세포유전학 (Cytogenetics)

- 염색체 이상(Chromosome Aberration)을 중심으로 -

 

 

1. 염색체 분석의 역사와 의의

인체의 염색체수가 46개라는 것이 명확하게 밝혀진 것은 1956년 Tjio와 Levan의 연구결과이다. 1960년에는 말초혈액 염색체분석법이 확립되었고, 1970년초 분염법(banding technique)이 등장해서 모든 염색체를 정확하게 동정할 수 있게 되었다.

2. 염색체 검사의 적응증

1) 이미 알려진 또는 의심되는 염색체 이상

염색체 이상이 이미 알려져 있거나 또는 의심되는 환자에 대해 핵형 분석으로 진단하거나 확진해 줄 필요가 있다. 경험이 풍부한 의사들도 신생아에서 Down 증후군을 놓치는 경우도 있는데 이러한 주요질환은 가능한 가장 정확한 진단방법을 사용할만한 가치가 있다.

2) 특히 성장 또는 정신지체와 연관된 다발성 선천적 이상

주요한 염색체 이상에서 특징적인 표현형은 성장지체, 정신지체, 그리고 신체적 이상이 조합을 이루는 것인데, 이러한 조합이 관찰될 경우 반드시 염색체 이상의 가능성을 생각하고 핵형 분석이 이뤄져야 한다. 미묘한 이상에 대해서는 미세결손 증후군을 진단하기 위해 가능하다면 전중기(prometaphase) 세포의 핵형분석 또는 FISH 검사법을 시행한다.

3) 성 분화(sexual differentiation)의 장애

성분화 장애의 정확한 진단 및 처치를 위해 염색체의 성별을 명확히 하는 것이 필요하다. 성염색체 및 상염색체의 비배수성에 대한 신속하고 정확한 진단법을 위해 유사분열 단계의 세포 또는 간기의 세포를 이용한 FISH 분석법이 이용될 수 있다.

4) 진단받지 않은 정신지체

진단받지 않은 정신지체 환자뿐만 아니라 X-연관 정신지체에 대해서, 빈도상으로 볼 때 fragile X 증후군에 관한 검사가 필요하다. 염색체 분석법은 분자적 진단뿐만 아니라 평가에 있어서도 중요한 부분을 차지한다.

5) 염색체 불안정과 연관된 혈액학적 악성종양 및 질환

어떤 혈액학적 악성종양에서 특정한 염색체 이상을 빈번히 관찰하게됨으로써, 염색체 분석이 질환의 진단 및 예후 평가에 가치가 있게 되었다. 더욱이 염색체 불안정과 관련된 어떤 유전자 질환은 백혈병 및 기타 악성종양을 가질 위험성이 높다.

6) 빈번한 유산

두 번 이상의 자연유산을 갖는 부부의 약 5%정도에서 한쪽의 부모 또는 다른 한쪽의 부모가 균형전좌를 가지고 있다. 비록 입증되진 않았지만, 그러한 불균형 상태가 자연유산을 설명해줄 수 있으리라는 가정을 할 수 있다. 그러한 부부를 찾아내는 것이, 산전진단으로서 앞으로의 임신에 대한 모니터 역할을 할 수 있는 적응증이 될 것이다.

7) 기타

염색체 연구가 명확한 멘델법칙을 따르는 질환의 경우에 반드시 적용되는 것은 아닌데, 그것은 검출될만한 염색체 이상을 일반적으로 가지고 있지 않기 때문이다. 그러나, 드문 경우에 단일 유전자 내에서 절단이 일어나는 염색체의 전좌가 일어난다면 우성으로 유전되는 질환을 초래할 수 있을 것이며, 또한 우성의 멘델 법칙을 따르는 단일 유전자와 정확히 동일한 방식으로, 한 가족 내에서 작은 염색체 결손이 나타날 수 있다는 점을 명심해야 할 것이다. 염색체의 구조적 이상에 대한 향상된 해상도(resolution)를 갖는 새로운 검사법의 발달과 함께, 과거에는 염색체 변화와 연관된 것으로 생각되지 않았던 질환들이 이제는 정말로 그러한 염색체 변화가 있다는 사실이 알려지게 되었다.

3. 염색체 검사의 개요

염색체를 현미경하에서 관찰하기 위해서는 세포주기의 분열기, 통상적으로 유사분열 중기세포에 한정된다. 따라서 이 시기의 분열세포를 얻기 위한 조작이 필요하다. 배양방법은 검체 및 분석목적에 따라 차이가 있다. 검체로서는 통상 말초혈액을 많이 이용하지만 혈액종양에서는 골수세포와 림프조직, 태아의 이상 유무는 양수세포와 융모가 이용된다.

세포배양을 시작한 후 표본제작까지의 순서는 크게 5단계로 나누어지는데 다음과 같다.

    ① 세포배양 조작단계 (골수나 다른 악성종양 세포 등에서는 생략할 수 있음)

    ② 세포주기를 유사분열 중기에서 정지시키기 위한 colcemid 처리 단계

    ③ 얻어진 세포를 저장염류용액으로 팽창시키는 저장처리 단계

    ④ 팽창된 세포를 고정하는 고정처리 단계

    ⑤ 표본제작(전개법) 단계

제작된 표본은 분염을 위해 전처리하거나 그대로 염색해서 광학현미경 또는 필요에 따라 형광현미경으로 관찰하고 염색체를 분류동정하게 된다.

4. 염색체 검사 장비 및 재료

  • 기기: 무균조작실(clean bench), 배양기(CO2 incubator), 수조, 여과멸균장치, 고압건열멸균기, 원심분리기, 현미경, 사진촬영 및 현상시설
  • 기구: 플라스틱 튜브(5ml, 10ml), 플라스크(50ml), 피펫(1ml, 5ml, 10ml)
  • 시약: RPMI 1640, FBS, PHA, 항생체, 항응고체, colcemid, KCl, 고정액 등

5. 염색체 검사의 실제

1) 말초혈액 림프구

각종 유전성질환에서 염색체 이상을 검출하기 위한 검체이다. 말초혈액중 T림프구가 PHA자극을 받아 DNA 합성을 시작하고, 세포의 분열증식이 나타나는 원리를 이용한 것이다. 분열상은 배양시작 40시간 후부터 일어나며 점차 증가해서 70시간 후에는 빈도가 가장 높다.

① 세포배양: PHA가 첨가된 배지(5ml)에 말초혈액(0.2ml)을 첨가해서 36∼37℃ 항온기에서 3일간 배양하게 된다. 이 단계에서 말초혈액 림프구는 PHA에 의해 아구화 과정(blastogenesis)을 겪게 되고, 분열증식하여 염색체를 얻을 수 있는 단계를 마련해 준다.

② 수획단계(harvest)

  • Colcemid 처리: 유사분열중기 세포를 모으게 되는데 시약을 첨가하고, 일정시간 항온기에 보관한다.
  • 저장처리: 세포팽창을 위해 저장성 KCI(0.075mol/L)에 약 10분간 세포를 노출시킨다.
  • 고정처리: methanol과 actic acid의 비율이 3:1이 되게 만든 세포고정액을 사용하고, 적혈구 제거를 위해 3∼6차례 세포를 세척한다.
  • 슬라이드 표본제작: 깨끗한 슬라이드를 준비해서 세포부유액을 2∼3방울 떨어뜨린다.

③ 염색단계: 대부분 trypsin 효소처리 후 Giemsa 용액으로 염색한다.

④ 현미경관찰 및 사진촬영: 적어도 20개 이상의 분열세포를 관찰분석하고, 대표적인 분열세포나 염색체 이상을 나타내는 2∼3개를 사진촬영한다.

⑤ 핵형분석 및 결과보고 : 결과보고는 검체접수 후 말초혈액인 경우 5일, 골수는 3일, 양수나 기타 조직은 2∼3주이다.

2) 양수세포

양수중에 떠 있는 태아유래 세포를 배양하는 것으로 출생전 진단에 이용한다. 천자에 의해 얻어진 양수는 원심후 침사를 배양액에 재부유시키거나 배양액과 그대로 섞어 배양하게 된다. 융모조직(chorionic villi)은 임신초기에 얻을 수 있고, 배양성공율도 높아 최근에는 더 보편화된 검체이다.

6. 분염법(Banding technique)

 

1) G-염색법(Giemsa banding): 가장 널리 이용되고 있다.

2) Q-염색법(Quinacrine mlustard banding): G-band 양상과 서로 일치해서, A-T 염기가 많은 부위에서 강한 형광을 보인다. 가장 밝게 형광을 발하는 Y 염색체 검출에 유용하고 술식도 비교적 간편하다. 그러나 형광현미경이 구비된 검사실에서만 가능하다.

3) R-염색법(Reverse banding): G-band와 역의 염색대가 관찰되며, 이는 G-C 염기 부위에 해당한다.

4) C-염색법(Constitutive heterochromatin banding): 1번, 9번, 16번과 Y 염색체내 이염색질(constitutive heterochormatin)을 검출하는데 유용하다.

5) Ag-Nor 염색법: 핵인 형성부위(nucleolus organizier regions), 즉 동원체가 착색된다.

6) 이중염색법(Double banding technique): DNA와 결합하는 색소 결합부위의 특이성과 형광성의 차이를 이용해서 선명한 분염상을 얻고자 할 때 시행하는 특수염색법이다.

8. 염색체 구조와 명명법

분열세포당 염색체수는 46개(23쌍)이고, 22쌍의 상염색체와 1쌍의 성염색체로 구성된다. 염색체 배열은 염색체의 크기, 동원체의 위치, 염색대 양상을 고려한다. 동원체의 위아래로 단완부와 장완부가 위치하는데 각각 p, q로 표시되며, 이 부위에 나타나는 염색대는 ISCN(international System for Human Cytogenetic Nomenclature, 2005)의 표기방식에 따라 번호가 부여되고, 핵형을 기재하게 된다.
















 

 

 

9. 염색체 이상의 표기 원칙 및 방법

염색체 총수를 먼저 나타낸 다음 성염색체를 기재하게 되는데 염색체 과부족이 있을 경우는 '+'또는'-'를 쓰고 해당 상염색체의 번호나 성염색체를 기재하면 된다. 구조적인 이상은 전좌(translocation), 등완염색체(isochromosome), 결실(deletion), 역위(inversion), 환염색체(ring chromosome) 등이 있다.

    1) 동일한 구조적 이상이나 과염색체(extrachromosome)가 2개 이상, 동일한 소실 염색체(missing chromosome)를 가진 분열세포가 3개 이상 발견될 때 결과로 보고된다. 정상 염색체는 한개라도 있으면 정상세포군이 남아 있는 것으로 판독한다.

    2) 염색체의 동정이 불가능하고, 수적 이상이나 구조적 결함으로 인한 표지염색체(marker chromosome)가 존재할 때 이러한 염색체 이상은 보통 악성세포군이 나타남을 의미한다.

    3) 염색체 이상이 일정하지 않은 소수가 발견되는 경우 결과로 보고하지 않는 것이 보통이다. 만약 이들의 빈도가 높다면 염색체 불안정성으로 보고한다. 재검에 의해서 흔히 비정상 세포군이 나타나는데 이러한 염색체 불안정은 가까운 장래에 악성질환이 발생할 것이라는 사실을 의미할 수 있다.

핵형 표기방법

염색체 구조적 이상을 자세하게 표기하는 방식으로 몇가지 부호를 사용한다.

    (:) 절단점(chromosome break)

    (::) 절단과 재결합(break and reunion)

    (→) "부터-까지"(from-to)를 의미

    ter 염색체 말단부(terminal). pter, qter 염색체 단완와 장완의 끝 부분

    cen 동원체(centromere)를 밝힐 필요가 있을 때 사용

    * 기재순서는 단완의 말반부에서 시작하여 장완의 말단부 쪽이다.

     

1. 등완염색체(isochromosome)

    46,X,i(Xq) 46,X,i(X)(qter→cen→qter)

2. 말단부 결실(terminal deletion)

    46,XX,del(1)(q21) 46,XX,del(1)(pter→q21:)

    중간부 결실(interstitial deletion)

    46,XX,del(1)(q21q31) 46,XX,(1)(pter→q21::q31→qter)

3. 역위(inversion) : 동일 염색체내 두 부위가 절단되어 위치가 바뀌어진 현상으로 역위된 영역에 동원체를 포함하지 않는 경우를 평동원체 역위(paracentric inversion), 동원체를 포함하는 경우를 협동원체 역위(pricentric inversion)이라 한다. 전자일 경우 중심체 가까운 절단점을 먼저 기재하고, 후자는 단완부와 장완부내 절단점을 순서대로 기재한다.

    (예) inv(2)(p21q31) ; 2p21과 2q31에 절단점을 가지는 2번 염색체의 pericentric inversion

    inv(2)(p13p23) ; 2p13와 2p23에 절단점을 가진 paracentric inversion

4. 환염색체(ring chromosomes)

5. 상호전좌(reciprocal translocation) (예) t(2;5)(q21;q31)

    Robertsonian translocation 45,XY,der(13;21)(q10;q10)

    Complex translocation

6. 삽입(insertion) : 염색체내 삽입이 있을 때 삽입 부위를 먼저 기재하고, 삽입되는 절편은 뒤에 규정한다. 이때 삽입되는 염색체 절편은 재배열이 일어나기전 절단점 위치지만 기재할 때는 중심체에 가까운 것을 먼저 표시한다.

(예) ins(2)(q13p23p13) ; 2p13-23이 전위되어 2q13으로 삽입.

 

흔히 관찰되는 염색체질환

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1. 상염색체질환

1) Down syndrome (trisomy 21): 47,XX(XY),+21

2) Edwards syndrome(trisomy 18): 47,XX(XY),+18

3) Patau syndrome(trisomy 13): 47,XX(XY),+13

4) "Le cri du chat"(cat-cry) syndrome(5p-syndrome):46,XX(XY),5p-

 

5) 기타

2. 성염색체 질환

1) Klinefelter syndrome: 47,XXY

2) Turner syndrome: 45,X

3) Triple X female: 47,XXX

4) Double Y male: 47,XYY

5) 기타: 위와 같은 전형적인 핵형 외에도 여러 가지 변형이 있다.

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세포유전학 용어 (terminology)

     

    Allele 대립형질, 대립인자, 대립유전자

    Amplification 증폭

    Banding technique 분염법(分染法), 염색법

      High-resolution banding technique 고정도(高精度) 분염법

    Breakpoint 절단점(切斷点)

    Carcinogenesis 암화

    Cell line 세포주

    Centromere 중심절(中心節), 동원체(動員體)

    Chromatid 염색분체

    Chromatin 염색질

    Chromosome 염색체

      acrocentric (submetacentric, metacentric, telocentric) ∼ 차단부 (차중부, 중부, 단부)

      동원체성 염색체, Extrachromosome 과염색체, Missing chromosome 소실염색체

    Chromosome abnormality 염색체 이상

      aberration (염색체) 이상, defect 결함, rearrangement 재배열

      gain 획득, loss 소실, deletion 결실, duplication 염색체 중복

      ring chromosome 환염색체 : 염색체 양말단이 소실되어 결합한 형태

      derivative 파생(派生), 유도(誘導)염색체

      autosomal ∼ 상염색체, sex 성염색체

    Chromosome breakage syndrome 염색체 절단증후군

    Chromosome instability syndrome 염색체 불안정증후군

    Chromosome landmark 염색체 경계점

    Congenital malformation 선천성 기형

    Cytogenetics 세포유전학(細胞遺傳學)

    Deletion 결실(缺失)

      partial ∼ 부분결실, terminal ∼ 말단(단부)결실, interstitial ∼ 중간(완내)결실

    Differentiation 분화 prolferation 분열증식, maturation 성숙

    Diploidy 이배수성(二倍數性), 이배체성

      Hypodiploidy 저이배수성

      Hyperdiploidy 고이배수성

      Polyploidy 다배수성

    Drosophila 초파리

    Euploidy 정배성(正培性), aneuploidy 비정배성

    Fixation 고정, Fixative 고정액

    Fluorescent in situ hybridization (FISH) 형광동소보합법

    Fragile site 취약(脆弱)부위

    Fragile X syndrome 취약염색체 증후군

    Gamete 생식세포 Zygote 접합체

    Gene 유전자(遺傳子)

    Genetic counselling 유전상담

    Genotype 유전형, phenotype 표현형

    Haploid 반수성

    Heterochromatin 이염색질(異染色質)

    Hypotonic solution 저장액

    Inversion 역위(逆位)

      paracentric ∼ 평동원체(완내) 역위, pericentric ∼ 협동원체(완간) 역위

    Isochromosome 등완(等腕) 염색체

    Karyotype 핵형(核型)

    Karyotyping 핵형분석

    Long arm 장완(長腕)

    Meiosis 감수분열

    Mitosis 유사분열

    Metaphase 중기(中期), prophase 전기, anaphase 후기, telophase 말기, interphase 간기

    Monosomy 단염색체성, 단일염색체

    Mosaicism 모자이크 현상

    Multifactorial inheritance 다인자유전

    Mutation 돌연변이

    Non-disjunction (염색체의) 비분리

    Nucleolar organizing region(NOR) 인형성부위

    Oncogene 암유전자, protooncogene 원형암유전자

    Polymerase chain reaction (PCR) 중합효소연쇄반응

      reverse-transcriptase (역전사효소) PCR = RT-PCR

    Polymorphism   다형현상

    Rearrangement 재배열(再配列), 재구성

    Recessive  열성, dominant 우성

    Recombination 재조합(再組合), 재결합

    Remission  관해

    Replication 복제

    Restriction enzyme 제한효소

    Satellite      부수체

    Short arm 단완부

    Sister chromatid exchange 자매염색분체교환

    Somatic cell 체세포 : 분화된 성인 조직세포

    Spindle fiber 방추사

    Stem cell     줄기세포, 모세포, 간세포

    Subband     아염색대

    Subclone    아세포군(아세포군)

    Transformation 변형

    Transcription  전사(轉寫)

    Translation     해석

    Translocation 전좌(轉座), 전위(轉位)

      Reciprocal ∼ 상호전좌 Robertsonian ∼ 로버트손 전좌

      balanced(unbalanced) ∼ 균형(불균형) 전좌

    Trisomy 삼염색체성