Identification of genetic loci associated with late-onset Alzheimer's disease from East Asian genome-wide association study

Abstract

알츠하이머병은 복합적이고 다요인적인 신경퇴행성 질환이며, 노인성 치매의 원인 질병 중 70% 이상을 차지한다. 알츠하이머병은 뇌에서 베타 아밀로이드 단백질의 침착과 신경섬유다발 엉킴과 더불어 신경 세포의 사멸 등에 의해 나이가 진행됨에 따라 인지능력이 감소되는 특징이 있다. 알츠하이머병의 높은 유전률(최대 79%)은 알츠하이머병에 대한 유전학적 연구를 활발하게 하는 근원이 되었으며, 전장유전체 연관분석법은 알츠하이머병의 원인 유전자 발굴을 가속화시켰다. 대규모의 집단 분석 및 메타 분석을 이용한 전장유전체 연관분석을 통해 APOE를 비롯한 40개 이상의 유전자들이 보고되었다. 그러나, 유전적으로 복잡하고 인종적 발병 차이가 나타나는 알츠하이머병을 이해하기에는 부족하고, 보고된 연구들 대부분이 서양인중심으로 이루어졌다. 본 연구는 동양인 알츠하이머병의 새로운 유전자를 발굴하고 유전적 메커니즘을 규명하는 연구이다. 본 연구는 광주 치매코호트에서 모집된 한국인 자료를 이용하여 전장유전체 연관 분석을 수행하였다. 첫번째로 한국인 2,291명을 이용한 전장 유전체 연관성 분석 결과, APOE 유전자가 가장 강력한 알츠하이머병 위험 유전 변이임을 확인하였다. 뿐만 아니라 서양인 자료에서 기 보고된 치매 연관 유전자 ABCA7, BIN1 역시 한국인 자료에서 연관성이 있음을 확인하였다. APOE의 유전적 영향을 효과적으로 배제하기 위한 APOE-stratified 전장유전체 분석을 수행하였으며, 후보 유전자군에 대하여 일본인 자료를 이용하였다. APOE non-carrier 유전체 분석결과, LRIG1의 intron 영역에 있는 rs2280575와 rs113765515, CACNA1A의 intron 영역에 있는 rs189753894가 알츠하이머병 위험 유전자로써 가능성을 확인하였다. 유전자 발현량 분석을 통해서 LRIG1 유전자와 CACNA1A 유전자가 뇌영역에서 높게 발현하고 있음을 확인하였다. 뿐만 아니라, 차등 유전자 발현 분석을 통하여 LRIG1 유전자가 entorhinal, frontal, temporal cortex 영역에서 알츠하이머병 진행도에 따라 차등 발현된다는 것을 확인하였다. CACNA1A는 entorhinal cortex 영역에서 차등 발현됨을 확인하였다. 따라서, LRIG1과 CACNA1A 유전자는 동아시아인 특이적으로 알츠하이머병과 연관되었음을 시사한다. 두번째로 Bootstrap-based 전장유전체 분석에는 랜덤샘플링을 통한 100번의 반복 분석이 수행되었으며, 732개의 유전자 후보군이 추출되었다. 이들 중 아밀로이드 베타 축적과 관련된 유전자를 선별하기 위하여 Drosophila 모델이 이용되었으며, 총 115개의 유전자가 아밀로이드 축적과 관련이 있음을 확인하였다. pathway 분석을 통하여 42개의 유전자가 membrane trafficking pathway에 관련이 있었으며, 그 중 알츠하이머병과의 연관성이 보고되지 않은 새로운 유전자 AP3D1, CCDC22, DNM3, SH3GL2, PIK3C3를 발굴하였다. 이들 유전자는 알츠하이머병 환자의 뇌에서 낮게 발현을 하고 있으며, 베타 아밀로이드 축적과 뇌세포에 영향을 주는 것을 확인하였다. 다음으로 APOE e2에 대한 한국인 알츠하이머병과의 연관성과 위험도를 측정하였다. 연관성 분석을 통해 APOE e2를 한 개 이상 보유하는 집단은 e3/e3를 보유하고 있는 집단에 비해 알츠하이머병 위험도가 0.39배 낮다는 것을 확인하였고, 이는 병리학적 진단이 이루어진 그룹에서 더 명확하게 나타난다는 것을 확인하였다. 뿐만 아니라 생존분석을 통하여 e2를 한 개 이상 보유하는 집단이 e3/e3에 비하여 알츠하이머 발병 나이가 3년 늦음을 확인하였다. 나이 진행에 따른 아밀로이드 베타의 축적 정도를 살펴본 결과, e2를 한 개 이상 보유하는 집단은 그렇지 않은 집단에 비해 아밀로이드 축적에 변화가 없거나 감소하는 것을 확인하였다. 본 연구에서는 대규모 분석을 통해 알츠하이머병과 연관된 새로운 유전자를 추출하였다. 더욱이 본 연구는 동아시아인 특이 단일염기다형성을 보여주었고, 아밀로이드 침착 및 membrane trafficking pathway 관련 유전자를 보여주었으며, APOE 유전자에 대한 알츠하이머병과의 상관성 이해에 중요한 결과이다.|Alzheimer’s disease (AD) is a highly complex neurodegenerative disorder and is regarded as one of major forms of dementia. The AD is clinically characterized by progressive deficits in memory, behavioral problems and cognitive impairments. High genetic heritability (up to 79%) of Late-onset of Alzheimer’s disease (LOAD) have contributed to large scale of genetic studies, and more than 20 genetic loci have been discovered, including the Apolipoprotein E (APOE) gene. However, the majority of genetic loci have been identified through European races, and relatively few studies using East Asians to discover genetic factors. Furthermore, the results of East Asian studies have not clearly shown any risk variants in LOAD, except for the APOE gene. The focus was on the identification of Asian specific genetic loci associated with AD. In this study, Genome-wide association studies (GWASs) using 2,291 Korean data collected from Gwangju Alzheimer’s & Related Dementias (GARD) Cohort were performed to find the risk genetic loci of AD. The novel genes were identified by performing APOE-strata analysis to effectively mask the genetic effects of APOE. And those genes were confirmed the replication using independent Japanese data and found the East Asian specific loci through meta-analysis. The previously reported SNP (or gene) were replicated using GARD cohort and three novel susceptible loci were discovered through the APOE-stratified analyses. Among subjects without the APOE e4 allele, we identified that rs189753894 in CACNA1A gene and rs2280575 and rs113765515 in LRIG1 gene were susceptible loci for Alzheimer’s disease. Next, 115 AD-associated genes were identified by bootstrap-based GWAS on a Korean population followed by functional genomic screening with a Drosophila model of AD. Pathway analysis of the discovered genes revealed that membrane trafficking is the main functional cluster. Among them, the function of 5 selected genes (AP3D1, DNM3, SH3GL2, PIK3C3, and CCDC22) were validated in vivo and in vitro. Next, the association and risk effect of AD in Koreans for APOE e2 was evaluated. The association analysis confirmed that the risk of AD was 0.39 times lower in the group with at least one APOE e2 than in the group with APOE e3/e3, and that this was more clearly observed in the group with a pathological diagnosis. Moreover, through survival analysis, the group with more than one APOE e2 confirmed a 3-year delay in the age of onset of AD compared to APOE e3/e3. The accumulation of amyloid-beta as age progressed was examined, and it was confirmed that those who had at least one APOE e2 had no or less amyloid accumulation than those who did not. To conclude, several new genetic loci have been identified for the association with AD. Moreover, the East Asian specific risk SNPs, which involved in the AD mediated pathology were also identified. In addition, the findings of this study can provide new insights into understanding the complex of neurodegenerative disease.