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지난 10년 동안 유전자 시퀀싱 기술은 암 연구 및 임상에서 널리 사용되어 왔으며, 암의 분자적 특성을 밝히는 중요한 도구로 자리 잡았습니다. 분자 진단 및 표적 치료의 발전은 종양 정밀 치료 개념의 발전을 촉진하고 종양 진단 및 치료 분야 전반에 큰 변화를 가져왔습니다. 유전자 검사는 암 위험을 경고하고, 치료 결정을 내리고, 예후를 평가하는 데 사용될 수 있으며, 환자의 임상 결과를 개선하는 중요한 도구입니다. 본 연구에서는 CA Cancer J Clin, JCO, Ann Oncol 및 기타 학술지에 게재된 최근 논문들을 요약하여 암 진단 및 치료에 있어 유전자 검사의 적용을 검토합니다.

체세포 돌연변이와 생식세포 돌연변이. 일반적으로 암은 부모로부터 유전되는 DNA 돌연변이(생식세포 돌연변이) 또는 노화에 따른 획득(체세포 돌연변이)으로 인해 발생합니다. 생식세포 돌연변이는 출생 시 존재하며, 돌연변이 유발 인자는 일반적으로 신체의 모든 세포 DNA에 돌연변이를 보유하고 있으며 자손에게 유전될 수 있습니다. 체세포 돌연변이는 비생식세포에서 개체가 획득하는 돌연변이로, 일반적으로 자손에게 유전되지 않습니다. 생식세포 돌연변이와 체세포 돌연변이는 모두 세포의 정상적인 기능 활동을 파괴하고 세포의 악성 전환을 초래할 수 있습니다. 체세포 돌연변이는 악성 종양의 주요 원인이며 종양학에서 가장 예측 가능한 바이오마커입니다. 그러나 종양 환자의 약 10~20%는 암 위험을 크게 증가시키는 생식세포 돌연변이를 가지고 있으며, 이러한 돌연변이 중 일부는 치료 효과도 있습니다.
드라이버 돌연변이와 패신저 돌연변이. 모든 DNA 변이가 세포 기능에 영향을 미치는 것은 아닙니다. 평균적으로 정상적인 세포 변성을 유발하기 위해서는 "드라이버 돌연변이"라고 하는 5~10건의 유전체적 사건이 필요합니다. 드라이버 돌연변이는 세포 성장 조절, DNA 복구, 세포 주기 조절 및 기타 생명 과정에 관여하는 유전자와 같이 세포 생명 활동과 밀접한 관련이 있는 유전자에서 발생하는 경우가 많으며, 치료 표적으로 사용될 가능성이 있습니다. 그러나 모든 암에서 발생하는 총 돌연변이 수는 매우 많아 일부 유방암에서는 수천 개에 불과하지만, 매우 가변적인 대장암 및 자궁내막암에서는 10만 개가 넘습니다. 대부분의 돌연변이는 생물학적 의미가 없거나 제한적이며, 코딩 영역에서 돌연변이가 발생하더라도 이러한 미미한 돌연변이 사건을 "패신저 돌연변이"라고 합니다. 특정 종양 유형의 유전자 변이가 치료에 대한 반응이나 저항성을 예측할 수 있다면, 해당 변이는 임상적으로 수술 가능한 것으로 간주됩니다.
종양유전자와 종양억제유전자. 암에서 자주 돌연변이되는 유전자는 크게 종양유전자와 종양억제유전자, 두 가지 범주로 나눌 수 있습니다. 정상 세포에서 종양유전자에 의해 암호화되는 단백질은 주로 세포 증식을 촉진하고 세포 사멸을 억제하는 역할을 하는 반면, 종양억제유전자에 의해 암호화되는 단백질은 주로 세포 분열을 부정적으로 조절하여 정상적인 세포 기능을 유지하는 역할을 합니다. 악성 형질전환 과정에서 유전체 돌연변이는 종양유전자의 활성을 증가시키고 종양억제유전자의 활성을 감소 또는 소실시킵니다.
작은 변이와 구조적 변이. 이 두 가지가 유전체의 주요 돌연변이 유형입니다. 작은 변이는 염기 삽입, 결실, 프레임시프트, 시작 코돈 소실, 종결 코돈 소실 돌연변이 등을 포함하여 소수의 염기를 변화, 삭제 또는 추가하여 DNA를 변형합니다. 구조적 변이는 수천 개의 염기에서 염색체 대부분에 이르는 유전자 분절을 포함하는 대규모 유전체 재배열로, 유전자 복제 수 변화, 염색체 결실, 복제, 역위 또는 전좌를 포함합니다. 이러한 돌연변이는 단백질 기능의 감소 또는 증가를 유발할 수 있습니다. 개별 유전자 수준의 변화 외에도 유전체 시그니처는 임상 시퀀싱 보고서의 일부입니다. 유전체 시그니처는 종양 돌연변이 부하(TMB), 미세부수체 불안정성(MSI), 상동 재조합 결함을 포함한 작고 구조적인 변이의 복잡한 패턴으로 볼 수 있습니다.

클론 돌연변이와 아클론 돌연변이. 클론 돌연변이는 모든 종양 세포에 존재하며, 진단 시점에도 존재하고 치료가 진행된 후에도 그대로 유지됩니다. 따라서 클론 돌연변이는 종양 치료 표적으로 사용될 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다. 아클론 돌연변이는 암 세포의 일부에만 존재하며 진단 초기에는 발견될 수 있지만, 이후 재발 시 사라지거나 치료 후에야 나타납니다. 암 이질성은 단일 암에 여러 아클론 돌연변이가 존재하는 것을 의미합니다. 특히, 모든 흔한 암 종에서 임상적으로 유의미한 주요 돌연변이의 대부분은 클론 돌연변이이며, 암 진행 과정 내내 안정적으로 유지됩니다. 아클론에 의해 매개되는 내성은 진단 시점에는 발견되지 않을 수 있지만, 치료 후 재발 시 나타납니다.

전통적인 FISH(세포 핵형 분석) 기술은 염색체 수준의 변화를 검출하는 데 사용됩니다. FISH는 유전자 융합, 결실, 증폭을 검출하는 데 사용될 수 있으며, 높은 정확도와 민감도를 보이지만 처리량이 제한적이어서 이러한 변이 검출의 "골드 스탠다드"로 간주됩니다. 일부 혈액암, 특히 급성 백혈병에서는 핵형 분석이 여전히 진단 및 예후를 결정하는 데 사용되고 있지만, 이 기술은 점차 FISH, WGS, NGS와 같은 표적 분자 분석법으로 대체되고 있습니다.
개별 유전자의 변화는 실시간 PCR과 디지털 드롭 PCR을 포함한 PCR을 통해 검출할 수 있습니다. 이러한 기술은 민감도가 높고, 특히 작은 잔류 병변의 검출 및 모니터링에 적합하며, 비교적 짧은 시간 내에 결과를 얻을 수 있습니다. 단점은 검출 범위가 제한적(일반적으로 하나 또는 몇 개의 유전자의 돌연변이만 검출)이며, 다중 검사가 제한적이라는 것입니다.
면역조직화학염색법(IHC)은 ERBB2(HER2) 및 에스트로겐 수용체와 같은 바이오마커의 발현을 검출하는 데 일반적으로 사용되는 단백질 기반 모니터링 도구입니다. IHC는 특정 돌연변이 단백질(예: BRAF V600E) 및 특정 유전자 융합(예: ALK 융합)을 검출하는 데에도 사용할 수 있습니다. IHC의 장점은 일상적인 조직 분석 과정에 쉽게 통합될 수 있어 다른 검사와 병행할 수 있다는 것입니다. 또한, IHC는 세포 내 단백질 위치에 대한 정보를 제공할 수 있습니다. 단점은 확장성이 제한적이고 조직 구성에 대한 요구가 높다는 것입니다.
2세대 시퀀싱(NGS)은 고처리량 병렬 시퀀싱 기술을 사용하여 DNA 및/또는 RNA 수준에서 변이를 검출합니다. 이 기술은 전체 유전체(WGS)와 관심 유전자 영역 모두의 시퀀싱에 사용할 수 있습니다. WGS는 가장 포괄적인 유전체 돌연변이 정보를 제공하지만, 신선한 종양 조직 샘플의 필요성(WGS는 아직 포르말린 고정 샘플 분석에는 적합하지 않음)과 높은 비용 등 임상 적용에 많은 어려움이 있습니다.
표적 NGS 시퀀싱에는 전체 엑손 시퀀싱과 표적 유전자 패널이 포함됩니다. 이러한 검사는 DNA 프로브 또는 PCR 증폭을 통해 관심 영역을 증폭시켜 필요한 시퀀싱 양을 제한합니다(전체 엑손은 유전체의 1~2%를 차지하며, 500개의 유전자를 포함하는 대형 패널조차도 유전체의 0.1%에 불과합니다). 전체 엑손 시퀀싱은 포르말린 고정 조직에서 우수한 성능을 보이지만, 비용이 여전히 높습니다. 표적 유전자 조합은 비교적 경제적이며 검사 대상 유전자를 유연하게 선택할 수 있습니다. 또한, 순환 유리 DNA(cfDNA)는 액체 생검이라고 하는 암 환자의 유전체 분석을 위한 새로운 옵션으로 떠오르고 있습니다. 암세포와 정상 세포 모두 혈류로 DNA를 방출할 수 있으며, 암세포에서 방출된 DNA를 순환 종양 DNA(ctDNA)라고 하며, 이를 분석하여 종양 세포의 잠재적 돌연변이를 검출할 수 있습니다.
검사 선택은 해결하려는 특정 임상 문제에 따라 달라집니다. 승인된 치료법과 관련된 대부분의 바이오마커는 FISH, IHC, PCR 기법으로 검출할 수 있습니다. 이러한 방법은 소량의 바이오마커 검출에는 적합하지만, 처리량 증가에 따른 검출 효율 향상에는 도움이 되지 않으며, 너무 많은 바이오마커가 검출되면 검출할 조직이 부족할 수 있습니다. 폐암과 같이 조직 샘플을 얻기 어렵고 검사할 바이오마커가 여러 개 있는 특정 암의 경우, NGS가 더 나은 선택입니다. 결론적으로, 검사법 선택은 각 환자별로 검사할 바이오마커의 수와 바이오마커를 검사할 환자 수에 따라 달라집니다. 경우에 따라, 특히 유방암 환자에서 에스트로겐 수용체, 프로게스테론 수용체, ERBB2 검출과 같이 표적이 이미 확인된 경우 IHC/FISH만으로도 충분합니다. 유전체 돌연변이에 대한 보다 포괄적인 탐색과 잠재적 치료 표적 탐색이 필요한 경우, NGS는 더욱 체계적이고 비용 효율적입니다. 또한, IHC/FISH 결과가 모호하거나 확실하지 않은 경우 NGS를 고려할 수 있습니다.

다양한 지침에서 유전자 검사 대상 환자에 대한 지침을 제공합니다. 2020년 ESMO 정밀의학 실무 그룹은 진행성 암 환자를 위한 최초의 NGS 검사 권고안을 발표하여 진행성 비편평 비소세포 폐암, 전립선암, 대장암, 담관암, 난소암 종양 검체에 대한 정기적인 NGS 검사를 권고했습니다. 2024년 ESMO는 이를 바탕으로 유방암과 위장관 기질종양, 육종, 갑상선암, 원인 불명의 암 등 희귀 종양도 NGS 검사에 포함하도록 권고했습니다.
2022년, ASCO의 전이성 또는 진행성 암 환자의 체세포 유전체 검사에 대한 임상 의견은 전이성 또는 진행성 고형 종양 환자에게 바이오마커 관련 치료법이 승인된 경우, 이러한 환자에게 유전자 검사를 권장한다고 명시하고 있습니다. 예를 들어, RAF 및 MEK 억제제가 이 적응증에 승인되었으므로, 전이성 흑색종 환자의 경우 BRAF V600E 돌연변이를 스크리닝하기 위해 유전체 검사를 시행해야 합니다. 또한, 환자에게 투여할 약물에 대한 명확한 내성 마커가 있는 경우에도 유전자 검사를 시행해야 합니다. 예를 들어, EGfrmab은 KRAS 돌연변이 대장암에는 효과가 없습니다. 환자의 유전자 시퀀싱 적합성을 고려할 때, 환자의 신체 상태, 동반 질환, 종양 병기를 통합적으로 고려해야 합니다. 환자 동의, 검사실 처리, 시퀀싱 결과 분석을 포함한 유전체 시퀀싱에 필요한 일련의 단계는 환자의 적절한 신체 능력과 기대 수명을 요구하기 때문입니다.
체세포 돌연변이 외에도 일부 암은 생식세포 유전자 검사도 받아야 합니다. 생식세포 돌연변이 검사는 유방암, 난소암, 전립선암, 췌장암에서 BRCA1 및 BRCA2 돌연변이와 같은 암의 치료 결정에 영향을 미칠 수 있습니다. 생식세포 돌연변이는 환자의 향후 암 검진 및 예방에도 영향을 미칠 수 있습니다. 생식세포 돌연변이 검사에 적합한 환자는 암 가족력, 진단 시 연령, 암 유형과 같은 특정 조건을 충족해야 합니다. 그러나 생식세포에 병원성 돌연변이를 보유한 많은 환자(최대 50%)는 가족력에 기반한 생식세포 돌연변이 검사의 기존 기준을 충족하지 못합니다. 따라서 돌연변이 보인자를 최대한 식별하기 위해 미국 국립 종합 암 네트워크(NCCN)는 유방암, 난소암, 자궁내막암, 췌장암, 대장암 또는 전립선암 환자 모두 또는 대부분에게 생식세포 돌연변이 검사를 시행할 것을 권장합니다.
유전자 검사 시기와 관련하여, 임상적으로 유의미한 주요 돌연변이의 대부분은 클론성이고 암 진행 과정 동안 비교적 안정적이기 때문에, 진행성 암 진단 시 환자에게 유전자 검사를 시행하는 것이 합리적입니다. 특히 분자 표적 치료 후 후속 유전자 검사의 경우, 혈액 DNA에는 모든 종양 병변의 DNA가 포함될 수 있어 종양 이질성에 대한 정보를 얻는 데 더 유리하기 때문에 ctDNA 검사가 종양 조직 DNA 검사보다 더 유리합니다.
치료 후 ctDNA 분석을 통해 종양의 치료 반응을 예측하고 표준 영상 검사법보다 조기에 질병 진행을 확인할 수 있습니다. 그러나 이러한 데이터를 사용하여 치료 결정을 내리는 프로토콜은 아직 확립되지 않았으며, 임상시험을 제외하고는 ctDNA 분석이 권장되지 않습니다. ctDNA는 근치적 종양 수술 후 작은 잔여 병변을 평가하는 데에도 사용될 수 있습니다. 수술 후 ctDNA 검사는 이후 질병 진행을 예측하는 강력한 지표이며, 환자가 보조 항암 화학요법의 혜택을 받을지 여부를 판단하는 데 도움이 될 수 있습니다. 하지만 임상시험 이외의 경우 보조 항암 화학요법 결정에 ctDNA를 사용하는 것은 여전히 ​​권장되지 않습니다.

데이터 처리: 유전체 시퀀싱의 첫 단계는 환자 샘플에서 DNA를 추출하고, 라이브러리를 준비하고, 원시 시퀀싱 데이터를 생성하는 것입니다. 원시 데이터는 품질이 낮은 데이터 필터링, 참조 유전체와의 비교, 다양한 분석 알고리즘을 통한 다양한 유형의 돌연변이 식별, 이러한 돌연변이가 단백질 번역에 미치는 영향 분석, 생식 세포 돌연변이 필터링 등의 추가 처리가 필요합니다.
드라이버 유전자 어노테이션은 드라이버 돌연변이와 패신저 돌연변이를 구별하기 위해 설계되었습니다. 드라이버 돌연변이는 종양 억제 유전자 활성의 손실 또는 증가를 초래합니다. 종양 억제 유전자의 불활성화를 초래하는 작은 변이에는 넌센스 돌연변이, 프레임시프트 돌연변이, 주요 스플라이싱 부위 돌연변이뿐만 아니라, 덜 빈번한 시작 코돈 결실, 종결 코돈 결실, 그리고 다양한 인트론 삽입/결실 돌연변이가 포함됩니다. 또한, 미스센스 돌연변이와 작은 인트론 삽입/결실 돌연변이는 중요한 기능 영역에 영향을 미쳐 종양 억제 유전자 활성의 손실을 초래할 수 있습니다. 종양 억제 유전자 활성의 손실을 초래하는 구조적 변이에는 부분적 또는 완전한 유전자 결실과 유전자 판독 프레임의 파괴를 초래하는 기타 유전체 변이가 포함됩니다. 종양 유전자의 기능 증가를 초래하는 작은 변이에는 미스센스 돌연변이와 중요한 단백질 기능 영역을 표적으로 하는 간헐적인 인트론 삽입/결실이 포함됩니다. 드물지만, 단백질 절단 또는 스플라이싱 부위 돌연변이가 종양 유전자의 활성화를 초래할 수 있습니다. 종양 유전자 활성화로 이어지는 구조적 변이에는 유전자 융합, 유전자 삭제, 유전자 복제가 포함됩니다.
유전체 변이의 임상적 해석은 확인된 돌연변이의 임상적 유의성, 즉 잠재적 진단적, 예후적 또는 치료적 가치를 평가합니다. 유전체 변이의 임상적 해석을 위한 여러 가지 근거 기반 등급 체계가 있습니다.
메모리얼 슬론-케터링 암센터(Memorial Sloan-Kettering Cancer Center)의 정밀 의학 종양학 데이터베이스(OncoKB)는 약물 사용에 대한 예측 가치를 기준으로 유전자 변이를 네 가지 레벨로 분류합니다. 레벨 1/2는 FDA 승인 또는 임상 표준 바이오마커로, 승인된 약물에 대한 특정 적응증의 반응을 예측합니다. 레벨 3은 FDA 승인 또는 비승인 바이오마커로, 임상시험에서 유망성이 입증된 새로운 표적 약물에 대한 반응을 예측합니다. 레벨 4는 FDA 비승인 바이오마커로, 임상시험에서 설득력 있는 생물학적 근거가 입증된 새로운 표적 약물에 대한 반응을 예측합니다. 치료 저항성과 관련된 다섯 번째 하위 그룹이 추가되었습니다.
미국 분자병리학회(AMP)/미국 임상종양학회(ASCO)/미국병리학회(CAP)의 체세포 변이 해석 지침은 체세포 변이를 네 가지 범주로 구분합니다. I등급: 임상적 유의성이 강함, II등급: 임상적 유의성이 잠재적임, III등급: 임상적 유의성 불명, IV등급: 임상적 유의성 불명. 치료 결정에는 I등급과 II등급 변이만 중요합니다.
ESMO의 분자 표적 임상 운용성 척도(ESCAT)는 유전자 변이를 6단계로 분류합니다. I단계는 일상적인 사용에 적합한 표적입니다. II단계는 아직 연구 중인 표적이며, 표적 약물의 이점을 얻을 수 있는 환자 집단을 선별하는 데 사용될 가능성이 높지만 이를 뒷받침하기 위해 더 많은 데이터가 필요한 표적입니다. III단계는 다른 암종에서 임상적 이점이 입증된 표적 유전자 변이입니다. IV단계는 전임상 증거로 뒷받침되는 표적 유전자 변이만입니다. V단계는 돌연변이를 표적으로 삼는 것의 임상적 중요성을 뒷받침하는 증거가 있지만 표적에 대한 단일 약물 치료로 생존 기간을 연장할 수 없거나 병용 치료 전략을 채택할 수 있는 경우입니다. X단계는 임상적 가치가 없는 경우입니다.