Whole genome sequencing identified a novel copy number variant on TPK1 gene in a Chinese family with thiamine metabolism dysfunction syndrome 5

*기술 요약: 전전체 유전체 시퀀싱을 통한 TPK1의 새로운 복제수 변이(CNV) 식별 및 티아민 대사 기능 장애 증후군 5형 연구*

문제 제기
티아민 대사 기능 장애 증후군 5형(THMD5)은 티아민 피로인산 키나아제(TPK)를 인코딩하는 TPK1 유전자의 양측성 병원성 변이에 의해 발생하는 희귀 상염색체 열성 신경대사 질환이다. 30개 이상의 병원성 변이가 이미 보고되었으나, 대부분은 미스센스(missense) 돌연변이다. TPK1과 관련된 복제수 변이(CNV)는 매우 드물며, 코딩 엑손을 완전히 커버하지 못하거나 비코딩 영역에 브레이크포인트(breakpoint)가 있는 큰 구조적 변이를 신뢰성 있게 탐지하지 못할 수 있는 표준 전엑솜 시퀀싱(WES) 또는 표적 유전자 패널에서는 탐지되지 않는 경우가 많다. 결과적으로, 성인 환자나 비전형적인 양상을 보이는 환자들의 THMD5 진단은 여전히 어려운 과제로 남아 있다. 본 연구는 TPK1의 유전적 범위를 확장하고, 복잡한 유전적 병변을 식별하는 데 있어 전전체 유전체 시퀀싱(WGS)의 진단적 유용성을 평가하고자 한다.

연구 방법론
본 연구는 두 명의 환자 형제(31세 프로밴드와 33세 형)와 세 명의 비환자 가족 구성원(부모 및 남동생)으로 구성된 중국인 가족을 대상으로 분석을 수행하였다.

• 임상 데이터 수집: 종합적인 병력, 신경학적 검사, 신경 영상(MRI), 실험실 검사 결과(혈청 젖산 포함) 및 인지 기능 평가(MMSE, MoCA, ADAS-Cog)를 수집하였다.
• 유전체 분석: Illumina TruSeq DNA PCR-Free Library Preparation을 사용하여 모든 가족 구성원에 대해 WGS를 수행하였으며, 평균 분석 깊이는 30×를 달성하였다. 데이터는 BWA를 사용하여 인간 참조 유전체(hg19)에 정렬되었으며, Gene Analysis ToolKit(GATK)을 통해 분석되었다.
• 변이 검증 및 해석: 확인된 변이는 생어 시퀀싱(Sanger sequencing)을 통해 검증되었다. 변이는 Variant Effect Predictor(VEP)를 사용하여 해석되었으며, 다양한 데이터베이스(ClinVar, OMIM, HGMD, gnomAD)를 통해 스크리닝되었다. 병원성은 계산 알고리즘(SIFT, PolyPhen-2, FATHMM)을 사용하여 평가되었고, ACMG/ClinGen 가이드라인에 따라 분류되었다. CNV는 구성적 복제수 변이에 대한 기술적 표준에 따라 구체적으로 해석되었다.
• 페이징(Phasing): 본 연구는 WGS 데이터의 split-read 시퀀스 분석을 활용하여 복합 이형접합 변이의 cis/trans 페이징을 결정하였다.

주요 결과

• 임상 표현형:
  • 프로밴드: 13세에 발병하였으며 재발성 삽화적 뇌병증, 운동 실조 및 구음 장애를 보였다. 19세에는 경직성 보행과 사지 강직으로 진행되었다. MRI 결과 경미한 대뇌, 소뇌 및 뇌간 위축이 관찰되었다. 혈청 젖산 수치는 정상이었다. 인지 기능은 대체로 보존되었다.
  • 형: 4세에 발병하였으며 대칭성 기저핵 병변(T2 고신호강도, T1 저신호강도)과 높은 혈청 젖산 수치(3.65 mmol/L)를 포함한 심각한 증상을 보였다. 경직성 보행 장애 및 인지 기능 저하(MMSE 20/30)로 진행되었으며, 30대에 독립적인 보행이 불가능한 상태가 되었다.
• 유전적 소견: WGS를 통해 두 형제 모두에서 TPK1의 복합 이형접합 변이가 확인되었다:
  1. 알려진 병원성 미스센스 변이: NM_022445.4:c.382C>T (p.Leu128Phe).
  2. 새로운 CNV: NC_000007.13:g.144285435_144289647dup, 엑손 7과 인접 인트론을 포함하는 4.2 kb 탠덤 중복(tandem duplication).
  • 생어 시퀀싱을 통해 미스센스 변이는 어머니로부터 유전되었음을 확인하였다.
  • Split-read 분석을 통해 CNV는 아버지로부터 유전되었으며, 미스센스 변이와 trans 관계에 있음을 확인하였다.
  • 해당 CNV는 읽기 틀(reading frame)의 붕괴와 넌센스 매개 분해(NMD)를 유발할 것으로 예측되었다.
• 치료 결과:
  • 프로밴드는 정기적인 고용량 티아민(100 mg/day) 투여를 받았으며, 그 결과 증상이 안정화되어 더 이상의 악화가 나타나지 않았다.
  • 형은 단기간의 저용량 티아민(30 mg/day) 투여 후 치료를 중단하였으며, 이로 인해 신경학적 퇴행이 진행되었다.

주요 기여

1. 유전적 범위 확장: 본 연구는 TPK1 내의 새로운 4.2 kb 탠덤 중복을 보고함으로써, 지배적인 미스센스 변이를 넘어 THMD5의 알려진 돌연변이 지형을 확장하였다.
2. WGS의 진단적 우월성: 본 연구는 WGS가 intragenic CNV와 같은 복잡한 구조적 변이를 탐지하고, 정확한 진단에 필수적인 복합 이형접합 변이의 페이징을 결정하는 데 있어 WES 또는 표적 패널보다 우수함을 입증하였다.
3. 유전자형-표현형 상관관계: 본 연구는 동일한 유전자형을 가진 형제 간의 유의미한 표현형 이질성을 강조한다. 임상적 궤적의 차이는 유전적 차이가 아닌 치료 순응도에 기인한다.

의의 및 주장
저자들은 본 연구의 결과가 THMD5 관리에 있어 평생 지속되는 고용량 티아민 요법의 결정적 중요성을 강조한다고 주장한다. 순응도가 높은 프로밴드와 비순응자인 형의 대조적인 결과는, 질병 과정이 이미 상당히 진행된 후라도 티아민 요법이 신경 퇴행을 멈출 수 있다는 강력한 근거를 제공한다.

또한, 본 논문은 초기 유전 검사에서 분자 진단이 실패할 경우, 특히 유전성 대사 질환의 진단 과정에 WGS를 통합해야 한다고 주장한다. 다른 방법으로는 놓쳤을 가능성이 높은 새로운 CNV를 식별함으로써, 본 연구는 희귀 대사 질환의 완전한 유전적 원인을 밝혀내기 위한 포괄적인 유전체 분석의 필요성을 강화한다. 저자들은 가역적인 신경 손상을 방지하기 위해 임상적 또는 유전적 의심이 있을 시 즉시 고용량 티아민 투여를 시작할 것을 권고한다.