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Prader-Willi 증후군에 대하여

* Genomic Imprinting *
. 정의: Differential expression of genetic material depending on the parent of origin
. Imprinted genes: 0.1-1% of all mammalian genes
. Paternally expressed genes generally enhance growth, whereas maternally expressed genes
appear to suppress growth

이 질환은 1956년 Prader 등에 의해 처음 보고된 이후, 1968년 Zellweger 등에 의해 H₃O (hypogonadism, hypotonia, hypomentia, obesity) 증후군으로 특징지어진 바 있다. 다음과 같이 상세히 살펴보기로 한다.

나이에 따른 임상양상

환아의 임상양상은 나이에 따라 변하는데, 둘 또는 세 단계로 구분될 수 있다. 영아기에는 수유곤란 및 저체중을 보이며, 소아기에는 억제할 수 없는 강박적인 식욕의 결과로 2-4세 경부터 점차적으로 비만해진다. 한편, 청소년기는 보다 명확한 행동장애를 특징으로 Whitman 등에 의해 구분되어졌다.

1) Infant(hypotonic) phase
    . 태아의 활동성 감소로 둔위분만 또는 제왕절개가 증가하는 경향을 보이며,
      출생시 키는 정상범위(-0.23 SDS in boys & -0.53 SDS in girls)이나
      체중은 약간 감소된 소견(-0.87 SDS in boys & -1.17 SDS in girls)을 보인다
    . 생식기 저형성증이 남아에서 특히 흔하다 (미소음경, 잠복고환, 여아-소음순 저형성)
    . 신생아는 보통 심한 근육긴장 저하로 늘어진 양상을 보이나 점차 호전된다
    . 언어장애 및 발달지연, 색소침착저하증 (fair hair, blue eyes)
    . 얼굴 특징: narrow bifrontal diameter, almond-shaped eyes, triangular mouth

2) Childhood(hyperphasic, obese) phase
    . 대개 2-4세 경부터 만족할줄 모르는 hunger drive로 대치되며 비만을 유발한다
      (obsessive with food, develop all kinds of food-seeking strategies & behavior)
    . 성장 저하가 다양한 시기에 시작되나, 대부분의 환아가 골성숙의 지연을 동반한
      저신장의 소견을 보인다
    . 척추측만증도 또한 보일 수 있으나, 청소년기에 보다 명확해진다
    . 통증에 대한 민감성의 저하로 자해(skin-picking)하는 경향을 보인다
    . Oral characteristics: thick saliva, hypoplastic enamel & caries
    . 학동기에 들어서면서 강박적 행동이 보다 명확해진다
      (temper tantrum, stubborness & intolernace of frustration)
    . 대부분 경미한 또는 중등도의 지능저하를 보이는데, 평균 IQ는 약 60-70 (범위: 20-90)이다.
      (그러나, 행동장애 등의 부가적인 요소로 인해 대부분 심한 학습장애를 보인다)

3) Adolescencence (with more prominent behavioral disturbances)
    . 대부분 사춘기가 불완전하다
    . 평균 성인키: 남자 152-162 cm, 여성 142-150 cm
    . 수면장애: 호흡저하, significant oxygen desaturation 등
    . 무활동시 쉽게 잠에 빠진다
    . 정신질환이 증가하는데, genuine psychosis 도 약 5-10%에서 발생한다

성장 및 사춘기 발달

. 생후 1세경까지 성장은 거의 정상이나, 그후 환아의 50%에서 저신장을 보인다.
  즉, 3세에서 13세 사이에 환아의 50 백분위수의 키는 정상인의 3 백분위수에 해당되며
  또한 사춘기 성장이 감소된다. 그리고 손과 발의 길이도 작게 된다.
. 2세경까지 체중은 정상이나 이후 빠른 속도로 체중이 증가하여 10세 이후에는 거의 모든 환아에서
  정상 범위의 weight-for-height(WfH) index치를 초과한다.
  → 환아의 skinfold thickess 50 백분위수는 정상인의 95 백분위수에 가깝거나 또는 그 이상이다.
. 골연령은 환아의 1/3-1/2에서 의미있게 감소된다
. 가끔 치모와 액모 등의 조숙한 발달이 있기도 하나, 이는 premature adrenarche의 결과이다.
  그러나, 성선축의 사춘기 발달은 central hypogonadism으로 인해 지연, 불충분 또는 없게 된다.

시상하부

. 대부분 환아에서 생기는 성장호르몬의 분비감소와 성선자극호르몬감소성 성선기능저하증은
  식욕조절이상과 high pain threshold와 같이 시상하부의 이상을 시사한다.
  그러나 일반적으로 시상하부의 명확한 구조적 이상은 발견할 수 없다.
. Swaab 등은 환자들의 부검에서 paraventricular nucleus 크기 감소나 oxytocin 발현신경 세포 수의
  감소를 보고한바 있는데, 이는 시상하부 발달장애를 의미함과 동시에 oxytocin 신경세포는
  "satiety neurons"의 생리적 기능을 가진 것으로 알려져 이들에서의 만족할 줄 모르는 허기와 비만의
  원인을 설명 가능케 한다.
  → 연구에 의하면 이들에서의 과식은 허기의 항진보다는 포만감의 감소에 의한 것으로 확인
    되었는데, 환아들에서 초기 식사 속도가 느리고 eating curve의 감속없이 긴 식사시간으로서
    설명 가능케 한다.
. Swaab 등은 또한 nucleus arcuatus에서 GHRH 분비 신경세포의 30% 감소된 소견을 보고하였다.

Energy balance in PWS

. 환아들에서 기초대사율을 체중 또는 키에 연관해 보면 20-50% 정도 감소되어 있으나,
  lean body mass와 연관해 보면 정상이다(PWS-low lean body mass).
. 운동연관성 에너지 소모율도 감소되어 있는데, 이는 아마도 CNS 조절장애에 의한 근육긴장 저하 및
  육체적 비활동성, 또한 결국 이로 인해 초래되는 근육량의 감소 등에 의한 것으로 설명된다.

Body composition and Leptin

. 어린 저체중아 PWS를 대상으로 한 검사에서도 skinfold SDS for BMI의 증가와 BMI-adjusted Leptin
  농도의 증가는 저체중에도 불구하고 체지방의 상대적 증가를 의미한다.
  (PWS에서는 특징적으로 periphery에 fat accumulation)
. 단순비만과 달리 PWS에서는 lean body mass의 감소, 인슐린 농도 감소, 시상하부성 성선기능저하증
  및 불임을 초래하는데, 이는 사실 기아의 전형적인 증상이다.
  → 기아의 증상과 증가된 체지방은 역설적으로 보이며, 혹 Leptin에 대한 저항성이 증가된
    체지방에도 불구하고 이러한 기아증상을 가능케 하는게 아닌가라고 보고한바 있다

Insulin, IGF-I and IGF-BP3 levels in children with PWS

. 정상 체중의 나이에 맞는 아이들의 농도치와 비교해 보았을 때, 혈중 insulin 농도 SDS는
  -0.7±0.9(p=0.01), 혈중 IGF-I 농도 SDS는 -0.7±0.8(p=0.02), 혈중 IGF-BP3 농도 SDS는
  -0.3±1.2(p=0.2)로 insulin 및 IGF-I 치는 낮으나 IGF-BP3의 농도치는 어느정도 정상범위에 있다.
  그러나, 이를 건강한 비만아와 비교한다면 비만아들에서 IGF-I이나 IGF-BP3 농도가 정상아와 비교해
  약 50-100% 증가하는 것을 고려해 볼 때 PWS 환아에서는 비록 전형적인 성장호르몬 결핍증에서와
  같이 많이 낮지는 않지만 IGF-BP3를 포함해 모두 낮은 것임을 알수 있다.

Table 1. Comparison of GH secretion & IGF-I levels in healthy children and patients with PWS
Subjects	n	Age(years)	BMI SDS	Mean GH/24h(μg/L)	IGF-I SDS
PWS(Lindgren)	29	6.2	+2.2	0.7±0.4	-1.5
Healthy obese	10	8.9	+5.6	0.7±0.4	-0.2
Normal Children	10	5-10	-0.2	5.8±1.3
PWS(Eiholzer)	12	8.3	+3.6	n.d.	-1.0
SDS=Standard deviation score; n.d. = not determined

Genetic Issues

1) Prader-Willi/Angelman 증후군의 개요

Prader-Willi 증후군과 Angelman 증후군은 모두 동일한 15q11-q13 부위의 결함과 연관이 있지만, 각기 다른 imprinted gene 들의 loss of function이 원인이므로 두 질환은 전혀 다른 임상 표현형을 나타낸다. Prader-Willi 증후군은 부계로부터 유래된 15q11-q13 부위의 이상으로서, 출생아 20,000명중 1명의 빈도로 발생한다. Angelman 증후군은 동일한 15q11-q13 부위의 이상이 모계로부터 유래된 경우로서, 발생빈도는 출생아 15,000명 내지 20,000명중 1명으로 Prader-Willi 증후군과 비슷하다. 임상 증상은 심한 정신지체, 간질, 특이한 안면모양, 운동실조, 인형같은 걸음걸이, 발작성 웃음 등이 특징이며, Prader-Willi 증후군에 비해 신경학적 증상이 심하여 진단이 어렵고 정신지체를 가진 집단에서 빈도가 높다. 두 질환 모두 임상 표현형의 다양성으로 인해 임상적 진단이 쉽지 않으나, 최근 이 질환의 유전학적 원인이 밝혀지지 시작하면서 세포유전학적, 분자생물학적 검사법의 도움으로 진단이 가능하게 되었다.

* PWS candiadate genes : SNURF-SNRPN (SNURF consists of exons 1 to 3 and SNRPN consists of   exons 4 to 10), NDN, IPW, ZNF127, MAGEL2

2) Prader-Willi/Angelman 증후군의 유전학적 발생 기전

Prader-Willi 증후군과 Angelman 증후군의 유전적 발생 기전은 공통적으로 네 종류로 분류할 수 있으며, 각 발생 기전이 차지하는 비율은 두 질환에서 다소 차이가 있고, 발생 기전에 따라 임상 증상의 중증도가 좀 다를뿐 아니라 (hypopigmentaion: 19% in the UPD group, 56% in the deletion group, almond-shaped eyes: 55% in the UPD group, 80% in the deletion group) 다음 임신시 이환될 재발률에 있어서도 차이가 있다. 따라서 발생 기전을 바로 이해하고 정확한 원인과 함께 진단해야만 올바른 유전상담을 시행할 수 있다.

첫째, 15q11-q13 부위의 4 Mb 정도의 결실 (interstitial deletion)이 Prader-Willi 증후군과 Angelman 증후군 각각 70%에서 발생하여 가장 큰 원인을 차지한다. Prader-Willi 증후군에서는 부계의 15q11-q13이, Angelman 증후군에서는 모계의 15q11-q13이 결실되어 각각의 imprinted gene 들이 소실되며, 대부분 de novo로 발생하기 때문에 다음 임신되는 아기가 동일한 결함이 있을 확률, 즉 재발률은 1% 미만이다. 이렇게 15번 염색체의 미세한 결실이 있을 경우, 세포유전학적 염색체 검사에서 검출할 수 있을 가능성은 70% 정도이며, 결실을 확인하려면 Prader-Willi/Angelman region과 상보적인 probe를 이용하여 환자의 분열중기상 염색체에 대하여 형광동소보합법(fluorescence in situ hybridization;FISH)을 시행하여야 한다.

둘째, 한 쌍의 염색체가 부모 각각으로부터 전해진 것이 아니라 부모중 한 쪽에서만 두 개 염색체가 전해진 uniparental disomy(UPD)가 중요한 발생 기전으로 작용한다. Maternal UPD가 발생할 경우 paternal imprinted gene이 없으므로 Prader-Willi 증후군이 되는데, 이 경우가 Prader-Willi 증후군의 25% 정도를 차지하고 주로 maternal meiosis I 단계에서 비분리현상으로 인해 발생되므로 maternal heterodisomy가 된다. UPD에 의한 Prader-Willi 증후군은 deletion Prader-Willi 증후군보다 임상 증상이 경미한 것으로 보고되어 있다. Angelman 증후군의 3-5% 정도에서 paternal UPD가 원인이고 paternal meiosis II 단계의 이상이 많으므로 paternal isodisomy 양상을 보인다. UPD가 비분리 현상으로 인해 발생된다면 재발률이 매우 낮지만 가족성 Robertsonian 전좌와 연관될 경우에는 재발률이 매우 높다.

셋째, Prader-Willi 증후군의 1-3% 및 Angelman 증후군의 5% 정도에서 deletion이나 UPD가 없으면서 비정상적인 methylation 양상을 보인다. 15q11-q13의 small nuclear ribonucleoprotein polypeptide N (SNRPN) 유전자의 5'에 존재하는 imprinting control center의 결실이 두 질환에서 각각 달리 발생하는 것이 주 원인이고, 부모가 이러한 imprinting defect의 보인자로 자손이 이환된 경우 다음 임신시 또다시 이환될 재발률은 50%에 이른다.

넷째, imprinted gene들의 functional loss가 기전중의 하나로서, Prader-Willi 증후군의 경우에는 0.1% 이하로 생각되는 매우 적은 원인으로 아직 확실하게 밝혀진 유전자는 없으나, SNURF-SNRPN 유전자 및 시상하부에서 발현되는 necdin 유전자 (NDN) 등이 주목받고 있다. Angelman 증후군의 10-20% 정도에서는 deletion이나 UPD가 없고 maternal imprinted 양상이 있으면서 가족성 유전 경향을 보이는데, 가장 주목받는 유전자가 E3 ubiquitin ligase (UBE3A)이며 해마신경과 소뇌에서 발현되고, 이 유전자내 다양한 돌연변이에 의해 premature termination이 발생한다. 이러한 imprinted gene들의 돌연변이도 50%의 재발률을 가진다.

3) Prader-Willi/Angelman 증후군의 진단적 검사방법

① 세포유전학적 검사 : Prader-Willi/Angelman 증후군의 기존의 검사실 진단 방법은 세포유전학적
    염색체 검사법이었지만 검출율이 낮고 위음성 및 위양성의 위험이 있다. 그러나 세포유전학적
    검사는 15q11-q13 부위의 결실이 아닌 다른 염색체 이상으로 인한 Prader-Willi/Angelman 증후군을
    진단할 수 있고, 아니면 Prader-Willi/ Angelman 증후군이 아닌 다른 염색체 이상 질환을 검출할 수
    있으므로 함께 시행하는 것이 바람직하다.

② FISH 검사 : FISH 방법이 고안되고 Prader-Willi/Angelman region의 probe들이 개발됨에 따라 FISH
    검사가 Prader-Willi/Angelman 증후군의 70%를 확진할 수 있게 되었다. 그러나 FISH 검사만으로는
    임상적 진단의 도움없이 두 질환을 감별할 수 없는 단점이 있고 나머지 30%에서는 진단이
    불가능하다.

③ Methylation 분석 : Deletion, UPD, imprinting defect가 있을 경우 모두 비정상 methylation 양상을
    나타내는데, 즉 Prader-Willi 증후군의 대부분은 maternal methylation, Angelman 증후군의 75%
    정도는 paternal methylation 만을 나타내므로, southern blot으로 methylation 분석을 시행하여 두
    질환을 진단할 수 있다. 최근 DNA methylation 분석시 sodium bisulfite를 이용한 genomic sequencing
    method 또는 methylation-specific PCR (MSP) 방법이 개발되었다. 이 방법을 이용하면
    rader-Willi/Angelman 증후군의 methylation 양상을 간편하게 선별 진단할 수 있다. 그러나 3가지
    발생 기전의 감별이 어렵다.

④ UPD 검사 : 환자와 그 부모로부터 15번 염색체상의 여러 종류의 microsatellite DNA marker에 대하여
    PCR 시행후 얻은 산물의 polymorphism을 서로 비교하면서 maternal heterodisomy/isodisomy인지
    paternal heterodisomy/isodisomy 인지 밝힌다.

⑤ Imprinted gene 유전자 분석 : Prader-Willi 증후군의 0.1% 이하에서, Angelman 증후군의 10-20%
    정도가 imprinted gene의 돌연변이가 원인이라고 추정하고 있으므로, methylation 양상이 정상이면서
    두 질환이 강력히 의심된다면 원인 유전자에 대한 유전자 분석을 시행해 본다.

4) 효율적인 진단 방법

이와 같이 다양한 검사법이 있지만 단 한번에 두 질환을 정확히 감별 진단하면서 네 가지의 발생
기전도 감별할 수 있는 방법은 없다. 따라서 두 세가지의 검사법을 시행하게 되는데 각 검사법들은
고가이기 때문에, Prader-Willi/Angelman 증후군이 의심되는 환자에서 경제적, 시간적으로 보다
효율적인 진단적 검사의 접근방법이 필요하다.

Prader-Willi/Angelman 증후군이 의심되는 경우, 15q11-q13 결실뿐 만 아니라 다른 염색체의 이상을
검출하기 위해서도 염색체 검사를 반드시 함께 시행하는 것이 바람직하다. 또한 MS-PCR은
검사방법이 간단하고 Prader-Willi 증후군의 거의 대부분, Angelman 증후군의 75-80% 정도에서 진단이
가능하므로 이를 먼저 시행한 다음, FISH 분석, UPD 검사 등의 순으로 검사를 진행하는 것이 두 질환을
효율적으로 진단할 수 있는 방법이다.

Table 2. Published Diagnostic Criteria for PWS (1993년 제정, first proposed by Holm in 1981)

Major Criteria
1. Neonatal and infantile central hypotonia with poor suck, gradually improving with age
2. Feeding problems in infancy with need for special feeding techniques and poor weight gain/failure to
    thrive
3. Excessive or rapid weight gain on weight-for-length chart (excessive is defined as crossing two
    centile channels) after 12 months but before 6 years of age; central obesity in the absence of
    intervention
4. Characteristic facial features with dolichocephaly in infancy, narrow face or bifrontal diameter,
    almond-shaped eyes, smallappearing mouth with thin upper lip, down-turned corners of the mouth
    (3 or more are required).
5. Hypogonadism-with any of the following, depending on age:
    a. Genital hypoplasia, (male: scrotal hypoplasia, cryptorchidism, small penis and/or testes for age
        (5th percentile); female: absence or severe hypoplasia or labia minora and/or clitoris
    b. Delayed or incomplete gonadal maturation with delayed pubertal signs in the absence of
        intervention after 16 years of age (male: small gonads, decreased facial and body hair, lack of
        voice change; female: amenorrhea/oligomenorrhea after age 16)
6. Global developmental delay in a child 6 years of age; mild to moderate mental retardation or learning
    problems in older children
7. Hyperphagia/food foraging/obsession with food
8. Deletion 15q11-13 on high resolution (650 bands) or other cytogenetic molecular abnormality of the
    Prader-Willi chromosome region, including maternal disomy

Minor Criteria
1. Decreased fetal movement or infantile lethargy or weak cry in infancy, improving with age
2. Characteristic behavior problems-temper tantrums, violent outbursts, and obsessive-compulsive
    behavior; tendency to be argumentative, oppositional, rigid, manipulative possessive, and stubborn;
    perseverating, stealing, and lying (5 or more of these symptoms required)
3. Sleep disturbance and sleep apnea
4. Short stature for genetic background by age 15 (in the absence of growth hormone intervention)
5. Hypopigmentation-fair skin and hair compared with family
6. Small hands (25th percentile) and/or feet (10th percentile) for height age.
7. Narrow hands with straight ulnar borders
8. Eye abnormalities (esotropia, myopia)
9. Thick viscous saliva with crusting at corners of the mouth
10. Speech articulation defects
11. Skin-picking

Supportive Findings
1. High pain threshold
2. Decreased vomiting
3. Temperature instability in infancy or altered temperature sensitivity in older children and adults
4. Scoliosis and/or kyphosis
5. Early adrenarche
6. Osteoporosis
7. Unusual skill with jigsaw puzzles
8. Normal neuromuscular studies

To score, major criteria are weighted at 1 point each, and minor criteria are weighted at 0.5 point each.
Supportive findings increase the certainty of diagnosis but are not scored. For children 3 years of age or
younger, 5 points are required, 4 of which should come from the major group. For children 3 years of
age and for adults, a total score of 8 is required and major criteria must comprise 5 or more points of the
total score.

* 후향적으로 검토해 본 결과 분자유전학적 진단을 받은 환자 중 16.7% 가 상기 기준을 충족하지 못
하여 1993년 진단 기준이 꽤 엄격하게 만들어진 것임을 확인하였다...

Table 3. Sensitivities and the Percentages of Documentation of the Published Criteria (1993년)
	% Documented	Sensitivity
Major criteria
Neonatal hypotonia	87.9	97.5
Feeding problems in infancy	77.8	95.7
Excessive weight gain	66.7	95.0
Facial features	88.4	49.4
Hypogonadism	51.1	95.6
Developmental delay	98.9	97.8
Hyperphagia	84.4	93.4
Minor criteria
Decreased fetal activity	62.2	89.3
Behavior problems	86.7	82.1
Sleep disturbance/sleep apnea	75.6	36.8
Short stature	63.3	86.0
Hypopigmentation	73.3	47.0
Small hands and/or feet	87.8	74.7
Narrow hands/straight ulnar borders	82.2	69.0
Eye abnormalities	67.8	49.2
Thick viscous saliva	88.9	82.5
Articulation defects	80.0	93.1
Skin-picking	83.3	61.3

Table 4. Suggested New Criteria to Prompt DNA Testing for PWS (2001년)
Age at Assessment	Features Sufficient to Prompt DNA Testing
Birth to 2 y	1. Hypotonia with poor suck.
2 y-6 y	1. Hypotonia with history of poor suck.
	2. Global developmental delay.
6 y-12 y	1. History of hypotonia with poor suck (hypotonia often persists).
	2. Global developmental delay.
	3. Excessive eating (hyperphagia; obsession with food) with central obesity if uncontrolled.
13 y through adulthood	1. Cognitive impairment; usually mild mental retardation.
	2. Excessive eating (hyperphagia; obsession with food) with central obesity if uncontrolled.
	3. Hypothalamic hypogonadism and/or typical behavior problems (including temper tantrums and obsessive-compulsive features).