Genetic analysis of Behçet’s disease using whole-exome sequencing and bioinformatics in Korean patients

Abstract

Behçet’s disease (BD) is a rare, chronic, autoimmune, and auto-inflammatory disease characterized by mucocutaneous, ocular, and musculoskeletal involvement and is most commonly accompanied by recurrent oral aphthous ulcers. Although recent genetic association studies have identified several susceptibility genes associated with BD, the exact etiology is still not completely understood. In this study, we used whole-exome sequencing data from 20 patients and 100 healthy controls to conduct a genetic association analysis of BD in Korean patients. For quality control variants, single nucleotide polymorphisms with a minor allele frequency of less than 1% were discarded, and variants with high, moderate, or loss of function were utilized for comparison. Subsequently, functional relationship analysis of candidate genes was performed to analyze the functional terms and pathways associated with the variants. We identified 143 BD candidate genes. Functional relationship analysis revealed the following clusters: blastocyst formation, transcription cofactor binding, regulation of transcription from RNA polymerase II promoter in response to stress, protein digestion and absorption, regulation of blood vessel diameter, calcium ion transmembrane transport, GTPase regulator activity, mitochondrial gene expression, mitochondrial translation, regulation of cytokine production involved in immune response, and purine metabolism. Overall, these findings provide valuable insights into the pathways and pathogenic mechanisms contributing to the risk of developing BD and establish a basis for future studies.

베체트병은 점막, 안구, 근골격계 침범을 특징으로 하는 만성 자가면역질환으로, 가장 일반적으로 반복되는 구강 아프타성궤양을 동반된다. BD 의 원인은 유전학적 연구를 통하여 몇가지 연관된 유전자를 발굴하였지만 아직 명확하게 밝혀지지 않았다. 베체트병의 조기적 진단 방법이 개발될 경우, 베체트병을 조기 예방 할 수 있고 추가적 치료 발생 비용을 감소시킬 수 있으며 환자 개개인에게 맞춤별 치료를 제공할 수 있을 것으로 기대된다. 그러므로 본 연구는 베체트병을 유발하는 단일 염기 다형성 유전자 변이에 대한 연구를 통하여 질병을 유발하는 바이오마커를 찾고자 한다. 전체엑솜분석은 차세대 염기서열분석방법으로 유전자의 단백질을 합성하는 부분인 엑손과 단백질코딩을 식별하여 유전체 염기서열을 고속으로 분석하여 정상인과 환자의 유전자서열을 대조식별하여 환자만 가지고 있는 유전자변이형을 찾아낼 수 있다. 본 연구는 연세대학교 세브란스 병원 류마티스 내과에 내원한 베체트병 환자 20명을 실험군으로 하고 질병관리본부에서 받은 안산안성 코호트 중 100명의 건강한 한국인의 엑솜 시퀀싱 데이터를 대조군으로 하였다. 오라진 유전자 진단 키트로 2㎖의 타액 샘플을 채취 후 환자의 유전자 전체를 전체 염기서열분석기 (Illumina Novaseq 6000) 분석을 통하여 단편을 획득하고, 획득한 유전자 본체 단편들을 유전자 본체 라이브러리로 하고 이런 유전자 본체 라이브러리를 시퀀서에 넣어서 누클레오타이드와 함께 새로운 개체의 유전자 본체 단편을 조립하여 정상 표준 염기서열과 비교한 후 유전변이형의 종류와 빈도를 조사하였다. 조사한 클러스터에 따른 기능 분석 결과 베체트병과 관련된 143 개의 후보 유전자를 확인하였으며, 배반포 형성, 전사 보조 인자 결합, 스트레스성 RNA 중합 효소 II 프로모터 전사 조절, 단백질 소화 및 흡수, 혈관 직경 조절, 칼슘 이온 막 횡단 수송, GTPase 조절 활성, 미토콘드리아 번역 및 유전자 발현, 면역 반응 및 퓨린 대사에 관여하는 사이토 카인 생산 조절 등의 유전자가 관여하는 것으로 분석되었다. 이러한 발견은 베체트병 발병 위험에 관여하는 경로 및 병인에 대한 이해를 촉진하는 중요한 정보를 제공하고 베체트병 조기 진단의 새로운 바이오마커를 제시 할 수 있으며, 향후 개인 맞춤형 치료 연구를 위한 기초 데이터를 제공 할 수 있을 것으로 기대된다.