인간 유전체 프로젝트는 30억bp의 인간 게놈과 3만 여개의 유전자 염기서열과 기능 뿐만 아니라 게놈 염기서열 안에 들어 있는 유전자 암호(RNA - 단백질)를 규명하고 있다.
인간 게놈의 구조와 기능 정보들은 생병의 신비를 밝히는데 결정적인 도움을 줄 것이고 새로운 게놈 이후(post genome) 시대를 열게 될 것이다.
기존의 전통적인 분자생물학에 의한 연구방법은 생리적 혹은 병적상태에서 개체의 모든 유전자의 발현패턴이나 상호작용을 연구하기에는 어려운 점이 많았다.
하루에도 새로운 유전자 정보들이 수백개 이상 밝혀지고 있고 모든 유전암호가 밝혀진 생물들을 기존의 방법들로 연구하는 것은 너무나 많은 시간들을 요구하며 한 연구자가 동시에 많은 수의 유전자를 가지고 실험을 하는데 한계가 있기 때문에 포스트 게놈시대에는 새로운 기술의 개발이 절실히 요구됐고 그중 최근에 개발된 방법중의 하나가 바로 DNA Microarray이다.
DNA Microarraryd의 정의와 종류
DNA microarray는 기존의 분자생물학적 지식에 엄청난 발전을 한 기계 및 전자공학의 기술인 기계자동화와 전자제어 기술 등을 이용하여 적게는 수백개부터 많게는 수십만개의 DNA를 아주 작은 공간에 집어 넣어 제작한다.
즉,매우 작은 금속이나 유리표면에 수천에서 수만 종류의 DNA를 고밀도로 부착시키고 이들 DNA와 상보적으로 hybridization되는 유전자를 초고속으로 분석할 수 있는 장치로 하나의 DNA microarray상에서 전체 게놈을 탐색할 수 있고 동시에 수천 혹은 수만 개의 유전자간의 상호작용과 발현패턴을 알 수 있으며 돌연변이의 검색과 DNA sequencing 등도 가능하다.
DNA microarrary를 DNA chip,cDNA microarray,biochip,gene arrary,probe array 등의 여러 용어로 부르고 있으며 affymetrix사는 자신들이 등록한 트레이드 마크인 'GeneChip'으로 사용하고 있는데 이는 고밀도로 등록한 oligonucleotide-based DNA arrary로 microarrary 기술을 지칭하는 일반적인 용어로도 사용되고 있고 최근에는 하나의 칩 상에 전체 게놈을 검색할 수 있다는 의미로 '게놈 칩'이라고도 한다.
DNA Microarrary의 이용
고혈압이 발생하면 어떤 유전자들이 발현되고 혈압을 조절하면 어떻게 변화하는가?고혈압에 의한 합병증을 미리 예측할 수는 없는가?유전자 발현패턴을 검사함으로써 고혈압을 포함한 심혈관 질환을 새롭게 구분할 수는 없는가? 포스트-게놈 시대를 앞둔 시점에서 더 이상 유전자 하나 하나의 기능분석에 그치지 않고 최소한 수천가지 이상의 유전자들이 주어진 조건하에서 어떻게 발현이 조절되는지,
DNA microarrary는 생체내 유전자의 발현 패턴을 분석하거나 돌연변이가 발생된 특정 유전자를 대량으로 탐색할 수 있어서 이를 신약개발,유전병의 진단,그리고 SNPs의 분석 등에 광범위하게 사용될 수 있다.
최근에 oligonudeotide probe가 집적된 DNA Chip을 이용하여 p53로 발현이 조절되는 유전자를 대량으로 찾아낸 연구결과가 보고되었고,대장균의 4,290개의 ORF가 모두 집적된 DNA chip을 제작하여 유전자의 발현을 분석하거나 oligonucleotide probe가 집적된 DNA chip을 이용하여 염기서열이 바뀐 유전자를 찾아내는 연구가 매우 활발히 진행되고 있다.
앞으로도 DNA microarray가 생명공학,제약 및 의학분야 등에서 더욱 광범위하게 사용될 것으로 예측된다.
고혈압과 DNA Microarrary
본태성 고혈압은 복잡하고 다양한 원인이 의해 발생하며 다인성 유전경향을 갖는 질환이다.
단일 유전자의 돌연변이에 의해 유발되며 멘델법칙으로 유전되는 고혈압이 있기는 하나 전체 고혈압의 극히 일부분을 차지한다.혈압의 변동은 몇개의 유전자가 관여한다고 알려져 있으나 개인에 따라 다르며 염분의 섭취같은 환경적 요소가 유전적 인자와 상호작용하여 고혈압의 최종 표현형을 나타낸다.
최근 유전체 연구와 통계기법의 발전에도 불구하고 본태성 고혈압의 유전적 해석은 아직도 이뤄지지 않고 있다.
본태성 고혈압에 관여하는 유전자를 결정하는 방법으로 연관성 분석(linkage analysis),대상유전자 규명(candidate gene approach) 및 genome-wide scanning strategy가 가장 흔히 이용되어지는 방법으로 주로 renin-angiotensin system과 수분-염분의 조절에 관계되는 유전자를 대상으로 많은 연구가 있어 왔다.
Genome-wide scanning strategy는 이환된 형체간에 공유하는 대립 유전자의 빈도를 찾기 위해 이용되는 affected sibling pair model을 이용하여 변이를 가져 오는 유전체 부위를 밝히는 방법이다.
사람에 따라 약물의 흡수 활성화 대사 배설 등이 달라 치료에 대한 반응 또한 영향을 미치는데 이는 target/protein pathway의 분자수준에서 차이가 있기 때문으로 알려져 있다.
어떤 약물의 효과는 일반인을 대상으로 관찰한 효과를 통계적으로 분석한 것이나 개인 각각에서는 protein target 혹은 약물이 동일하게 직용하지 않기 때문에 이를 해결하기 위해 약리유전체학이라는 새로운 분야가 발생하게 되었다.
알려져 있는 혹은 새로운 항고혈압제에 효과적으로 반응하는 환자들의 유전적 특성을 적절한 대상유전자의 polymophic maker로 알아 볼 수 있으며 치료의 부작용을 일으키는 환자를 대상으로 유전자 다형성을 검사하여 그 유전적 결과를 알게 되면 어떤 사람에게서 부작용이 발생할 것인지를 예견할 수 있다.
항고혈압제 개발을 위하여 고혈압 관련 유전자의 발형 검색과 개발한 항고혈압제가 어떠한 기전을 통하여 작용하는 가를 DNA chip을 통하여 유전체 차원에서 연구가 가능해 지므로 항고혈압제를 개발하는 단계에서부터 기전과 효능을 미리 확인하여 개발속도를 단축시킬 수 잇다.또한 개개인이 조금씩 다른 유전정보를 가지고 잇기 때문에 궁극적으로 미래의 약품의약 개발에도 이와 같은 기술과 정보가 이용되어 유전적 특성에 따른 맞춤진료가 가능하게 된다.
Future perspectives
심혈적 고혈압 동물모델과 association 및 linkage analysis를 통한 연구 등에서 고혈압의 병인에 관계되는 유전자를 발견하고 이를 이용하여 고혈압의 유전자 진단,신약의 개발,유전자 치료 등 새로운 치료의 시도와 예후의 예측 등 분자의학의 발전과 예측의학 및 개인별의학 혹은 맞춤의학의 방향으로 진행하고 있다.
이를 위해서는 DNA microarray를 이용하여 환자의 유전체를 대량으로 분석하는 것이 필수적인 단계로 발전할 것이다.
분자유전학의 연구분야가 발달하고 유전체의 구조와 기능이 속속 밝혀짐에 따라 고혈압의 병인에 대한 많은 부분이 알려지게 되었고 이들 연구는 서로 독립적인 것이 아니고 상호보완적 역할을 한다.
고혈압과 관련된 유전자 규명을 위한 향후 연구의 방향은 대상의 선택 및 분석방법 등 연구디자인에 달려 있으며 cDNA microarrary같은 새로운 기법도 많이 이용되어질 것이다.이러한 모든 시도나 발전은 궁극적으로 고혈압의 병인 진단 예후 및 치료에 도움을 줄 것으로 생각된다.
고혈압을 새로운 각도에서 이해함으로 환자의 진료형태에 지대한 영향을 끼치게 되며 유전자형에 근거한 약제의 선택 용량의 결정 등 개인화된 진료와 유전자형에 따라 심혈관 질환에 걸릴 확률이 높은 고 위험도군에서 여러 환경적 요인들을 조절하고 수정함으로써 질환의 발병을 지연시키거나 예방할 수 잇게 된다.
포스트 게놈시대에 대비하여 이미 알고 있는 유전 정보로부터 어떤 단백질이 만들어지는 가를 추적하고 그 단백질의 구조와 기능을 밝혀내는 연구분야인 기능유전체연구와 개인 인종 생물간 유전체 정보를 비교해서 차이점을 찾아내고 이로 인한 생체기능의 차이를 추적하는 비교유전체연구 및 단백질 수준에서의 발현 정도 해독후의 변형 등 단백질의 특성 및 기능을 밝히는 프로티오믹스(proteomics)와 사
현재 GGAP(Cancer Genome Anatomy Project)를 비롯하여 종양 및 각종 인체질환에서 DNA microarrary를 이용한 유전자 발현 및 돌연변이에 관한 자료를 축적하는 단계이며 가까운 장래에 일반인을 대상으로 하는 검색법으로 확립될 것이다.
이와 같은 일이 현실로 빨리 다가오기 위해서는 엄청나게 쏟아지는 유전 정보들이 효율적인 관리를 하는 생물정보학의 발달도 시급하며 최근에 소개된 laboratory on a chip 개념이 DNA chip과 결합하면 더욱더 빠르고 정확한 정보들을 얻을 수 있을 것이다.
(조명찬 충북대 의과대학 내과학교실 )