Identification of novel genetic variants associated with precocious puberty by genome-wide association analysis in Korean girls

Abstract

Precocious puberty results from the activation of the hypothalamus-pituitary-gonadal axis at an early stage, which lead to the secretion of gonadotrophin-releasing hormone (GnRH) and can lead to physical and psychological problems such as loss of adult height, breast cancer, type 2 diabetes, and depression. Precocious puberty is caused by both genetic and environmental factors. Early diagnosis is very important for the effective treatment of the disease, because highly effective drugs are available for its treatment. The use of genetic biomarkers of precocious puberty might be a good solution could enable its early diagnosis. Although several genes, such as KISS1, KISS1R, and MKRN3 are known to be involved in precocious puberty, no genetic variants associated with precocious puberty have been identified yet using a genome-wide association study (GWAS). To identify genetic biomarker(s) for the early diagnosis of precocious puberty, I analyzed the genotype and clinical data of 696 Korean girls with precocious puberty and 300 Korean age-matched normal controls. After performing a case-control GWAS, I found eight genetic variants that are significantly associated with precocious puberty (p < 1.0 × 10-5), viz., rs10900855 (OR = 2.21 and p = 1.10 × 10-8), rs13187637 (OR = 2.006 and p = 7.07 × 10-7), rs373629 (OR = 0.5839 and p = 1.94 × 10-6), rs3849046 (OR = 1.959 and p = 2.24 × 10-6), rs56252016 (OR = 0.1212 and p = 3.48 × 10-6), rs62579679 (OR = 2.493 and p = 3.66 × 10-6), rs4680885 (OR = 0.4638 and p = 6.41 × 10-6), and rs4891764 (OR = 0.5933 and p = 8.66 × 10-6). The most significant SNP, rs10900855, exhibited a p- value at the GWAS-level of significance (p ≤ 5.0 × 10-8) and an extremely high OR value. By annotating and performing a signal plot analysis of the identified SNPs, I found that the SNPs were closely located to six genes: EGR1, HSPA9, ETF1, MAGI2, MPPED2, and DOK6. The gene expression patterns of the six genes in the hypothalamus tissue of female mice indicated a significant increase (EGR1) or a significant decrease (HSPA9, ETF1, MAGI2, MPPED2, and DOK6) in levels during the puberty period. In silico pathway analysis revealed that all six genes are closely associated with precocious puberty via two (EGR1) or three nodes (HSPA9, ETF1, MAGI2, MPPED2, and DOK6). These results indicate that the SNPs identified in these six genes were also closely associated with precocious puberty in girls.

성조숙증은 생식샘자극호르몬 방출호르몬(gonadotrophinreleasinghormone,GnRH)의 분비를 관장하는 시상하부-뇌하수체-생식샘 축의 이른 시기의 활성화로 인해 일어나며, 유방암, 제2형 당뇨병, 우울증 등의 여러 신체적, 심리적 문제들이 발생될 수 있다.성조숙증은 환경적인 요인과 유전적인 요인이 함께 관여하는 다인자성 질환이며, 이미 효과적인 치료제가 존재하기 때문에 조기진단이 무엇보다 중요하다. 현재 시행되고 있는 성조숙증 진단법은 조기진단에 한계가 있기 때문에 유전자 바이오마커를 사용한 조기진단의 유용성이 커지고 있다. 지금까지 KISS1, KISS1R, MKRN3 등 몇 종의 성조숙증 발병 원인유전자가 밝혀 졌고, 다수의 성조숙증 연관 유전자들이 보고되고 있지만 많은 수의 피험자가 참여하고 있는 코호트를 대상으로 한 전장유전체연관성분석 (genome-wideassociationstudy,GWAS)은 아직 시도되지 않았다. 본 연구에서는, 성조숙증을 진단받은 한국인 여아 696명과 정상 대조군 300명의 단일염기다형성(SNP) 유전형과 임상정보를 사용하여 유용한 성조숙중 조기진단 유전자 바이오마커의 발굴을 목표로 하였다. 먼저, 환자-정상군 GWAS의 통계분석 연구를 수행하여, 성조숙증과 연관성이 높은 (p<1.0×10-5) 유전자 변이 8개를 찾았다: rs10900855 (OR=2.21 and p=1.10×10-8), rs13187637 (OR=2.006 and p=7.07×10-7), rs373629 (OR=0.5839 and p=1.94×10-6), rs3849046 (OR=1.959 and p=2.24×10-6), rs56252016 (OR=0.1212 and p=3.48×10-6), rs62579679 (OR=2.493 and p=3.66×10-6), rs4680885 (OR=0.4638 and p=6.41×10-6), rs4891764 (OR=0.5933 and p=8.66×10-6). 이중 rs10900855SNP는 GWAS-수준의 통계적 유의성 (p≤5.0×10-8)를 통과하였으며, 매우 높은 오즈비(oddsratio)를 나타내었다. 발굴한 SNP에 대한 annotation과 signal plot 분석을 토대로 인접한 영역에 위치하는 6종의 유전자를 밝혔다: EGR1, HSPA9, ETF1, MAGI2, MPPED2, DOK6. 다음은, 마우스 실험을 통해 이들 유전자의 성장 시기별 발현 패턴을 분석하였다. 암컷 마우스의 시상하부에서 사춘기 시기동안 EGR1 유전자는 유의적으로 발현이 증가하였으며, HSPA9, ETF1, MAGI2, MPPED2, DOK6 유전자는 발현이 유의적으로 감소하였다. Insilico 네트워크분석 (pathwayanalysis) 결과, 6종의 유전자 모두 성조숙증과 2개의 node (EGR1) 또는 3개의 node (HSPA9, ETF1, MAGI2, MPPED2, DOK6)로 네트워크가 연결되어 이들 유전자가 성조숙증과 밀접한 관련이 있음을 확인하였다. 향후 발굴된 6종의 유전자들의 성조숙증 발병과 관련된 정확한 역할과 메커니즘에 대한 추가 연구가 필요하다고 사료된다. 결론적으로, 본 연구에서는 한국인 여아 성조숙증 연구 코호트를 사용하여 통계적 유의성이 높은 (p<1.0×10-5) 8개의 SNP를 발굴하였으며, 이들 SNP들이 위치하는 인접 유전자 6종을 밝혔다. 또한, 마우스 성장시기별 유전자 발현 분석과 네트워크분석을 통해 6종의 유전자가 성조숙증과 밀접한 관련이 있음을 밝혔다. 본 연구에서 밝혀진 6개의 SNP는 향후 여아 성조숙증 조기진단에 유용하게 활용될 수 있을 것으로 기대되며, 동정된 6종의 유전자는 성조숙증의 발병기전 규명에 크게 기여할 것 으로 기대된다.