18 μl PCR 산물, 고 순도수를 포함하여 총 부피가 80 μl가 되도록 샘플별로 준비한 후 PCR 플레이트의 각 웰에 분주하였다. 플레이트를 봉입한 후 오비탈 쉐이커를 이용하여 1400 rpm에서 15-20분간 잘 섞어주었다. PyroMark annealing 완충액을 이용하여 시퀀싱 프라이머의 농도가 0.3 μM이 되도록 희석한 후 각 웰에 25 μl씩 분주하고 PCR 플레이트를 PyroMark Q48 (Qiagen)기기의 워크스테이션에 장착하여 시퀀싱 분석을 실시하였다. 이때 사용한 시퀀싱 프라이머의 염기서열은 다음과 같다: 시퀀싱 프라이머 5'- GGGTGGTAGAAATTGT -3' (서열번호 4)The PCR final product was prepared as an ssDNA template using streptavidin Sepharose HP beads (Amersham Biosciences). The reaction solution was prepared for a total volume of 80 μl, including 1-2 μl beads, 40 μl binding buffer, 16-18 μl PCR product, and high-purity water, for each sample, and dispensed into each well of a PCR plate. After sealing the plate, it was mixed well using an orbital shaker at 1400 rpm for 15-20 minutes. The sequencing primers were diluted to a concentration of 0.3 μM using PyroMark annealing buffer, and 25 μl was dispensed into each well, and the PCR plate was mounted on the workstation of the PyroMark Q48 (Qiagen) instrument to perform sequencing analysis. The base sequence of the sequencing primer used at this time is as follows: Sequencing primer 5'- GGGTGGTAGAAATTGT -3' (SEQ ID NO. 4)
KRT32 유전자의 특정 CpG 부위 (cg25598400, Chr17:41467824)의 DNA 메틸화 백분율은 아래와 같이 산출하였다. 생성된 PCR 산물의 염기서열은 5'- AGTAGTGGTTGTTTTTTTTAATGAAAGTATTTTTTATGGGAAGAGGTTTGGTTATTTAATAAGGAAATGTGTGGGTGGTAGAAATTGTTT Y GATGTTGGTAGCGGTATAAATTTAGTAGAAAGGAATAGGAATTTTAGAGG -3' (서열번호 5)이며 Y (C 또는 T)로 표시된 위치의 사이토신 염기의 비율을 백분율로 계산하였다: C/C+T *100 (%)The DNA methylation percentage of a specific CpG site (cg25598400, Chr17:41467824) of the KRT32 gene was calculated as follows. The base sequence of the generated PCR product was 5'- AGTAGTGGTTGTTTTTTTTAATGAAAGTATTTTTTATGGGAAGAGGTTTGGTTATTTAATAAGGAAATGTGTGGGTGGTAGAAATTGTTT Y GATGTTGGTAGCGGTATAAATTTAGTAGAAAGGAATAGGAATTTTAGAGG -3' (SEQ ID NO: 5), and the ratio of cytosine base at the position indicated by Y (C or T) was calculated as a percentage: C/C+T *100 (%)
실험결과Experimental Results
1. 알츠하이머병 경도인지장애 환자군에서 질환 특이적 DNA 메틸화의 변화 확인1. Confirmation of disease-specific DNA methylation changes in patients with mild cognitive impairment of Alzheimer's disease
2018년부터 2019년까지 이화여대 목동병원에 내원한 환자를 대상으로, 20명의 아밀로이드 병리소견이 없는 경도인지장애 환자군과 28명의 알츠하이머병 경도인지장애 환자군의 피부조직으로부터 피부섬유아세포를 배양하여 게놈 DNA를 추출하였다. Illumina Human MethylationEPIC bead chip을 이용하여 DNA 메틸화 프로파일을 분석하였고, 아밀로이드 병리소견이 없는 경도인지장애 환자군과 비교하여 알츠하이머병 경도인지장애 환자군의 피부섬유아세포 내 유전자 프로모터의 특정CpG 부위에서 에서 20% 이상 DNA 메틸화가 변화한 유전자를 선별하였다. 이 선별된 유전자들 가운데 KRT32 (Keratin 32) 유전자는 아밀로이드 병리소견이 없는 경도인지장애 환자군에 비해 알츠하이머병 경도인지장애 환자군의 피부섬유아세포에서 특정 프로모터 CpG 부위 DNA 메틸화가 21% 증가되어 있음을 확인하였다.From 2018 to 2019, genomic DNA was extracted from skin fibroblasts cultured from the skin tissues of 20 patients with mild cognitive impairment without amyloid pathology and 28 patients with mild cognitive impairment of Alzheimer's disease who visited Ewha Womans University Mokdong Hospital. DNA methylation profiles were analyzed using the Illumina Human MethylationEPIC bead chip, and genes with DNA methylation changes of more than 20% at specific CpG sites in the gene promoter of the skin fibroblasts of the Alzheimer's disease mild cognitive impairment patient group were selected compared to the mild cognitive impairment patient group without amyloid pathology. Among these selected genes, the KRT32 (Keratin 32) gene showed a 21% increase in DNA methylation at a specific promoter CpG site in the skin fibroblasts of the Alzheimer's disease mild cognitive impairment patient group compared to the mild cognitive impairment patient group without amyloid pathology.
(difference)(difference)
1)1)
아밀로이드 병리소견이 없는 경도인지장애 환자군과 알츠하이머병 경도인지장애 환자군에서 KRT32 유전자의 DNA 메틸화 정도의 차이를 도 1에 scatter dot plot으로 나타냈으며, 평균 ± 표준오차 (mean ± SEM) 값을 표시하였다.The difference in the degree of DNA methylation of the KRT32 gene between the mild cognitive impairment patient group without amyloid pathology and the Alzheimer's disease mild cognitive impairment patient group is shown in a scatter dot plot in Figure 1, and the mean ± standard error (mean ± SEM) value is presented.
2. DNA 메틸화 변화를 이용한 알츠하이머병 치매 예측진단 마커의 선정2. Selection of diagnostic markers for Alzheimer's disease using DNA methylation changes
파이로시퀀싱 분석을 이용하여 KRT32유전자 특정 CpG 부위 (cg25598400)의 DNA 메틸화 정도를 측정한 결과, Human MethylationEPIC bead 결과와 유사하게 아밀로이드 병리소견이 없는 경도인지장애 환자군에 비해 알츠하이머병 경도인지장애 환자군에서 KRT32유전자 특정 프로모터 CpG 부위 (cg25598400)의 DNA 메틸화가 21% 증가되어 있음을 확인하였다 (도 2).Using pyrosequencing analysis, the degree of DNA methylation at the specific CpG site (cg25598400) of the KRT32 gene was measured. Similar to the Human MethylationEPIC bead results, it was confirmed that DNA methylation at the specific promoter CpG site (cg25598400) of the KRT32 gene was increased by 21% in the Alzheimer's disease mild cognitive impairment patient group compared to the mild cognitive impairment patient group without amyloid pathology (Fig. 2).
또한, 리시버-작동 특징 커브(ROC curve: receiver operating characteristics curve) 를 이용하여 아밀로이드 병리소견이 없는 경도인지장애 환자군과 알츠하이머병 경도인지장애 환자군을 구별할 수 있는지 확인하였다. 일반적으로 ROC 커브의 곡선하 면적(AUC; Area under the curve) 수치에 따라 비정보적(AUC=0.5), 덜 정확한(0.5<AUC≤0.7), 중등도의 정확한(0.7<AUC≤0.9), 매우 정확한(0.9<AUC<1.0) 그리고 완벽한 검사(AUC=1.0)로 분류한다.In addition, we verified whether the receiver operating characteristics curve (ROC curve) could be used to distinguish between the MCI patient group without amyloid pathology and the Alzheimer's disease MCI patient group. In general, the ROC curve is classified as non-informative (AUC=0.5), less accurate (0.5<AUC≤0.7), moderately accurate (0.7<AUC≤0.9), very accurate (0.9<AUC<1.0), and perfect test (AUC=1.0) based on the area under the curve (AUC) value of the ROC curve.
KRT32의 경우 알츠하이머병 경도인지장애 환자군에서 고메틸화되어 있었으며 이 고메틸화는 아밀로이드 병리소견이 없는 경도인지장애 환자군과 알츠하이머병 경도인지장애 환자군을 높은 정확도(AUC = 0.8)로 구분할 수 있음을 확인하였다 (도 3). In the case of KRT32, it was found to be highly methylated in the Alzheimer's disease mild cognitive impairment patient group, and this hypermethylation was confirmed to be able to distinguish between the mild cognitive impairment patient group without amyloid pathology and the Alzheimer's disease mild cognitive impairment patient group with high accuracy (AUC = 0.8) (Fig. 3).
이러한 결과는 알츠하이머병 경도인지장애 환자의 피부 섬유아세포에서 나타나는 KRT32 유전자의 질환 특이적 고메틸화가, 비침습적인 방법으로 알츠하이머병 경도인지장애 환자 중 알츠하이머병 치매로의 진행 여부를 미리 예측하는 알츠하이머병 치매 예측진단 마커로 유효하다는 것을 나타낸다. These results indicate that the disease-specific hypermethylation of the KRT32 gene in skin fibroblasts from patients with mild cognitive impairment (MCI) of Alzheimer's disease is a valid diagnostic marker for predicting Alzheimer's disease dementia in advance by noninvasively predicting whether patients with mild cognitive impairment (MCI) of Alzheimer's disease will progress to Alzheimer's disease dementia.
이상의 설명으로부터, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허 청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.From the above description, those skilled in the art will understand that the present invention can be implemented in other specific forms without changing the technical idea or essential characteristics thereof. Therefore, it should be understood that the embodiments described above are exemplary in all respects and not restrictive. The scope of the present invention should be interpreted as including all changes or modifications derived from the meaning and scope of the patent claims described below rather than the above detailed description and their equivalent concepts within the scope of the present invention.
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Claims (10)
상기 유전자 프로모터의 CpG 부위의 메틸화 수준을 측정하는 제제는, 비메틸화 사이토신 염기를 변형시키는 화합물 또는 메틸화 민감성 제한효소, 상기 유전자 프로모터의 CpG 부위의 메틸화된 서열에 특이적인 프라이머, 비메틸화된 서열에 특이적인 프라이머, 메틸화된 CpG 결합 도메인, 또는 메틸사이토신에 특이적으로 결합하는 항체를 포함하는 것인 조성물.In the first paragraph,
A composition for measuring the methylation level of a CpG site of the gene promoter, the composition comprising a compound or a methylation-sensitive restriction enzyme that modifies an unmethylated cytosine base, a primer specific for a methylated sequence of the CpG site of the gene promoter, a primer specific for an unmethylated sequence, a methylated CpG binding domain, or an antibody specifically binding to methylcytosine.
상기 비메틸화 사이토신 염기를 변형시키는 화합물은 바이설파이트(bisulfite) 또는 이의 염인 조성물.In the second paragraph,
A composition wherein the compound that modifies the above unmethylated cytosine base is bisulfite or a salt thereof.
상기 메틸화 민감성 제한효소는 SmaI, SacII, EagI, HpaII, MspI, BssHII, BstUI 또는 NotI인 조성물.In the second paragraph,
A composition wherein the above methylation sensitive restriction enzyme is Sma I, Sac II, Eag I, Hpa II, Msp I, Bss HII, Bst UI or Not I.
상기 메틸화 수준을 알츠하이머병이 아닌 대조군 시료의 해당 유전자에서의 메틸화 수준과 비교하는 단계를 더욱 포함하는 방법.In Article 6,
A method further comprising the step of comparing said methylation level with the methylation level in the corresponding gene in a control sample that does not have Alzheimer's disease.
상기 유전자 프로모터의 CpG 부위의 메틸화 수준의 측정 단계는
(a) 수득된 시료 내 게놈 DNA를 비메틸화 사이토신 염기를 변형시키는 화합물 또는 메틸화 민감성 제한효소로 처리하는 단계; 및
(b) 상기 처리된 DNA를 KRT32 유전자 프로모터의 CpG 부위를 증폭할 수 있는 프라이머를 이용하여 PCR에 의해 증폭하는 단계를 포함하는 방법.In Article 6,
The step of measuring the methylation level of the CpG site of the above gene promoter is
(a) a step of treating the genomic DNA in the obtained sample with a compound that modifies unmethylated cytosine bases or a methylation-sensitive restriction enzyme; and
(b) A method comprising a step of amplifying the treated DNA by PCR using a primer capable of amplifying a CpG region of the KRT32 gene promoter.
상기 비메틸화 사이토신 염기를 변형시키는 화합물은 바이설파이트(bisulfite) 또는 이의 염인 방법.In Article 8,
A method wherein the compound that modifies the above unmethylated cytosine base is bisulfite or a salt thereof.
상기 메틸화 수준을 검출하는 방법은 메틸화 특이적 중합효소반응(methylation-specific polymerase chain reaction), 실시간 메틸화 특이적 중합효소반응(real time methylation-specific polymerase chain reaction), 메틸화 DNA 특이적 결합 단백질을 이용한 PCR, 정량 PCR, 파이로시퀀싱, 바이설파이트 시퀀싱, DNA 메틸레이션 마이크로어레이, 및 메틸화된 CpG 결합 도메인 또는 항-메틸사이토신 항체를 이용한 면역침강법으로 구성된 군에서 선택되는 것인 방법. In Article 6,
A method for detecting the above methylation level is a method selected from the group consisting of methylation-specific polymerase chain reaction, real time methylation-specific polymerase chain reaction, PCR using a methylated DNA-specific binding protein, quantitative PCR, pyrosequencing, bisulfite sequencing, DNA methylation microarray, and immunoprecipitation using a methylated CpG binding domain or an anti-methylcytosine antibody.
Priority Applications (2)
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|---|---|---|---|
| KR1020220089815A KR102735656B1 (en) | 2022-07-20 | 2022-07-20 | Predicting biomarker for progression of Alzheimer’s dementia using alteration in DNA methylation of KRT32 gene |
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Applications Claiming Priority (1)
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| KR1020220089815A KR102735656B1 (en) | 2022-07-20 | 2022-07-20 | Predicting biomarker for progression of Alzheimer’s dementia using alteration in DNA methylation of KRT32 gene |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
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