Massively parallel reporter assay investigates shared genetic variants of eight psychiatric disorders (2025)

https://doi.org/10.1016/j.cell.2024.12.022

 

정신질환은 높은 공존율을 보이며, 여러 질환이 유전적으로 연결되어 있을 가능성이 제기되어 왔다. 이번 연구에서는 자폐 스펙트럼 장애, ADHD, 조현병, 양극성 장애, 주요 우울증, 뚜렛 증후군, 강박장애, 신경성 식욕부진증 등 8가지 정신질환과 관련된 유전자 변이를 분석하고, 그중에서도 여러 질환에서 공통적으로 발견되는 변이들이 신경세포 발달, 크로마틴 접근성 조절, 단백질-단백질 상호작용(PPI) 네트워크 변화 등을 통해 정신질환 발병에 영향을 미칠 가능성이 크다는 것을 밝혔다. 특히, 유전자 변이들이 신경세포의 유전자 조절 기능을 변화시키고, 신경 발달 과정에서 중요한 역할을 한다는 것이 실험적으로 확인되었다.

 

연구 개요

• 정신질환은 높은 공존율(comorbidity)을 보이며, 여러 질환이 유전적으로 연관되어 있을 가능성이 제기됨
• 이번 연구에서는 8가지 주요 정신질환(자폐 스펙트럼 장애, ADHD, 조현병, 양극성 장애, 주요 우울증, 뚜렛 증후군, 강박장애, 신경성 식욕부진증)의 공통 유전적 변이를 분석함
• 대규모 병렬 리포터 분석법(Massively Parallel Reporter Assay, MPRA)을 활용하여 특정 유전 변이가 유전자 발현을 조절하는 방식과 그 영향력을 평가함
• 연구 결과, 일부 변이는 특정 질환에서만 발견되었으나, 다수의 변이가 여러 정신질환에서 공통적으로 나타남
• 공통 변이들은 신경 발달, 크로마틴 접근성 조절, 단백질-단백질 상호작용(PPI) 네트워크 변화 등을 통해 정신질환 발병에 영향을 미치는 것으로 나타남

 

연구 방법

1. 연구 대상 및 데이터 선정

• 분석 대상: 8가지 정신질환과 관련된 총 17,841개의 유전자 변이(SNP, Single Nucleotide Polymorphism)

• 사용 데이터: 정신질환 유전체연합(PSYCHIATRIC GENOMICS CONSORTIUM, PGC)에서 제공하는 대규모 유전자 변이 데이터
• 정신질환별로 질환 특이적 변이(disorder-specific variants)와 공통 변이(pleiotropic variants)를 분류

2. 대규모 병렬 리포터 분석(MPRA) 진행

• MPRA는 특정 변이가 유전자 발현을 조절하는지 확인하는 실험 기법임
• 연구팀은 실험을 통해 유전자 변이가 전사 조절 요소로 작용하는지를 평가함
• 실험 과정
  1. MPRA 라이브러리 제작: 17,841개 변이가 포함된 유전자 서열을 합성하여 실험용 DNA 라이브러리 구축
  2. 신경 전구세포(HNPs, Human Neural Progenitor Cells)에서 유전자 발현 평가
  3. RNA/DNA 비율 분석: 변이가 포함된 DNA 서열이 유전자 발현을 증가시키거나 감소시키는지 비교
  4. 활성 요소(MPRA-active elements) 선별: 유전자 발현을 조절하는 기능이 있는 변이 확인

3. 유전자 기능 분석 및 크로마틴 접근성 평가

• 크로마틴 접근성 분석: 변이가 위치한 영역이 신경세포에서 활발하게 전사 조절에 관여하는지를 확인
• 단백질-단백질 상호작용(PPI) 네트워크 분석: 변이가 다른 유전자와 어떻게 상호작용하는지 평가
• 전사인자(TF) 결합부위(TFBM) 분석: 변이가 특정 전사인자의 결합을 방해하거나 촉진하는지 분석

4. CRISPR 실험을 통한 유전자 발현 검증

• 특정 변이가 실제로 유전자 발현에 영향을 미치는지 확인하기 위해 CRISPR 유전자 편집 기술 활용
• 실험 대상
  • RERE 유전자 (주요 우울증, 뚜렛 증후군과 관련)
  • DCC 유전자 (조현병과 관련)
• CRISPR-Cas9 시스템을 활용하여 해당 변이들을 제거하거나 삽입한 후, 유전자 발현 변화를 측정

 

연구 결과

1. MPRA 실험 결과: 유전자 변이의 기능성 평가

• 17,841개 변이 중 1,478개 변이(9.3%)가 유전자 발현을 조절하는 MPRA 활성 요소(MPRA-active elements)로 확인됨
• 10,675개 변이(67.1%)는 유전자 발현에 영향을 주지 않는 것으로 나타남
• MPRA 활성 요소들은 주로 흥분성 신경세포(Excitatory Neurons, ExNeurons) 계열에서 높은 활성을 보임
• 특정 정신질환에서만 발견되는 변이(disorder-specific variants)와 여러 정신질환에서 공통적으로 나타나는 변이(pleiotropic variants)로 분류됨

2. 공통 변이(pleiotropic variants)의 특징

• 여러 정신질환에서 동시에 발견되는 변이들은 더 넓은 신경세포 계열에서 작용하며, 신경 발달 과정 전반에 영향을 미침
• 크로마틴 접근성이 증가하여 유전자 발현을 활성화하는 경향이 있음
• 단백질-단백질 상호작용 네트워크에서 핵심적인 역할을 하는 유전자들과 연결됨

3. 특정 변이와 정신질환 간의 관계 검증 (CRISPR 실험 결과)

(1) RERE 유전자와 주요 우울증, 뚜렛 증후군

• 특정 변이(rs301804)는 RERE 유전자의 발현을 억제하는 것으로 확인됨

• RERE 유전자는 신경 발달 과정에서 중요한 역할을 하며, 변이가 있을 경우 신경 기능 저하가 발생할 가능성이 있음

• 해당 변이는 주요 우울증(MDD)과 뚜렛 증후군(TS)의 위험을 증가시키는 것으로 나타남

(2) DCC 유전자와 조현병

• DCC 유전자는 신경세포의 축삭(axon) 성장 및 신경망 형성에 중요한 역할을 함

• 특정 변이(rs4513167)가 이 유전자의 발현을 억제하면 신경망 형성 과정에서 문제가 발생할 가능성이 있음

• 이 변이는 조현병을 포함한 여러 정신질환에서 공통적으로 발견됨

4. 유전자 네트워크 분석 결과

• 공통 변이가 관여하는 유전자들은 단백질-단백질 상호작용 네트워크에서 중요한 허브 역할을 함
• 공통 변이들은 신경세포 발달에 광범위하게 영향을 미치며, 특정 전사인자(TF)의 결합을 조절하는 특징이 있음

 

 

정신질환 공통 변이의 크로마틴 접근성과 단백질 네트워크 연결성 분석

(A) 공통 변이(pleiotropic variants)와 질환 특이적 변이(disorder-specific variants) 비교

• 정신질환과 관련된 유전 변이(variants) 중 일부는 특정 질환에서만 발견되는 반면, 일부 변이는 여러 정신질환에서 공통적으로 나타남

• 여러 질환에서 발견되는 공통 변이(pleiotropic variants)는 크로마틴 접근성이 높은 영역에 위치하며, 다양한 신경세포 계열에서 발현 가능성이 높음

• 특정 질환에서만 나타나는 변이보다, 여러 질환에서 공통적으로 발견되는 변이들은 유전자 조절 기능을 가지며, 신경세포 발달 과정에서 더 중요한 역할을 할 가능성이 있음

(B) 공통 변이의 유전자 조절 기능 분석

• MPRA 실험을 통해 변이들이 유전자 발현에 미치는 영향을 평가한 결과, 공통 변이들은 유전자 발현을 더 크게 변화시키는 경향이 있음

• 공통 변이들이 포함된 영역에서는 크로마틴 접근성이 증가하여 전사인자(TF) 결합이 활발하게 일어날 가능성이 큼
• 특정 전사인자(TFs)들은 공통 변이들이 위치한 영역에서 유전자 발현을 조절하는 핵심 역할을 수행할 수 있음

• 공통 변이가 위치한 영역에서는 유전자 조절이 활발하게 일어나며, 이는 정신질환의 공통 원인을 설명하는 중요한 단서가 될 수 있음

(C) 단백질-단백질 상호작용 네트워크(PPI) 분석

• 공통 변이들은 단순히 유전자 발현을 변화시키는 것뿐만 아니라, 단백질-단백질 상호작용 네트워크(PPI)에서도 중요한 허브 역할을 함

• 공통 변이가 조절하는 단백질들은 다른 단백질과의 연결성이 높아, 신경세포 기능 조절에 더 큰 영향을 미칠 가능성이 있음

• 공통 변이들은 단순히 유전자 발현에 영향을 주는 것이 아니라, 신경세포 내에서 단백질 네트워크를 통해 더 복잡한 방식으로 정신질환 발병에 기여할 수 있음

 

연구 결론

연구 결과, 정신질환에서 공통적으로 발견되는 유전 변이들은 더 넓은 신경세포 계열에서 크로마틴 접근성을 높이고, 전사인자(TF) 결합을 활성화하며, 단백질-단백질 네트워크(PPI)에서 중요한 허브 역할을 하는 경향이 있는 것으로 나타났다. 특히, CRISPR 실험을 통해 특정 유전자 변이가 실제로 정신질환과 관련된 유전자 발현을 조절한다는 것이 입증되었으며, 정신질환의 유전적 원인을 보다 명확히 이해하는 데 기여했다. 이러한 연구 결과는 정신질환의 조기 진단 및 맞춤형 치료법 개발에 중요한 단서를 제공할 것으로 기대된다.