대한수혈학회지:제18권 제2호, 2007 다중 단일염기 시발체 확장반응을 이용한 ABO 유전자형 검사 현정원 1 장호은 2 허세란 2 송상훈 1 박경운 1,2 송정한 1,2 한규섭 1 = Abstract = 서울대학교 의과대학 검사의학교실 1, 분당서울대학교병원 진단검사의학과 2 ABO Genotyping using a Multiplex Single-base Primer Extension Reaction Jungwon Hyun 1, Ho Eun Chang 2, Se Ran Heo 2, Sang Hoon Song 1, Kyoung Un Park 1,2, Junghan Song 1,2, Kyou Sup Han 1 Department of Laboratory Medicine, Seoul National University College of Medicine 1, Seoul, Department of Laboratory Medicine, Seoul National University Bundang Hospital 2, Seongnam, Korea Background: ABO genotyping is being widely used in the case of ABO discrepancies and in forensic medicine. We have designed a method using a multiplex single-base primer extension reaction that has allowed us to detect six single nucleotide polymorphism (SNP) sites in the ABO gene and to determine ABO genotypes. Methods: Genomic DNA was isolated from the peripheral blood of 75 unrelated Korean subjects. Exon 6 containing nucleotides 261 and 297 and exon 7 containing nucleotides 703, 802, 803 and 1059 were amplified using two pairs of primers. Using the products as templates, a multiplex single-base primer extension reaction was performed with six typing primers of different lengths for the six SNP sites. These reactions were performed on a PTC-200 thermal cycler (MJ Research, Waltham, MA, USA) using the SNaPshot multiplex kit (Applied Biosystems, Foster City, CA, USA), and the products were analyzed using an ABI 3130xl Genetic Analyzer (Applied Biosystems). Results: The ABO genotypes determined by this method (75/75) all matched the genotypes that were determined by the use of the polymerase chain reaction using sequence-specific priming (PCR-SSP). We analyzed the peak pattern detected at each of the six SNP sites for each sample. For the smaller-sized primers, peaks were shifted to the right-side compared with the expected site and for the larger-sized primers peaks was close to the expected site. In addition, the coefficients of variation (CVs) of the smaller-sized primers were higher than the CVs of the larger-sized primers. Conclusions: We are able to detect six SNP sites in the ABO gene and to determine ABO genotypes using a multiplex single-base primer extension reaction. (Korean J Blood Transfus 2007;18:79-88) Key words: ABO genotyping, Multiplex single-base primer extension reaction, Single nucleotide polymorphisms (SNPs) 접수일:2007년 8월 8일, 승인일:2007년 8월 16일 책임저자:박경운 463-707 경기도 성남시 분당구 구미동 300 분당서울대학교병원 진단검사의학과 TEL: 031) 787-7692, FAX: 031) 787-4015, E-mail: m91w95@dreamwiz.com - 79 -
대한수혈학회지:제18권 제2호 서 론 ABO 혈액형은 수혈 의학에서 가장 중요한 혈 액형으로 20세기 초에 Karl Landsteiner에 의해 처 음으로 밝혀졌다. 하지만, ABO 유전자 염기 서열 은 1990년에야 밝혀졌고, 1,2) 1995년에 분자유전학 적 구조가 알려졌다. 3) ABO 유전자의 염기서열이 밝혀진 후 ABO 유전형 분석에 다양한 검사법, 즉 중합효소연쇄반응-제한절편길이다형성(polymera se chain reaction-restriction fragment length polymorphism, PCR-RFLP), 4) 대립유전자특이중합효 소연쇄반응(allele-specific PCR, AS-PCR), 5,6) 중합 효소연쇄반응-단일가닥입체다형성(PCR-single stranded conformational polymorphism, PCR-SSCP), 7) 염기서열특이시발체를 이용한 중합효소연쇄반응 (PCR using sequence-specific priming, PCR-SSP), 8,9) 직접 염기서열 분석(direct sequencing) 10) 등이 사 용되고 있고, 최근에는 pyrosequencing 11) 을 이용 한 검사법도 소개되었다. 중합효소연쇄반응-제한절편길이다형성은 ABO 유전형 분석에 가장 먼저 이용된 방법으로 가장 널리 사용되는 방법이지만, 제한효소를 사 용하므로 이로 인한 검사 오류의 가능성이 있고, 복잡하고 시간 및 노동력이 많이 걸리는 단점이 있다. 12) 대립유전자특이중합효소연쇄반응은 비 교적 간편하고 신속하지만, 정확한 검사를 위해 서는 최적의 조건이 필요하다. 12) Pyrosequencing 은 검사 과정이 매우 간단하지만, 분석 가능한 염 기의 길이가 짧고 상품화되어 있는 장비가 고가 라는 단점이 있다. 11) 본 연구에서 소개한 다중 단 일염기 시발체 확장반응(multiplex single-base primer extension reaction)은 다른 검사법에 비교해 다음 과 같은 특징을 가진다. 첫 번째는 다중 단일염기 시발체 확장반응을 위한 중합효소연쇄반응과 다 중 단일염기 시발체 확장반응의 두 단계의 반응 으로 이루어지며, 각 반응에서 한 개의 반응 혼합 물(reaction mixture)만이 필요하다. 두 번째는 다 른 방법에 비해 신속하며, 단일염기다형성 부위 의 염기치환을 조합하여 정확한 ABO 유전형을 결정할 수 있다. 13) 본 연구에서는 다중 단일염기 시발체 확장반응 을 이용하여 ABO 유전자의 6개의 단일염기다형 성(single nucleotide polymorphism, SNP)을 찾아내 어 7개의 ABO 대립유전자를 분석할 수 있는 방 법을 고안하였다. 1. 대상 대상 및 방법 분당서울대학교병원에서 헌혈을 시행하거나 혈액형 클리닉에 방문한 비혈연관계의 한국인 중 혈청학적 검사와 염기서열특이시발체를 이용한 중합효소연쇄반응으로 유전형을 분석한 222명 8) 중 75명을 대상으로 하였다. 표현형은 A형 20명, B형 20명, O형 20명, AB형 5명, ABw형 5명, Cis-AB형 5명이었다. 유전형은 A 1 /A 1 5명, A 1 /O 1 8 명, A 1 /O 1v 6명, B/B 7명, B/O 1 6명, B/O 1v 7명, O 1 /O 1 7명, O 1 /O 1v 7명, O 1v /O 1v 6명, A 1 /B 10명, cisab/a 1 1명, cisab/o 1 4명, cisab/o 1v 1명이었다. 분당서울 대학교병원 기관윤리위원회의 승인과 사전동의 서를 받았다. 2. 핵산추출 및 혈청학적 ABO 혈액형검사 Puregene DNA isolation kit (Gentra Systems Inc., Minneapolis, USA)를 이용하여 추출하여, -70 o C 에서 보관한 핵산을 사용하였다. 혈구형 검사는 마우스 단클론항체(Serologicals CO., Norcross, USA) 를 사용하여 슬라이드법으로 시행하고, 혈청형 검사는 자가제조한 혈구를 사용하여 시험관법으 로 시행한 기록된 결과를 이용하였다. - 80 -
다중 단일염기 시발체 확장반응을 이용한 ABO 유전자형 검사 Fig. 1. Scheme of PCR and typing primer for ABO genotyping with a multiplex single-base primer extension reaction. 3. 다중 단일염기 시발체 확장반응을 위한 중 합효소연쇄반응 261번과 297번 염기를 포함하는 6번 엑손과 703번, 802번, 803번, 1059번 염기를 포함하는 7번 엑손을 각각의 시발체 쌍을 이용하여 중합효소연 쇄반응으로 증폭시켜, 각각 335 bp와 950 bp의 산 물을 얻었다(Fig. 1). 6번 엑손을 위한 시발체 (ABO_Sq6F, ABO_Sq6R)는 기존 연구 4) 에서 사용 한 것을 이용하였고, 7번 엑손을 위한 시발체 (ABO_Sq7F, ABO_Sq7R)는 새로 만든 것과 기존 연구 5) 에서 사용한 것을 이용하였으며, Table 1에 정리하였다. 중합효소연쇄반응은 PTC-200 (MJ Research Inc., Waltham, USA)을 사용하였다. 총 50μL의 반응액은 핵산추출물 250 ng, 10 buffer 5μL, 2.5 mm dntp 4μL, 6번과 7번 시발체 각 0.4μM로 구성되었다. 95 o C에서 5분간 처리한 후 에 95 o C 30초, 63 o C 30초, 72 o C 45초씩 35회 반응 시켰고, 최종연장반응은 72 o C에서 5분간 시행하 였다. ExoSAP-IT (USB corp., Cleveland, USA) 2 μl를 PCR 산물 5μL에 첨가하고 37 o C 15분, 80 o C 15분간 반응시켜 정제하였다. ND-1000 spectrophotometer (NanoDrop Tech., Rockland, USA)로 Table 1. Sequences of primers for duplex PCR of the ABO gene Primer Sequence (5' to 3') ABO _Sq6F AAG CTG AGT GGA GTT TCC AG ABO _Sq6R CTC TGG GAG GAC AAG GCT ABO _Sq7F GCA TCT GCT GCT CTA AGC CTT CCA AT ABO _Sq7R TGT GTG TGA TTT GAG GTG GGG ACG GGG 농도를 측정한 후, 증류수로 엑손 6번은 15 ng/ul, 엑손 7번은 100 ng/μl로 희석하였다. 4. 유형별 시발체(typing primer) 설계 Table 2에 다중 단일염기 시발체 확장반응을 위한 6개의 유형별 시발체를 정리하였다. 시발체 들의 3 끝이 ABO 유전자에 있는 6개의 SNP 부위 직전 뉴클레오타이드(nucleotide)와 정렬하도록 설 계하였다. ABO 유전자 서열과 상보적인 각 시발 체 서열은 20개 이내로 제한하고, 설계된 길이가 20개가 넘으면 poly-t를 더해서 조정하였고, 803 번은 역시발체(reverse primer)를 사용하였다(Fig. 1). - 81 -
대한수혈학회지:제18권 제2호 Table 2. Sequences of typing primers used for a multiplex single-base primer extension reaction Position Primer (size) Sequence (5' to 3') 261 ABO_Ty261F (17 bp) AAG GAT GTC CTC GTG GT 297 ABO_Ty297F (28 bp) TTT TTT TTC CCA TTG TCT GGG AGG GCA C 703 ABO-Ty703F (36 bp) TTT TTT TTT TTT TTT TTG TTC GGC ACC CTG CAC CCC 802 ABO_Ty802F (44 bp) TTT TTT TTT TTT TTT TTT TTT TTT GCG ATT TCT ACT ACC TGG GG 803 ABO_Ty803R (52 bp) TTT TTT TTT TTT TTT TTT TTT TTT TTT TTT TTG CAC CGA CCC CCC GAA GAA C 1059 ABO_Ty1059F (60 bp) TTT TTT TTT TTT TTT TTT TTT TTT TTT TTT TTT TTT TTT TCC ACC AGG CGG TCC GGA ACC 5. 다중 단일염기 시발체 확장 반응 다중 단일염기 시발체 확장반응을 위한 중합효 소연쇄반응 산물을 주형으로 이용하여, 6개의 단 일염기다형성 부위에 대해 길이를 다르게 설계한 6개의 유형별 시발체를 이용하여 다중 단일염기 시발체 확장반응을 시행하였다. SNaPshot Multiplex kit (Applied Biosystems, Foster, USA)를 이용 하여 PTC-200 (MJ Research Inc., Waltham, USA) 으로 시행하였다. 음성과 양성 대조 총 10μL 반응 액은 ready reaction mix 5μL, control primer mix 1μ L, control template (CEPH) 2μL로 구성되었고, 검 체 반응액 총 10μL은 ready reaction mix 5μL, 261/297/803/1059 시발체 (10 pmol/μl) 각 0.4μM, 703/802 시발체 (10 pmol/μl) 각 0.1μM, 엑손 6번 주형 100 ng, 엑손 7번 주형 250 ng으로 구성되었 다. 95 o C 10초, 50 o C 5초, 60 o C 30초씩 25회 반응 시킨 후, SAP 1 unit (1μL) 첨가하여 35 o C 35분, 65 o C 15분 반응시켜 남아있는 ddntp 제거하였다. 6. 단일염기다형성 분석 각 단일염기다형성 위치에 상보적인 형광을 붙 인 ddntp가 각 시발체 3' 끝에 오도록 조합하여 확장반응 산물을 얻어, 각 단일염기다형성 염기 Table 3. Possible seven alleles matched by polymorphisms on six nucleotide positions at the ABO locus Nucleotide position Allele 261 802 803 1059 297 703 G G G C A G A 1 G G G Δ A G A 2 G G C C G A B Δ G G C A G O 1 G A G C G G O 2 G G C C A G CisAB Δ G G C G G O 1V 에 대한 각각의 최고점을 분석하였다. 반응 산물 0.5μL에 GeneScan-120 LIZ size standard 0.15μL와 Hi-Di formamide 9.35μL를 넣어 ABI 3130xl Genetic Analyzer (Applied Biosystems, Foster, USA) 를 이용하여 분석하였다. 소프트웨어(software)는 GeneMapper v4.0 (Applied Biosystems, Foster, USA) 을 이용하였으며, ABO 유전형결정은 ABO 유전 자의 각 단일염기다형성 부위에 염기 치환으로 판독표에 의해 결정하였다(Table 3). - 82 -
다중 단일염기 시발체 확장반응을 이용한 ABO 유전자형 검사 Fig. 2. Electropherograms of 12 ABO genotypes. - 83 -
대한수혈학회지:제18권 제2호 Fig. 2. Continued. - 84 -
다중 단일염기 시발체 확장반응을 이용한 ABO 유전자형 검사 7. 통계분석 Excel 2003 (Microsoft, Troy, USA)을 이용하여 평균, 표준편차, 변이계수(coefficient of variation, CV)를 구하였다. 결 과 이전에 실시한 염기서열특이시발체를 이용한 중합효소연쇄반응 결과와는 100% (75/75) 모두 일치하였다. 그리고 표현형과 유전형의 결과는 총 75명 중 74명에서 일치하였으며, 한 예에서는 일치하지 않았다. A 2 와 O 2 유전형은 한 예도 없었 다. 각 유전형에 대한 최고점(peak)은 Table 3에 정 리한 판독표에 있는 각 대립유전자와 일치하여 정확한 유전형을 결정할 수 있었다. 동종접합형 (homozygous genotypes)의 경우는 6개의 단일 최 고점이 각 단일염기다형성 위치에서 관찰되었고, 이형접합형(heterozygous genotypes)의 경우에는 각 대립유전자간의 염기의 차이가 존재하는 단일 염기다형성 위치에서는 두 개의 최고점이 관찰되 었다. 각 ABO 유전형에 대한 결과를 Fig. 2에 정 리하였다. 총 75명의 검체에 대해 6개의 단일염기다형성 위치에 나타나는 최고점의 위치를 분석하여 Table 4에 정리하였다. 17 bp의 시발체를 이용한 261번 염기의 최고점의 위치는 G인 경우 30.79± 0.383, 변이계수 1.243, 결손이 있는 경우 32.99± 0.388, 변이계수 1.177로 시발체 크기에 따른 예상 위치보다 우측으로 많이 이동하였고 변이계수도 컸다. 크기에 따른 예상 위치는 시발체의 크기가 커질수록 예상 위치와 근접하였다. 변이계수의 경우 261번과 703번 염기의 최고점의 위치가 다 른 위치와 비교해서 컸다. 고 찰 ABO 유전자는 9번 염색체 장완(9q34)에 위치 하며, 7개의 엑손(exon)으로 이루어져 있다. 3) A 대 립유전자와 B 대립유전자의 차이는 8개 염기 (297, 526, 657, 703, 796, 803, 930, 1096)의 변화에 Table 4. Mean, standard deviation (SD) and coefficient variation (CV) of twelve peaks at six nucleotide positions Nucleotide position Nucleotide Mean SD CV Size G 30.79 0.383 1.243 261 17 Δ 32.99 0.388 1.177 G 35.05 0.210 0.600 297 28 A 36.28 0.231 0.636 G 41.68 0.499 1.198 703 36 A 42.42 0.643 1.515 A - - - 802 44 G 49.86 0.155 0.310 C 55.43 0.250 0.450 803 52 G 56.20 0.152 0.271 Δ - - - 1059 60 C 63.73 0.0848 0.133-85 -
대한수혈학회지:제18권 제2호 의하며, 4개 염기(526, 703, 796, 803)만이 아미노 산 변화를 일으킨다. 2,4) O 대립유전자는 261번 염 기 G의 결손으로 구조이동(frameshift)을 일으켜 117개의 아미노산으로 이루어진 전이효소를 생 성하여 A 항원이나 B 항원이 표현되지 않으며, 2) O 2 대립유전자는 261번 염기의 결손 없이 297번, 526번, 802번, 1096 염기의 치환이 있고, 4,5,16,17) O 1v 대립유전자는 261번 염기 결손 및 9개의 염기치 환이 있다. 2,18) A 2 대립유전자는 467번 염기의 치 환 및 1059 염기 결손이 있다. 19) 본 연구에서는 총 75명의 검체에 대해 검사를 시행하였고, 이전에 실시한 염기서열특이시발체 를 이용한 중합효소연쇄반응 결과와는 100% (75/ 75) 모두 일치하였다. 그리고 표현형과 유전형의 결과는 총 75명 중 74명에서 일치하였으며, 한 예 에서는 일치하지 않았다. 이 한 예의 표현형은 A 형이었으나 유전형은 CisAB/A1이었다. Cis-AB형 의 경우 대개 A나 B 항원 중 하나 이상이 약하게 발현되어 이 경우 표현형과 유전형이 일치하지 않은 것은 당연한 결과이며, 본 연구에서의 기술 적 원인에 의한 것이 아니다. 6개의 단일염기다형성 부위의 염기치환을 관 찰하여 흔한 대립유전자인 A 1, B, O 1, O 1v 뿐 아니 라 A 2, O 2, CisAB를 포함하는 7개의 대립유전자를 결정할 수 있었다(Table 3). 이형접합형의 경우 각 대립유전자간의 염기의 차이가 존재하는 단일염 기다형성 위치에서는 두 개의 최고점이 관찰되었 다. 이는 두 개의 각 대립유전자에 해당되는 최고 점의 이동성이 약간 차이가 나 각 최고점이 구별 되어 나타나는 것으로 생각되며, 이동성의 차이 는 유형별 시발체마다 3' 끝에 결합하는 형광이 부착된 염기의 차이에 의한 것으로 생각된다. 다중 단일염기 시발체 확장반응에서 각 단일염 기다형성 위치를 의미하는 최고점이 구별될 수 있도록 유형별 시발체의 길이를 다르게 설계하는 것이 가장 중요한데, 12) 본 연구에서는 6개의 단일 염기다형성에 대해 ABO 유전자 서열과 상보적인 서열은 20개 이내로 제한하고, poly-t를 더해 길 이를 다르게 설계하여(Table 2) 각 위치에 해당하 는 최고점의 위치를 분석할 수 있었다. Table 4에 서 알 수 있듯이 작은 크기의 유형별 시발체일수 록 최고점의 위치가 시발체 크기에 따른 예상 위 치보다 우측으로 이동하였고, 시발체의 크기가 커질수록 예상 위치와 근접하였다. 변이계수의 경우는 각각 6번과 7번 엑손의 첫 단일염기다형 부위인 261번과 703번 염기의 최고점의 위치가 다른 위치와 비교해서 컸다. 이는 인위적으로 poly-t를 더해 길이를 다르게 설계한 유형별 시발 체를 이용하는 다중 단일염기 시발체 확장반응의 원리 때문인 것으로 생각된다. 본 연구에서는 다중 단일염기 시발체 확장반응 을 이용하여 6개의 단일염기다형성 부위를 검출 하여 ABO 대립유전자의 분석을 시행하는 방법을 통해 간편하고 신속하게 ABO 대립유전자의 정확 한 판독을 시행할 수 있었다. 요 약 배경: ABO 혈액형은 수혈의학에서 가장 중요 한 혈액형으로 ABO 불일치가 있는 경우의 해결 및 법의학 등의 분야에서 ABO 유전형분석이 널 리 이용되고 있다. 본 연구에서는 다중 단일염기 시발체 확장반응(multiplex single-base primer extension reaction)을 이용하여 ABO 유전자의 6개의 단일염기다형성(single nucleotide polymorphism, SNP)을 찾아내고 7개의 ABO 대립유전자를 분석 할 수 있는 방법을 고안하였다. 방법: 비혈연관계의 75명의 한국인의 말초혈액 에서 핵산을 추출하였다. 261번과 297번 염기를 포함하는 6번 엑손과 703번, 802번, 803번, 1059번 - 86 -
다중 단일염기 시발체 확장반응을 이용한 ABO 유전자형 검사 염기를 포함하는 7번 엑손을 두 쌍의 시발체를 이용하여 중합효소연쇄반응으로 증폭시켰다. 그 산물을 주형으로 하여 6개의 단일염기다형성 부 위에 대해 길이를 다르게 설계한 6개의 유형별시 발체(typing primer)를 이용하여 다중 단일염기 시 발체 확장반응을 시행하였다. SNaPshot Multiplex kit (Applied Biosystems, Foster, CA, USA)를 이용 하여 PTC-200 (MJ Research Inc., Waltham, MA, USA) 및 ABI 3130xl Genetic Analyzer (Applied Biosystems, Foster, CA, USA)에서 반응시키고 분 석하였다. 결과: 이전에 실시한 염기서열특이시발체를 이 용한 중합효소연쇄반응 결과와는 100% (75/75) 일치하였다. 그리고 표현형과 유전형의 결과는 총 75명 중 74명에서 일치하였으며, 한 예에서는 일치하지 않았다. A 2 와 O 2 유전형은 한 예도 없었 다. 각 검체에 대해 6개의 단일염기다형성 위치 에 나타나는 최고점(peak)의 위치를 분석하였다. 각 최고점은 시발체의 크기에 따라 다른 위치에 나타났으며, 작은 크기의 시발체의 경우 예상한 위치보다 더 우측으로 이동되었고, 큰 크기의 시 발체의 경우 예상한 위치와 근접하였다. 또한 작 은 크기의 시발체의 경우 변이계수(coefficient of variation, CV)가 큰 경향을 보였다. 결론: 다중 단일염기 시발체 확장반응을 이용 하여 6개의 단일염기다형성 부위를 검출하여 ABO 대립유전자의 분석을 시행하는 방법을 통해 간편하고 신속하게 ABO 대립유전자의 정확한 판 독을 시행할 수 있다. 참고문헌 1.Yamamoto F, Marken J, Tsuji T, White T, Clausen H, Hakomori S. Cloning and characterization of DNA complementary to human UDP-GalNAc: Fuc alpha 1 2Gal alpha 1 3GalNAc transferase (histo-blood group A transferase) mrna. J Biol Chem 1990;265: 1146-51 2. Yamamoto F, Clausen H, White T, Marken J, Hakomori S. Molecular genetic basis of the histo-blood group ABO system. Nature 1990; 345:229-33 3. Yamamoto F, McNeill PD, Hakomori S. Genomic organization of human histo-blood group ABO genes. Glycobiology 1995;5:51-8 4. Mifsud NA, Haddad AP, Condon JA, Sparrow RL. ABO genotyping by polymerase chain reaction-restriction fragment length polymorphism. Immunohematol 1996;12:143-8 5. Gassner C, Schmarda A, Nussbaumer W, Schönitzer D. ABO glycosyltransferase genotyping by polymerase chain reaction using sequence-specific primers. Blood 1996;88:1852-6 6. Cho D, Jeon MJ, Oh BJ, Song JW, Shin MG, Shin JH, et al. A simplified ABO genotyping by allele-specific polymerase chain reaction. Korean J Lab Med 2005;25:123-8 7. Ogasawara K, Bannai M, Saitou N, Yabe R, Nakata K, Takenaka M, et al. Extensive polymorphism of ABO blood group gene: three major lineages of the alleles for the common ABO phenotypes. Hum Genet 1996; 97:777-83 8. Song SH, Chang HE, Ryu KC, Lee HJ, Park KU, Song J, et al. Analysis for eight ABO alleles in Korean population. Korean J Lab Med 2006;26:374-9 9. Seltsam A, Hallensleben M, Kollmann A, Burkhart J, Blasczyk R. Systematic analysis of the ABO gene diversity within exons 6 and 7 by PCR screening reveals new ABO alleles. Transfusion 2003;43:428-39 10. Nata M, Kanetake J, Adachi N, Hashiyada M, - 87 -
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