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분자진단은 DNA나 RNA를 대상으로 분자생물학적, 분자유전학적 검사기술로 시행하는 검사를 말하며, DNA진단, 분자유전검사, 유전자검사 등으로도 불리고 있다.
분자진단의 적용분야는 크게 단일 및 복합 유전질환, 종양, 감염질환, 개인의 다양성 검사로 나눌 수 있다. 단일 유전자질환(single gene disorder)은 하나의 원인 유전자의 이상에 의해 발생하는 질병을 말하며, 복합 유전질환은 여러 유전자의 이상과 때로 환경적 영향까지 추가되어 발생하는 질병이다. 종양은 백혈병 등의 혈액종양과 유전성 종양을 포함한 고형종양을 말하며, 개인의 다양성 검사는 직접적으로 질병을 유발하지는 않으나 개인 간의 유전적 차이가 진단 및 치료와 관련되는 분야로서 약물유전학, 개인식별검사, 혈액형의 분자진단검사 등을 말한다.  특히 그동안 확실한 진단법이 없던 질병의 확진과 감별진단, 새로운 분류가 분자진단검사로 가능해 졌다.  질병이 발생하기 전에 질병의 위험도를 진단할 수 있으나, 윤리적 검토가 필요하다.  치료법의 결정, 치료의 경과 관찰, 치료의 내성인자의 진단에 사용한다. 진단 자체보다 치료와 관련된 검사가 늘어나고 있는 추세이다.  유전형-임상형의 관련성, 예후의 평가 등에 사용한다.  유전질환의 새로운 치료법이나 감염질환의 백신 등과 같이 개발 중인 치료법에 대한 진단 자료를 미리 확보할 수 있다.   중합효소연쇄반응은 1985년 Kary B Mullis에 의하여 개발되었으며 이론적으로 백만 개의 세포 중 1개의 세포를 검출할 수 있는 획기적인 방법이다. 이 반응은 열에 의한 DNA 사슬의 분리(열변성, denaturation), 시발체의 결합(annealing) 및 DNA 합성(중합반응, polymerization)의 3가지 주요 단계를 통해 두 가닥의 DNA를 만들게 된다. 합성된 DNA는 다시 열 변성과정을 통해 단일가닥으로 분리되고 시발체와 DNA 중합효소의 작용에 의하여 두 가닥의 DNA가 재합성된다. 이 짧은 PCR 산물이 PCR 주기에 비례하며 기하급수적으로 증가하여 최종 PCR 산물이 합성된다. 따라서 소량의 DNA로부터 염기순서가 동일한 많은 양의 DNA를 증폭할 수 있게 되어, 각종 유전질환의 진단, 감염성 질환의 검출, 종양유전자의 발현 여부 등을 용이하게 검출할 수 있다. PCR은 현재 DNA를 조작하여 실험하는 거의 모든 과정에 사용되고 있다. 시발체의 염기순서를 응용하여 제한효소처리, PCR 산물의 대량 복제(cloning), 유전 공학(genetic engineering) 등 다양한 분야에 응용된다. 진단분야에서는 감염질환, 법의학, 유전질환, 혈액질환 등에 많이 활용되고 있다.  RT-PCR은 RNA를 대상으로 역전사효소(reverse transcriptase, RTase)를 사용하여 역전사 반응을 시행하여 complementrary DNA (이하 cDNA)를 합성하고, 합성된 cDNA를 대상으로 RCR 반응을 시행하는 것이다. 따라서 RT-PCR법은 RNA 추출, 역전사 효소반응, PCR 반응 등의 3단계로 나누어진다. 역전사 중합효소연쇄반응은 주로 특정 유전자의 mRNA 발현 여부를 확인하거나 발현 정도를 정량적으로 분석하기 위해 사용된다. 또한 유전자 발현억제를 통한 유전자의 기능 연구 및 HCV, 호흡기 바이러스 감염 등 RNA 바이러스에 의한 인체 내 감염 검출에도 활용되고 있다.  이 방법은 DNA를 증폭시키면서 증폭산물을 동시에 검출할 수 있는 방법이다. 이를 위해서는 PCR 반응 과정에서 두 가지 종류의 형광물질을 사용한다. 첫 번째 PCR 반응물질에 SYBR Green I을 첨가한다. SYBR Green I은 dsDNA와 결합하는 형광물질로서 PCR 과정의 중합반응시에 형성되는 dsDNA와 결합하게 된다. 두 번째로 시발체 혹은 탐색자(probe)에 형광물질을 부착하여 주형 DNA가 증폭됨에 따라 시발체나 탐색자가 결합되면서 발생하는 형광빛을 검출하는 방법이다. 주로 탐색자에 형광물질을 많이 부착시키며 이 방법을 사용하면 대상물질의 정량적 분석뿐 아니라 융해곡선(melting curve) 분석을 이용한 돌연변이 검출도 가능해진다.  Nested PCR은 PCR의 민감도와 특이도를 향상시키기 위하여 개발되었다. 이는 2쌍의 시발체를 사용하는데 먼저 DNA를 대상으로 첫 번째 PCR 반응을 시행한다. 이 증폭산물을 대상으로 2차 PCR 반응을 시행하여 원하는 크기의 증폭산물을 합성한다. 따라서 두 번째 시발체는 처음 PCR 반응을 시행하였던 시발체보다 더 작은 크기의 DNA를 합성하게 된다. 이 반응은 첫 번째 반응산물에 의한 위양성의 가능성이 높아진다는 단점을 지니고 있다.  다중 중합효소연쇄반응은 한 번의 중합효소연쇄반응으로 2개 이상의 원하는 산물을 증폭하는 방법이다. 따라서 증폭하려는 대상의 수에 따른 시발체를 추가로 주입하여 PCR 반응을 시행한다. 하지만 시발체 자체의 결합, 시발체와 DNA와의 결합 등에 의한 비특이 반응이 잘 일어날 수 있으므로 시발체 선정에 주의를 기울여야 한다.  마이크로어레이 기술은 핵산부합원리를 기본으로 하고 있으며, 다량의 부합반응을 한 번에 시행할 수 있는 기술이 현실화된 것으로, 수천 내지 수 만개의 유전자를 한꺼번에 분석할 수 있다. 특히 어레이 기술 중에서 1~2 cm2 면적의 유리 또는 실리콘 표면 위에 수천 내지 수만 개의 합성 DNA 조각을 미세 집적시킨 것(photolithographic synthesis)을 올리고뉴클레오티드 마이크로어레이(oligonucleotide microarray) 또는 DNA 칩(DNA chip)이라고 한다. 분석하고자 하는 DNA 조각을 형광으로 표지한 후, DNA 칩에 반응시키면 염기순서의 상보성 정도에 따라 부합이 이루어지고 이를 컴퓨터로 분석하게 된다. DNA 칩은 DNA 염기순서 변이를 검출할 수 있기 때문에, 산전유전검사, 유전질환 및 암 관련 유전자의 돌연변이 검색, 병원균의 검출, 약제내성 DNA 염기순서검사, 개체 식별 등에 이용할 수 있고, 유전자 발현을 포괄적으로 확인할 수 있기 때문에 유전자 발현 패턴을 이용한 종양의 기능적 분류, 암 또는 다양한 질병의 원인 유전자 발현 및 기능 분석, 예후 판정, 유전자 치료 등 여러 분야에서 이용이 급속히 증가하고 있다.  DNA 염기순서검사 기법은 유전체의 염기순서를 확인하는 방법으로 생명과학분야에서 임상진단분야에 이르기까지 광범위하게 이용되고 있다. 염기순서검사방법에는 1975년 F. Sanger 등이 개발한 효소 반응에 의한 방법인 dideoxy chain-termination와 A. Maxam과 W. Gilbert의 화학반응을 이용한 방법이 있다. 현재는 Sanger의 염기순서검사 원리를 바탕으로 형광표지자와 모세관 전기영동 (capillary electrophoresis)기반의 자동화된 염기순서검사가 일반화되어 있다. 김영순 / 노재광 / 윤영호
Gene, 유전자: 유전의 기본 단위에 해당하며, 염색체에 일렬로 배열된 DNA의 일부로 구성된다. 유전자는 특정 단백질 또는 단백질의 일부에 해당하는 유전 부호를 갖고 있어 유전자발현을 통해 개별적 특성 또는 기능을 나타낸다.
Genome, 유전체: 개인 또는 종의 염색체에 있는 모든 유전정보를 포함하는 DNA 염기순서. 넓게는 핵에 존재하는 유전체(nuclear genome)와 미토콘드리아에 있는 유전체(mitochondrial genome)를 모두 포함하지만, 좁게는 핵의 유전체로 한정하기도 한다. 인간의 유전체는 25개의 DNA 분자(1개의 미토콘드리아 DNA 분자 + 24개의 염색체 DNA 분자)로 구성된다. Locus, 유전자자리: 특정 유전자 또는 DNA 염기순서가 염색체에서 차지하는 물리적 위치를 말한다. 예를 들면, Pendred 증후군의 원인유전자인 SLC26A4의 유전자자리는 7q31이다. Allele, 대립유전자: 염색체의 특정 위치에 있는 유전자 또는 DNA 염기순서가 가질 수 있는 여러 형태 중 하나. 상염색체의 경우 인간은 한 쌍의 상동염색체를 가지므로, 유전자자리마다 각각 두 개의 대립유전자가 존재한다. Genotype, 유전형: 특정 유전자자리에서 한 개인이 가지고 있는 대립유전자 조합 또는 전체적인 유전적 구성. 예를 들면, ABO 유전자의 세 대립유전자 A, B, O에 대해 A/A, A/B, A/O, B/B, B/O, O/O의 6가지 유전형이 가능하다. Phenotype, 표현형: 관찰 가능한 유전자 발현의 신체적 또는 생화학적 특징, 특정 유전형을 가진 사람의 임상상을 말한다. Homozygote, 동형접합체: 특정 유전자자리에서 2개(모두 정상 또는 모두 비정상)의 동일한 대립유전자를 가지고 있는 개체. 예: c.[76A>C] + [76A>C] Heterozygote, 이형접합체: 특정 유전자자리에서 서로 다른 2개의 대립유전자를 가지고 있는 개체. 일반적으로 한 개의 대립유전자는 정상이고, 다른 대립유전자는 비정상이다. 예: c.[76A>C] + [76A] Variation, 변이: 유전자에 발생한 모든 변이(유전자수준의 작은 변이에서부터 염색체의 대규모 변이). 질병유발 돌연변이(좁은 의미로서의 돌연변이)와 정상변이(다형성)을 모두 포함하는 의미로 사용된다. Polymorphism, 다형성: 인구집단에서 유의한 빈도로 두 개 이상의 변이(대립유전자, 표현형, 염기변이, 염색체구조변이)가 존재하는 현상 또는 개인에게 이상을 유발하지 않는 정상변이의 의미로 사용된다. 후자와 관련하여 일반 인구집단에서 1% 이상의 빈도를 보이는 변이로 정의되기도 한다. Mutation, 돌연변이: 돌연변이는 경우에 따라 모든 유전 변이를 가리키는 것으로 사용되기도 하지만, 질병유발 돌연변이의 의미로 더 자주 사용된다. 정상 변이는 유전자의 기능에 이상을 초래하지 않는 반면, 질병유발 돌연변이는 유전자의 기능 이상 및 병적 표현형을 초래한다. 질병유발 돌연변이는 돌연변이의 유형에 따라 단일염기치환 돌연변이(점돌연변이)와 결손, 삽입, frameshift 돌연변이로 세분되며, 점돌연변이는 그 영향에 따라 missense mutation, nonsense mutation, splice site mutation으로 구분한다. Synonymous mutation, 동의미돌연변이: 동일한 아미노산을 부호화하는 다른 코돈으로 염기가 치환되는 돌연변이를 말한다. 예) GGC (glycine) → GGA (glycine)이다. Missense mutation, 과오돌연변이: 원래 아미노산과 다른 아미노산을 부호화하는 코돈으로 염기가 치환되는 돌연변이를 말한다. 예) CAG (glutamine) → AAG (lysine)이다. Nonsense mutation, 무의미돌연변이: 종료 코돈으로 염기가 치환되는 돌연변이를 말한다. 예) TAC (tyrosine)→TAA (stop codon) Frameshift mutation, 틀이동돌연변이: 3의 배수가 아닌 개수의 염기들의 삽입 또는 결손에 의해 코돈 해독틀에 변화를 초래하는 돌연변이로, 결국 조기 종료코돈이 유발되어 비정상적으로 짧은 단백질이 생성된다. SNP (single nucleotide polymorphism), 단일염기변이 또는 단일염기다형성: 단일염기에서 발생한 변이. 대부분의 단일염기변이는 한 염기의 다른 염기에 의한 치환이지만, 염기의 삽입 또는 결손도 포함한다. 일반적으로 단일염기변이는 두 개의 대립유전자를 갖는다. VNTR (variable number of tandem repeats), 일렬반복수변이: VNTR은 일정한 DNA 염기순서의 반복 구조 중에서 수십 개의 반복단위를 갖고, 총 길이가 수백 개의 염기에 이르는 minisatellite를 의미한다. 일반적으로 하나의 표지자가 두 개의 대립유전자를 갖는 단일염기변이에 비해 VNTR은 다수의 대립유전자를 가지므로 표지자의 정보력이 우수하고 linkage analysis에서 유용한 표지자로 사용된다. Allelic heterogeneity, 대립유전자 이질성: 동일 염색체에 존재하는 동일 유전자에서 발생한 다른 종류의 돌연변이에 의해 동일한 표현형이 유발되는 것. 예를 들어 Marfan 증후군의 원인유전자인 FBN1에 각각의 표현형이 구분되지 않는 200종 이상의 돌연변이가 알려져 있다. Locus heterogeneity, 유전자자리 이질성: 다른 염색체에 존재하는 여러 유전자들에 발생한 돌연변이가 동일한 표현형을 유발하는 것. 예를 들어 망막색소변성 (retinitis pigmentosa), 비증후군유전성난청(Nonsyndromic hereditary deafness)은 임상적인 방법으로 각 유전자를 구별하기 불가능한, 수십 종의 원인유전자에 의해 유발된다. Penetrance, 침투도: 특정 질환을 유발하는 돌연변이를 가진 사람 중에서 실제 임상 증상을 보이는 사람의 분율. 예를 들어, 질병유발 돌연변이를 가진 모든 사람에서 임상 증상이 나타난 경우의 침투도는 100%이다. 발병연령이 늦거나 표현도(expressivity)가 다양한 질환의 경우일수록 낮은 침투도를 보일 수 있다. Expressivity, 표현도: 동일한 유전질환에 이환된 개인간 유형 및 중증도 등 임상상의 변이가 존재하며, 동일 가족 구성원에서도 다양한 표현도를 보일 수 있다. 이의 원인으로 allelic heterogeneity, locus heterogeneity 외에도 원인유전자의 발현에 영향을 주는 다른 유전자(modifying genes)의 존재, 환경 요인 등이 있다. Anticipation: 어떤 유전질환에서 세대를 거듭하여 더 이른 연령에 발병하고, 이에 더해 증상이 심해지기도 하는 현상. 세대를 거듭할수록 크기가 증가하고 현저한 효과를 보이는 삼염기 반복돌연변이(trinucleotide repeat mutation)에 의해 유발되는 질환(Huntington disease, Fragile X syndrome, Spinocerebellar ataxia 등)에서 자주 나타난다. Imprinting, 각인: 부모로부터 유전된 염색체들이 각각 다른 화학적 변성을 거침으로써, 부모 중 어느 쪽에서 기원하는가에 따라 해당 염색체에 존재하는 특정 유전자(들)의 발현이 달라지는 과정. Prader-Willi 증후군과 Angelman 증후군처럼 imprinting이 질병의 원인이 될 수도 있다. UPD (uniparental disomy): 한 쌍의 염색체 또는 염색체의 일부가 부모의 한쪽에서 유래한 것. 결손, imprinting과 더불어 Prader-Willi 증후군과 Angelman 증후군의 원인이 된다. Quantitative trait locus: 연속적 특성의 표현형(키, 체중, 비만 등)을 결정하는 주요 유전자자리. 이러한 표현형은 통상적으로 다수의 유전자가 관여하므로 멘델의 유전방식을 따르지 않아 분석하기가 쉽지 않다. Mosaicism, 섞임증: 한 개체 또는 조직에 서로 다른 유전적 또는 염색체 구성을 보이는 세포주가 2개 이상 출현하는 것. 수정 후 발생단계에 있는 세포들 중 한 세포에 돌연변이가 발생하여 여기서 유래한 모든 세포들이 정상 세포와 구별되는 유전적 구성을 갖게 된다. Mosaicism은 유전양식의 해석을 복잡하게 만드는 원인이 된다. Germline mutation: 생식세포에 돌연변이가 존재하는 것으로, 이로써 돌연변이가 다음 세대로 유전될 수 있다. 이에 비해 생식세포가 아닌 체세포에만 존재하는 돌연변이인 somatic mutation은 다음 세대로 유전될 수 없다. De novo mutation: 가족 구성원 중 한 명에 새롭게 발생한 돌연변이로, 부모의 생식세포에 발생한 돌연변이 또는 수정란 자체에 발생한 돌연변이의 결과이다. DNA methylation: Cytosine이 5-methylcytosine으로 전환되는 것으로, 주로 CpG dinucleotide의 cytosine에서 DNA methylation이 발생한다. DNA methylation은 유전자발현을 조절하고, genomic imprinting에 관련되는 등 중요한 epigenetic mechanism으로 알려져 있다. Linkage, 연관: 동일 염색체에서 물리적 근접성 때문에, 특정 위치에 있는 유전자들 또는 DNA 염기순서가 같이 유전되는 경향. Recombination, 재조합: 감수분열동안 두 상동염색체 사이에 DNA 일부가 교환되는 것으로, 이를 통해 생식세포에서 유전물질의 새로운 조합이 일어난다. 재조합이 일어나면, 부모로부터 자녀에게 전해지는 각 염색체는 일부는 조부로부터 일부는 조모로부터 유래한 것을 포함하게 된다. 재조합은 인간의 유전적 다양성에 중요한 역할을 한다. Association: 두 특성(질병, 표지자로 사용되는 대립유전자 등)이 같이 출현하는 빈도가 무작위 빈도와 다른 경향. Linakge가 두 유전자자리 간의 관계인 데 비해, association은 두 유전자자리에 있는 대립유전자 간의 관계이다. Allele frequency (gene frequency), 대립유전자 빈도: 인구집단에서 특정 유전자 돌연변이 또는 변이를 물려받은 개인의 분율. Genotype frequency, 유전형 빈도: 인구집단에서 특정 조합의 대립유전자 쌍을 물려받은 개인의 분율. Linkage disequilibrium (LD), 연관불균형: 두 개 이상의 유전자자리(동일 염색체일 필요는 없음)에서 대립유전자들이 무작위로 예상되는 것보다 더 높은 빈도로 같이 출현하는 것으로, genetic association을 나타내는 척도이다. |
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