Published online Sep 30, 2022.
https://doi.org/10.14734/PN.2022.33.3.121
Chromosomal Microarray Analysis and Prenatal Diagnosis: What Obstetricians Should Know
, MD,1
Eun Saem Choi, MD,2,3
Yiyoung Ju, MD,1
Joong Shin Park, MD, PhD,1
and Seung Mi Lee, MD, PhD1
Abstract
Chromosomal microarray (CMA) is a high-resolution technique that can analyze the entire genome and can detect submicroscopic aberration. CMA can be performed in prenatal settings by using fetal DNA. Compared to conventional karyotyping, CMA has higher resolution and can find out abnormalities of less than 5 mega-base-pair in size. Fluorescence in situ hybridization and polymerase chain reaction analysis are also widely used techniques for detecting submicroscopic aberration but have limitations in that they can detect only a specific target gene. The test can be performed with a small amount of tissue, cells, and even with stored tissue. In most cases, we can get results within a few days without culturing cells. We can also derive accurate results using an objective platform and database. CMA can be recommended when one or more structural abnormalities are noted in ultrasonography or when genetic analysis of intrauterine fetal death or stillbirth is required. CMA results are classified into five categories: benign, likely benign, variant of uncertain significance, likely pathogenic, and pathogenic. In the prenatal setting, performing CMA should be decided with full consideration of the clinical situation. Information about CMA test should be provided to all patients who undergo the invasive prenatal test. Before conducting the test, patients should also be informed about the limitations of the test. When the test is performed, sufficient counseling about results offered by medical specialists is required. Obstetricians need to be well prepared to provide patients with sufficient information and consultation about CMA.
서론
산전 진단에서 염색체 이상의 진단은 기본적으로 고식적인 세포유전학적 검사(conventional cytogenetics)를 통해 이루어지고 있다. 1950년대 염색체 분석을 통하여 다운 증후군, 클라인펠터 증후군 및 터너 증후군이 염색체의 수적 이상에 의해 발생한다는 것이 밝혀졌다.1, 2 1960, 1970년대 염색체 분염법(chromosome banding)의 발달로 염색체 분석의 정확도가 높아졌고, 고식적인 세포유전학적 검사를 통하여 염색체의 수적 이상뿐 아니라 전좌(translocation)와 같은 염색체의 구조적 이상까지 검출할 수 있게 되었다.3 고식적인 세포유전학적 검사에서는 G-분염법(G-banding)이 주로 사용되는데, 세포 분열 중기 염색체를 Giemsa 염색 처리하여 500-600개의 염색대(band)를 얻게 되며, 약 5-6 mega-base-pair (Mb)의 해상도로 염색체 분석을 시행할 수 있다.4 고식적인 세포유전학적 검사는 현재까지 산전 유전 진단에서 기본적으로 널리 사용되고 있다. 하지만 고식적인 세포유전학적 검사를 통해서는 5 Mb 미만의 염색체 이상을 검출하기 어렵다는 한계가 있다.4
산전 유전 검사에 분자세포유전학 기술이 도입되면서 형광제자리부합법(fluorescence in situ hybridization)이나 중합효소 연쇄반응(polymerase chain reaction)을 통해 특정 유전체 부위에 대한 분석을 시행하고 있다.3, 4 형광제자리부합법이나 중합효소 연쇄반응을 이용한 분석은 특정 표적 유전자만에 대해서만 검출 가능하다는 한계가 있다. 염색체 마이크로어레이(chromosomal microarray) 검사는 전장 유전체(genome-wide) 분석방법이며, 높은 해상도를 가지고 있다. 이를 통하여 전체 유전체에서 미세결실을 포함하는 5 Mb 미만의 염색체 이상을 검출할 수 있다. 이 밖에도 산전 유전 검사에는 폭넓게 착상전 유전 진단(preimplantation genetic diagnosis)도 포함된다(Table 1).5 유전질환에 대한 분자생물학적 이해도가 높아지면서 염색체 마이크로어레이 검사법은 향후 더욱 유용성이 높아질 것으로 생각된다. 이에 산전 유전 검사로서 염색체 마이크로어레이 검사를 적절히 활용하기 위하여 염색체 마이크로어레이 검사의 원리, 방법, 임상적 적응증 및 결과의 해석과 한계점에 대해 살펴보고자 한다.
Table 1
Prenatal Genetic Analyses Techniques
본론
1. 염색체 마이크로어레이 검사의 원리와 방법
염색체 마이크로어레이 검사는 복제수변이(copy number variation)를 전장 유전체에서 검출할 수 있는 방법이다.6, 7 복제수변이는 1 kilo-base-pair (Kb) 크기 이상의 DNA 서열의 복제수 차이를 의미하며,8 유전적 다형성을 이루는 주요 유전적 변이이다. 복제수변이의 존재가 병적 변이를 의미하는 것은 아니다. 복제수변이는 인구집단 또는 개인 특이적인 경우가 있을 수 있으며, 질병에 영향을 주지 않는 양성변이(benign variant)인 경우와 질병과 관련이 있는 병원성 변이(pathogenic variant)인 경우로 구분된다.9 많은 경우 복제수변이는 질병과 관련이 없는 것으로 알려져 있으나, 유전자 용량 효과(dosage effect)가 있는 유전자를 포함하거나 복제수변이에 의해 특정 유전자의 절단이나 융합이 발생할 경우 또는 유전자 발현이나 기능에 영향을 주는 조절인자가 포함된 위치에서 발생하게 될 경우 질병을 유발할 수 있다.8 고식적인 세포유전학적 검사는 세포배양이 필요하여 검사 소요시간이 길고, 배양 실패로 검사를 진행할 수 없는 경우가 있다.7 반면 염색체 마이크로어레이 검사는 소량의 조직이나 세포로도 검사가 가능하여 대부분의 경우 세포배양이 필요하지 않아 단시간 내에 결과를 얻을 수 있다는 장점이 있다.7 고식적인 G-분염법을 사용할 경우 진단이 애매하거나 염색대 분석 시 검사자의 주관적 해석이 들어갈 수 있으나, 염색체 마이크로어레이 검사의 경우 높은 해상도를 가짐과 더불어 객관화된 플랫폼과 데이터베이스를 이용해 결과를 도출하게 된다.6
염색체 마이크로어레이 검사 기법으로 어레이 비교유전체보합법(array comparative genomic hybridization, array CGH)과 단일염기다형성(single nucleotide polymorphism, SNP) 마이크로어레이의 2가지 방법이 사용되고 있다.
Array CGH는 환자 또는 태아의 DNA와 reference DNA를 각각 서로 다른 형광 표지자로 표지한 뒤, 올리고핵산염(oligonucleotide) 탐색자(probe)가 부착되어 있는 마이크로어레이 슬라이드 위에서 융합시킨다.7 이때 각 형광의 강도비가 두 유전체 간의 복제수비를 반영하게 된다.7 SNP 마이크로 어레이는 전장 유전체 연관 분석(genome-wide association studies) 연구로 단일염기다형성과 여러 유전자들의 관계가 밝혀지면서 각광받기 시작한 분석기법이다. Array CGH와 달리 샘플 DNA만을 마이크로어레이 슬라이드에 융합시키고 이를 데이터베이스와 비교한다.9 이를 통하여 단일염기다형성과 복제수변이 뿐만이 아니라 단친성 이염색체(uniparental disomy)에 대한 분석도 가능하다.9 각 검사 기법으로 검출 가능한 염색체 이상에 대하여 Table 2에 정리되어 있다.9
Table 2
Detectable Chromosomal Abnormalities according to Analysis Methods
2. 염색체 마이크로어레이 검사의 임상 적응증
1) 산전 초음파상 태아의 구조적 이상이 없는 경우
미국산부인과학회(American College of Obstetricians and Gynecologists)와 미국모체태아의학회(Society for Maternal-Fetal Medicine)는 모든 임산부가 나이나 위험인자에 상관없이 염색체 이수성에 대한 선별검사 또는 진단검사에 대해 상담을 받아야 한다고 권고하고 있다.5, 9 염색체 마이크로어레이에 대해서는 구조적 이상이 없는 태아에서 침습적인 산전 진단 검사를 시행하였을 경우 고식적인 세포유전학적 검사나 마이크로어레이 검사가 선택적으로 시행될 수 있다고 제시하고 있다.5, 9 최근에는 태아 염색체 분석 시행 시 염색체 마이크로어레이를 우선적으로 시행하여야 한다는 의견도 제시되고 있으나,10 불확실성 변이형(variant of uncertain significance)의 가능성 때문에 태아의 구조적 이상이 있는 경우에 한하여 염색체 마이크로어레이 검사를 고려해야 한다는 주장도 있다. National Institute of Child Health and Human Development (NICHD) 연구에서 정상 핵형과 초음파상 정상 소견을 보인 태아에서 염색체 마이크로어레이 검사를 통해 의미 있는 염색체 이상이 발견된 경우는 1.7%임이 보고되었다.10 따라서 융모막 검사와 양수 천자와 같은 침습적 산전 진단을 시행할 때 산모와 보호자에게 염색체 마이크로어레이 검사의 의미와 한계에 대한 충분한 정보를 제공하고, 고식적인 세포유전학적 검사와 더불어 염색체 마이크로어레이 검사의 시행 여부를 결정하는 것이 필수적이다.
2) 산전 초음파상 태아의 구조적 이상이 있는 경우
산전 초음파상 태아의 구조적 이상이 의심되어 산전 유전 검사를 시행할 경우 염색체 마이크로어레이 검사를 시행하는 것이 권고된다. NICHD 연구에서 초음파상 구조적 이상을 지닌 태아에서 고식적인 세포유전학적 검사에서 정상 소견이 보고된 경우에도, 해당 케이스의 6%에서 염색체 마이크로어레이 검사 결과 임상적으로 의미 있는 염색체 중복이나 결실이 보고되었다.10 미국모체태아의학회는 이러한 연구를 바탕으로 태아의 구조적 이상에 의해 산전 유전 진단을 시행하는 경우 염색체 마이크로어레이 검사가 고식적인 세포유전학적 검사를 대체할 수 있다고 하였다.9
3) 사산 또는 자궁내 태아 사망
사산 또는 자궁내 태아 사망에 대한 평가를 위해서 고식적인 세포유전학적 검사 및 염색체 마이크로어레이 검사를 시행할 수 있다. 분만 진행 전 양수검사 또는 분만 후 태반 근위부의 제대혈에서 검체를 얻는 것이 좋으나, 염색체 마이크로어레이 검사의 경우 사산아에서 검체를 얻어도 검사 진행이 가능하다.11 Stillbirth Collaborative Research Network는 사산 시 염색체 마이크로어레이 검사가 고식적인 세포유전학적 검사보다 높은 검사 성공률(87.4% vs. 70.5%, P<0.001) 및 높은 유전적 이상 검출률(8.3% vs. 5.3%, P<0.01)을 보임을 보고하였다.12 따라서 사산 또는 자궁내 태아 사망 시에는 고식적인 세포유전학적 검사보다 염색체 마이크로어레이 검사를 시행하는 것이 권고된다.9, 11
3. 염색체 마이크로어레이 검사의 가이드라인
산전 유전 진단에서의 염색체 마이크로어레이 검사의 적용에 대하여 여러 임상 지침들에서는 임상적상황을 고려한 결정이 필요함을 공통적으로 제시하고 있다.
미국산부인과학회와 미국모체태아의학회는 2013년의 Committee Opinion9과 2016년 Practice Bulletin No. 1625에서 구조적 이상이 있는 태아 또는 사산아에서 고식적인 세포유전학적 검사를 대체하여 염색체 마이크로어레이 검사를 시행할 수 있다고 하였으며, 구조적으로 정상인 태아에서는 염색체 마이크로어레이 검사 또는 고식적인 세포유전학적 검사가 시행될 수 있다고 하였다. 캐나다산부인과학회는 염색체 마이크로어레이 검사는 구조적 염색체 이상이 있을 가능성이 낮은 경우에는 낮은 양성예측도 때문에 권고되지 않는다고 하였다.13 영국내과학회 등은 의학유전학에 대한 공동 위원회(UK Joint Committee on Genomics in Medicine)에서 산전 검사로 염색체 마이크로어레이 검사는 한 개 이상의 구조적 이상이 초음파상 보고되었거나, 목덜미투명대 두께가 3.5 mm 이상이거나, 성염색체이수성이 있으나 이를 통해서는 초음파상의 구조적 이상을 설명할 수 없을 때 진행할 수 있다고 하였다.14 미국의학유전학회(American College of Medical Genetics)는 산전 유전 진단 시 적절한 염색체 마이크로어레이 검사 시행을 위한 가이드라인을 제시하였다.15 다음은 최근에 제안된 대한모체태아의학회 권고 사항이다.16
- 최근 연구들에 따르면 염색체 마이크로어레이 검사는 고식적인 세포유전학적 검사보다 진단적인 가치가 높다. 또한 염색체 마이크로어레이 검사 시행 시에는 배양이 필요하지 않은 경우가 많아 보고까지의 소요시간이 비교적 짧으며, 사산의 경우에도 검사를 활용할 수 있다는 장점이 제시되고 있다. 이와 같은 사항과 국내의 상황을 고려할 때 하기와 같이 권고한다.
- 일차적인 산전 유전 진단 검사방법은 고식적인 세포유전학적 검사이다.
- 하기의 경우에는 염색체 마이크로어레이 검사를 시행할 수 있다.
- 산전 태아 초음파 검사에서 주요 기형이 보고된 경우
- 태아에게 표적 염색체가 발견된 경우
- 부모에게서 염색체 균형 재배열이 확인된 경우
- 사산아나 유산의 수태 산물에 대한 유전자 검사를 하는 경우
- 단순히 고령, 모체 혈청 선별검사의 고위험군 보고, 산전 태아 초음파에서 소프트 마커가 보고된 경우에는 염색체 마이크로어레이 검사를 추천하지 않는다.
- 염색체 마이크로어레이 검사 전후로 전문적인 유전상담이 필수적이며, 검사의 장단점과 한계점에 대한 명확한 고지가 필요하다.
4. 염색체 마이크로어레이 검사 결과의 해석
1) 보고서의 해석
유전자 복제수변이는 5개로 분류되며, 양성(benign), 유사 양성(likely benign), 불확실성 변이형, 유사 병원성(likely pathogenic), 병원성(pathogenic)으로 나뉜다(Table 3).17, 18
Table 3
Classification of Copy Number Variations
양성변이란 다수의 논문과 데이터베이스에서 양성으로 보고된 변이를 의미하며, 유사 양성은 해당 변이가 멘델질환에 관련되지 않은 것으로 강력하게 제시되었지만 양성으로 분명히 말하기에는 충분한 근거가 없는 경우를 의미한다.17 유사 병원성은 해당 변이가 질환을 유발하는 것을 강력하게 시사하는 증거들이 있으나 병원성을 분명히 증명하기에는 충분하지 않은 경우를 의미하며, 병원성은 해당 변이가 병원성이 확실히 밝혀진 경우를 의미한다.17 불확실성 변이형은 양성 또는 병원성으로 분류하기에는 근거가 부족하여 질병과의 관련성이 확립되지 못한 변이들을 포함하는 넓은 범위의 유형이다. 미국의학유전학회는 복제수변이 해석 점수 행렬표(copy number variation interpretation scoring metric)를 제시하였으며 이를 기반으로 5개의 단계로 구분하여 보고하도록 권고하였다.17
다음과 같은 평가 체계를 통해 각 변이에 대해 점수를 매긴 후, 도출된 점수를 기반으로 5개의 분류단계로 평가하도록 권고된다.17
(1) 우선적으로 복제수변이 결실 또는 중복에 해당할 경우 단백질 암호화 유전자인지 여부를 확인한다.
(2) 해당 결실 또는 중복이 정립된 단상부족(haploinsufficiency), triplosensitivity (표현형에 영향을 주는 특정 유전자의 중복), 또는 양성변이에 해당되는지 확인한다.
(3) 단백질 번역 영역을 포함하고 있는 경우 몇 개의 유전자가 해당하는지 평가한다.
(4) 해당하는 유전자에 대하여 공개된 문헌과 데이터 베이스 등을 이용해 평가한다.
(5) 마지막으로, 유전양식과 가족력에 대해 평가한다.
2) 데이터베이스의 활용
염색체 마이크로어레이 데이터베이스로는 Database of Genomic Variants (dgv.tcag.ca/dgv/app/home), Clinical Genome Resource (www.clinicalgenome.org), ClinVar (ncbi.nlm.nih.gov/clinvar), Decipher (decipher.sanger.ac.uk)가 있다. 상기 데이터베이스들을 통하여 보고된 염색체 복제수변이에 대하여 정립된 보고가 있는지 알 수 있다.
5. 염색체 마이크로어레이 검사의 카운슬링
1) 검사 전 상담 및 검사 동의서의 작성
융모막 검사와 양수검사 같은 침습적 산전 진단 검사를 시행하는 모든 환자들에게 염색체 마이크로어레이 검사에 대한 정보를 제공하는 것이 권고되고 있으며,9 검사의 의미와 한계에 대한 적절한 카운슬링을 제공하는 것이 필요하다. 상담에 포함되어야 하는 내용들은 다음과 같다.
- 우선 염색체 마이크로어레이 검사를 통해 고식적인 세포유전학적 검사로 진단할 수 있는 유전 이상을 대부분 진단할 수 있고 나아가 다양한 유전질환들을 알 수 있으나, 모든 유전질환을 진단할 수 있는 것은 아님을 설명하여야 한다.19
- 병적 유전변이 또는 불확실성 변이형일 경우에 표현형의 중증도는 다양하게 나타날 수 있기 때문에 이러한 유전형-표현형 연관성(genotype-phenotype correlation)에 대한 설명도 필요하다.20 염색체 이상이 질병의 이환으로 이어질지 여부는 불투명할 수 있으며, 보다 정확한 분석을 위하여 부모의 유전자 검사가 추가적으로 필요할 수 있음도 알려야 한다.19 염색체 마이크로어레이 검사를 통해 친자 정보 및 성인 시기에 발병하는 유전 이상에 대한 정보가 밝혀질 수 있음도 고지하여야 한다.19 염색체 마이크로어레이 검사 비용이 일부 환자들에게는 검사의 시행여부 결정에 중요한 요인이 될 수 있기 때문에 이에 대한 설명도 필요하다.20 이와 같은 내용들을 포함하는 내용의 검사 동의서 작성이 검사 전 필수적이다.
- 염색체 마이크로어레이 검사의 한계점: 복제수변이가 동반되지 않은 균형 전좌 또는 염색체 역위, 낮은 레벨의 모자이시즘, 단일 유전자의 점 돌연변이, 염색체 마이크로어레이 검사에 사용되는 표지자에 포함되지 않는 위치의 복제수변이와 같은 염색제 이상은 염색체 마이크로어레이 검사를 통한 진단이 어렵다.9
2) 검사 후 상담
검사 전 상담과 마찬가지로 충분한 경험을 가진 전문가들이 검사 후 상담을 제공해야 한다. 양성변이, 유사양성변이, 불확실성 변이, 유사병원성 변이, 병원성 변이가 보고되었을 경우 이에 대한 상세한 해석이 검사의 한계점에 대한 설명과 함께 제공되어야 한다. 특히 불확실성 변이이 보고되었을 때에는 이로 인하여 환자들이 과도한 불안감을 가지지 않도록 적절한 설명을 하는 것이 필수적이다. 약 1-2% 정도의 케이스에서 불확실성 변이형이 보고될 수 있으며,21 이에 대한 적절한 해석을 위해서는 유전자의 위치, 변이의 크기, 발현되는 단백질의 기능 등에 대한 이해를 바탕으로 문헌 및 데이터베이스 고찰이 필요하다.22 또한 초음파 소견이나 가족력 및 해당 복제수변이가 유전되었을 가능성도 고려되어야 하며, 유전 가능성에 대한 평가를 위하여 필요할 경우 부모 유전자 검사를 권고할 수도 있다. De novo로 변이가 발생했을 가능성도 간과되어서는 안 된다.22 특히 문헌 고찰 시 해당 복제수변이를 가졌을 때 발달장애, 언어장애와 같은 이상소견이 보고된 경우라도 표현도(expressity)의 차이로 인한 불확실성이 있음을 간과해서는 안 된다. 유전자 데이터베이스를 통해 복제수변이가 발생한 위치에 유전자가 위치함을 확인하였더라도 이것이 표현형의 변화로 이어질지는 불투명하다는 것도 주지하여야 한다. 이러한 것들을 종합적으로 고려하여 불확실성 변이형이 실제로 양성 또는 병원성일 가능성에 대해 논의하여야 한다.
결론
유전 기술의 빠른 성장과 함께 산전 유전 진단의 방법 역시 나날이 발전하고 있고 대개의 경우 진료에 도움이 되는 유용한 정보를 제공한다. 하지만 출생 후 치료가 가능한 유전 이상이나 성인이 되어 발생하는 질병에 대한 정보가 보고될 수 있다. 또한 아직까지 그 의미가 밝혀지지 않은 이상에 대한 정보가 제공됨으로써 과도한 불안감을 유발할 수 있고, 임신 유지에 대한 고민으로 이어질 수 있다. 그러므로 의료진은 검사 전, 본 검사의 의미와 한계에 대해 자세한 정보를 제공해야 하며, 부부와의 충분한 논의를 거쳐 검사 시행을 결정해야 한다. 또한, 검사 후에는 가장 최신의 의학지식을 바탕으로 이에 대한 설명을 제공해야 한다. 검사 결과에 대한 임상적 해석 및 향후의 장기적인 계획 수립을 위하여 필요 시, 타 분야의 전문가들과도 논의가 이루어져야 한다.
향후 기술의 발달로 산전 검사로 알게 되는 정보는 더욱 자세해질 것이다. 이로 인하여 발생 가능한 윤리적, 정신적 이슈는 중요하게 고려되어야 한다. 또한 의료진은 책임감을 가지고 검사를 시행해야 하며, 염색체 마이크로어레이 검사 항목의 범위와 종류에 대하여 부모에게 선택권을 제시하거나 검사의 적응증과 구체적인 가이드라인 제시 등 앞으로 나아가야 할 이상적인 방향에 대해 다양한 방안을 모색해야 한다.
Conflict of Interest:No potential conflict of interest relevant to this article was reported.
Authors’ Contributions:
Conceptualization: HS, ESC, SML.
Investigation: all authors.
Supervision: SML, JSP.
Writing-original draft: HS, YJ.
Writing-review & editing: all authors.
Acknowledgments
This report was supported by Namyang award.
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Tables
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