Notice04 Epilepsy

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KCNT1 유전자의 새로운 기능, 채널 돌연변이

　

Malignant1.GIF

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　Figure 1 간질 환자의 뇌 사진


  어린 아이가 38도 이상의 고열이 나면서 흔히 경기라는 발작질환, 즉 열성경련을 일으키는 경우를 자주 볼 수 있다. 열성경련은 고열이 날 경우에 재발할 수 있지만 너무 자주 경기를 한다면 뇌파검사1)를 받아오는 게 좋다고 전문가들은 권한다. 왜냐하면 간질이 비슷한 증상을 보여서 일반인들은 구분하기 힘들기 때문이다. 열성경련의 경우, 생후 9개월에서 5세 사이의 소아가 발열을 동반한 경련을 일으키는 것을 말한다. 그러나 뇌수막염, 뇌염, 뇌병변과 같은 중추신경계의 감염에 의해 경련이 유발되었거나, 평소에 경련성 질환을 앓고 있는 환자들에게서 발생하는 것은 열성경련이라고 하지 않는다. 그렇다면 간질 증상과 뇌병변 질환을 앓고 있는 환자들에게는 어떤 연관성이 있을까?


  우선,뇌병변은 뇌의 기질적 병변으로 인하여 발생한 신체적 장애이다. 마비의 정도 및 범위, 불수의 운동의 유무 등에 따른 팔, 다리의 기능 저하로 인한 앉기, 서기, 걷기 등의 이동 능력, 일상생활의 수행 능력 평가에 의해 장애로 판정되는데, 주로 임신과 출산 과정에서 산모가 바이러스에 의해 병에 걸려 태아에 영향을 끼치게 된다. 흔히 간질이라고 하는 뇌전증은 전해질의 불균형, 산염기의 이상, 요독증2), 알코올 금단현상, 심한 수면박탈상태 등 발작을 초래할 수 있는 신체적 이상이 없음에도 불구하고, 발작이 반복적으로(24시간 이상의 간격을 두고 2회이상) 발생하여 만성화된 질환을 의미한다. 보통 간질의 경우 유아기, 청소년기 보다 노화가 진행될수록 그 빈도가 높아지는데 본 연구에서는 영유아기의 악성 간질 증상을 보이는 뇌병변 질환 환자를 대상으로 연구하였다.


  실제로, 2005년에서 2010년까지 부산대학교 어린이 병원 뇌신경 클리닉에서 국소간질로 진단받은 환자 아이 149명을 대상으로 뇌파검사를 하여 간질파의 분류에 따라 뇌병변과의 상관관계에 대해 연구하였다. 두 가지 이상의 간질파가 혼재되어 있거나 다발극파를 포함하고 있는 경우 유의하게 뇌병변이 높게 발생하였고, 국소 간질 소아에서 간질파의 형태와 뇌병변과의 상관관계가 있다는 결론을 내렸다. 이에 프랑스의 Publique–Hôpitaux협회, Necker–Enfants Malades 병원에서는 유아기의 악성 발작 증상을 보이는 희귀한 간질을 일으키는 뇌 병변 질환(MMPSI; Malignant migrating partial seizures of infancy)을 앓고 있는 환자들을 대상으로 연구하였다. 기존에 KCNT1 유전자가 간질의 원인 유전자라는 것은 이미 밝혀져 왔으나, 뇌병변과의 상관관계를 조사하기 위한 연구를 한 것이다.


  3군데 발단 위치를 엑솜시퀀싱하고 KCNT1 유전자의 새로운 기능 변이에 대한 연구를 하여, 채널의 비 전도성 기능이 발달 신호 경로에 관여하여 세포질의 단백질과 상호작용을 밝혔다. 이 연구는 치명적인 상태에 대한 미래의 진단 방법과 연구를 위한 변이를 제공하였다.



Trio 분석3)으로 후보 유전자 변이를 확인

　

  본 연구에 참여한 뇌병변 환자들은 Necker-Enfants Malades 병원에서 지난 10년 동안, 임상을 확인하였고, 건강한 부모를 둔 12명(남7, 여5)으로 간질 증상의 발병은 생후 2~7개월에 일어났다. 간 생검을 통해 글리코실화4)의 선천성 장애를 가지고 심각한 저혈압 및 소두증과 신경 장애를 재발하는 SCN1A 유전자 변이가 확인되었다. 또한 남녀가 동등하게 영향을 받았으며, 약물의 저항성을 가지고 있었다. 뇌 영역에서 발작을 일으키며, 뇌의 다양한 영역에서 무작위로 발생하였다. 또한 임상적인 발작 증상을 보이며, 재발의 위험성이 높은 연령 관련성 질환을 앓고 있었다.


  환자들은 부모와 함께 혈액을 채취(trio 분석)하여, 일루미나 키트를 사용하여 라이브러리를 제작하였고, 엑솜은 SureSelect 키트로 감지하였다. 일루미나 HiSeq2000으로 엑솜시퀀싱하여 hg19를 이용하여 BWA 조립을 하였다. 새로운 후보 유전자 검출을 위해 엑솜시퀀싱 데이터 중 알려진 변이에 의한 부위를 제외하고 게놈 분석 도구 키트와 SAMtools, Picard를 이용하여 분석하였다. QuikChange Mutagenesis 키트(Stratagene) 및 프라이머 사용하여 변이를 감지하였고, 쥐와 인간의 RNA를 비교하여 발달 장애와 자폐증, 결절 및 경화증을 악화시키는 유전자를 확인하였다.


  12명의 환자들을 엑솜시퀀싱(15X, 6~8Gb 데이터 생산)한 결과, 10~70%가 SCN1A 변이를 갖는 오타하라(Ohtahara) 증후군5), 드라벳(Dravet) 증후군6)의 증상을 보였다. 두 질환은 신경학적 장애로서 간질적 발작이 특징적인 질환으로 신생아에게 높은 영향을 끼친다. 또한 간질을 일으키는 나트륨, 칼륨 이온 채널에 연관된 유전자인 KCNQ2, KCNQ3, SCNQ1, SCNQ2 및 CLCN2를 확인하였고, 그 중 SCN1A 유전자에서 변이가 많이 감지되었다.


  12명의 환자들 중 3명에서 SCN1A 변이를 확인하였고, 9명은 KCNT1 변이를 확인하였다. 200개 건강한 컨트롤을 사용하여 엑솜시퀀싱 하였고,, 새로운 돌연변이를 조사하고 indel을 분석하였다. KCNT1 유전자는 c.2800G>A(p.Ala934Thr), c.1283G>A(p.Arg428Gln), c.1421G>A(p.Arg428Gln), c.2280C>G(p.Ile760Me) 변이가 관찰되었다. 또한 간질을 유발하는 K, Na 채널을 암호화하는 신경 시스템은 부상에서 세포를 보호하는 역할을 하며, 정신 지체 단백질(FMRP; fragile X mental retardation protein)을 포함하는 단백질 네트워크와 상호작용하였다.


  또한 KCNT1과 KCNT2는 전도성에 관여하는 경로와 지방화, 단백질 인산화 효소 C7)의 활성화에 대응하는 유전자로 확인되었다. 이에 따라 쥐와 인간의 KCNT1에 따른 이온 채널과 성인의 중추 신경계 뉴런에 발현성을 조사하였다. 인간과 쥐는 KCNT1의 세포막은 92%가 유사하고, KCNT1의 활성화로 이온 채널의 증폭이 일어나면 각각 p.Arg428Gln과 p.Ala934Thr 변이를 보였다.


  p.Arg428Gln 변이는 단백질 인산화 효소 C의 인산화 위치를 예측하여 전류의 진폭을 조절할 수 있다. 또한 분해효소의 활성에 의해 생성된 전류와 유사한 상태의 채널을 고정하여 현재 진폭을 강화할 가능성도 확인하였다. 나트륨 이온 농도의 상승에 의해 채널의 생물리적 동작이 변하게 되고 드라벳 증후군의 원인이 되는 SCN1A에 변이가 생기게 된다. 따라서 영유아의 심각한 뇌병변과 관련된 유전자로 확인된 것이다. 또한 칼륨 채널에 관련하는 KCNQ2, 'KCNQ3의 변이가 양성으로 신생아 가족의 발작 20~30%에서 나타났다. KCNQ2 돌연변이와 뇌파검사의 개인 보고서에서 양성 상관관계를 발견하고 7%의 유사성을 확인하였다.


  또한 KCNT1과 칼륨채널에 관련된 다른 유전자의 변이를 가진 사람들간의 임상결과에서 차이점을 발견하였다. 채널의 수는 이온의 독립적인 생화학적 흐름 활동을 제한이 아닌 활성화 기능을 가지고 있고, mRNA 결합 단백질인 FMRP와 상호 작용을 하였다. KCNT1의 변이는 이온 채널의 게이트 역할, FMRP와 다른 세포질 신호와 발달 관련 단백질과의 상호작용 능력, 단백질 형태 변경을 유발하였다. 두 유전자 변이의 확장으로 표현형 스펙트럼을 호메오박스8) 전사인자인 ARX와 STXBP1 유전자로 구축하였다.




  1. 뇌파검사 : 두피에 전극을 붙여 뇌의 전기적 활동을 기록하는 검사
  2. 요독증 : 요소삼투성 동물의 혈액에 다량의 요소가 함유하는 현상, 신장의 기능부전으로 오줌으로 배출되어야 할 성분이 혈액에 머물러서 일어나는 중독증상
  3. Trio 분석 : 환자와 부모 분석
  4. 글리코실화 : 글리코실기를 단백질에 전위하는 반응. 반응은 각각에 특이적인 글리코실 전달효소가 촉매하며, 당뉴클레오티드를 공급체 기질로 하는 경우가 주가 된다. 수용체로서는 단백질의 세린, 트레오닌, 아스파라긴, 히드록실리신 잔기를 들 수 있다. 이들의 잔기에 전이된 올리고당에 점차 단당을 전이하는 연속반응에 의해 복합당질의 합성이 가능해진다. 복합당질은 생체조직의 구성물질, 특히 세포 외 기질의 주성분인 것 외에 세포표면에서 세포인식에도 중요한 역할을 하고 있다.
  5. 오타하라(Ohtahara) 증후군 : 신경학적 장애로서 발작이 특징적이다. 이 장애는 보통 생후 3개월 이내 (대부분 종종 생후 10일 이내) 간질적 발작의 형태로 신생아에 영향을 미친다. 신생아는 주로 격렬한 발작을 가지지만 때로는 부분발작이나, 드물게 간대성 근경련 발작이 나는 경우가 있다. 비록 많은 경우에 있어 원인이 확인되지 않지만, 오타하라 증후군은 신진대사 장애 또는 뇌의 구조적 손상에 의해 일반적으로 대부분 일어난다. 이 증후군을 가진 대부분의 신생아는 부분적으로 또는 전체적으로 뇌의 심각한 발달부진을 보인다.
  6. 드라벳(Dravet) 증후군 : 40,000명당 1명 이하의 발병률을 가진 희귀질환. 영아기 중증 근간대성 간질은 열성발작을 동반한 전신 간질의 중증 형태이다. SCN1A 유전자에서 돌연변이가 확인되었고, 이것은 GEFS+와 연관되며 상염색체 우성의 유전 양상을 보인다. 영아기 중증 근간대성 간질은 전신성 강직과 강직-간대 발작이 특징적이다. 이것은 초기에는 열에 의해 야기되고, 한 살 사이에 시작된다. 이후에 환자들은 결신, 근간대성, 단순 또한 복합 부분 발작을 포함한 여러 가지 다른 형태의 발작을 일으킨다. 정신운동 발달은 2살 이후 정체된다. 영아기 중증 근간대성 간질은 GEFS+ 범주 안에서 가장 중증의 표현형으로 고려된다. 이것은 악성 간질 증후군인 반면, GEFS+는 일반적으로 양성이다.
  7. 단백질 인산화 효소 C : 여러 세포의 자극에 수반해 생성하는 세포막인지질대사산물에 의해 활성화되는 세린/트레오닌 인산화 효소의 1군(群). 효모에도 존재한다. 포유류에서는 3군으로 분류하는 11종의 다른 분자종 cPKC(α, βⅠ, βⅡ, γ), nPKC(δ, ε, η, θ, μ),aPKC(ξ, λ)가 존재하며, 각 분자종 각각의 효소적 성질, 발현의 세포특이성 등이 다르다. 역사적으로는 인지질과 칼슘에 의존성인 인산화 효소 활성으로 동정되어 세포막인지질의 미량성분인 포스파티딜이노시톨 4,5-비스인산이 자극의존적으로 분해하여 생기는 세포내 제2전령분자, 디아실글리세롤에 의해 활성화한 인산화 효소로서, 나아가 TPA(12-O-tetradecanoylphorbol 13-acetate)의 단백질 인산화 효소C 활성화 인자에 결합하여 활성화하는 인산화 효소로서 주목을 받아 왔다. TPA를 사용한 해석에서 분비반응, 전사조절, 세포골격제어, 세포증식, 분화의 조절 등 매우 다채로운 세포기능에 관여하는 것으로 추측하고 있다.
  8. 호메오박스 : 체절결정유전자나 일군의 분절유전자의 유전자, 축형성(軸形成)유전자 등에서 발견된 서로 상동성이 높은 180염기쌍으로 이루어지는 염기배열.



참고문헌

De novo gain-of-function KCNT1 channel mutations cause malignant migrating partial seizures of infancy

http://www.nature.com/ng/journal/v44/n11/full/ng.2441.html

A case of malignant migrating partial seizures in infancy as a continuum of infantile epileptic encephalopathy

http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/22197566

KCNQ2 encephalopathy: emerging phenotype of a neonatal epileptic encephalopathy

http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/22275249



저자

글 : hjpark

편집 : Thkim

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키워드 : KCNT1, KCNT2, SCN1A, 뇌병변(brain lesions), 간질, 뇌전증(epilepsy), exome sequencing, 칼륨채널, 나트륨채널, Trio, HiSeq2000, SureSelect 등

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