Establishment and Application of Molecular Genetic Techniques for Preimplantation Genetic Diagnosis of Osteogenesis Imperfecta

Objectives: Preimplantation genetic diagnosis (PGD) has become an assisted reproductive technique for couples carrying genetic conditions that may affect their offspring. Osteogenesis imperfecta (OI) is an autosomal dominant disorder of connective tissue characterized by bone fragility and low bone mass. At least 95% of cases are caused by dominant mutations in the COL1A1 or COL1A2. In this study, we report on our experience clinical outcomes with 5 PGD cycles for OI in two couples. Methods: Before clinical PGD, we assessed the amplification rate and allele drop-out (ADO) rate of alkaline lysis and nested PCR protocol using heterozygous patient's single lymphocytes in the pre-clinical diagnostic tests for OI. We performed 5 cycles of PGD for OI by nested PCR for the causative mutation loci, COL1A1 c.2452G>A and c.3226G>A, in case 1 and case 2, respectively. The PCR products were analyzed by agarose gel electrophoresis, restriction fragment length polymorphism (RFLP) analysis with HaeIII restriction enzyme in the case 1 and direct DNA sequencing. Results: We confirmed the causative mutation loci, COL1A1 c.2452G>A in case 1 and c.3226G>A in case 2. In the pre-clinical tests, the amplification rate was 94.2% and ADO rate was 22.5% in case 1, while 98.1% and 1.9% in case 2, respectively. In case 1, a total of 34 embryos were analyzed and 31 embryos (91.2%) were successfully diagnosed in 3 PGD cycles. Eight out of 19 embryos diagnosed as unaffected embryos were transferred in all 3 cycles, and in the third cycle, pregnancy was achieved and a healthy baby was delivered without any complications in July, 2005. In case 2, all 19 embryos (100.0%) were successfully diagnosed and 4 out of 11 unaffected embryos were transferred in 2 cycles. Pregnancy was achieved in the second cycle and the healthy baby was delivered in March, 2008. The causative locus was confirmed as a normal by amniocentesis and postnatal diagnosis. Conclusions: To our knowledge, these two cases are the first successful PGD for OI in Korea. Our experience provides a further demonstration that PGD is a reliable and effective clinical techniques and a useful option for many couples with a high risk of transmitting a genetic disease.

골형성부전증의 착상전 유전진단을 위한 분자유전학적 방법의 조건 확립과 적용

목 적: 착상전 유전진단은 환아를 출산할 가능성이 높은 부부들에게 정상아의 출산 기회를 제공해주는 보조생식술의 하나로서 널리 시행되고 있다. 골형성부전증은 상염색체 우성 유전질환으로서 뼈와 피부를 구성하는 결합조직의 이상으로 뼈가 잘 부러지는 특징을 가지고 있으며, 질환의 95% 이상은 COL1A1 또는 COL1A2 유전자의 이상으로 발병한다고 알려져 있다. 본 논문에서는 골형성부전증 환자 2 가계를 대상으로 5 주기의 착상전 유전진단을 시행하여 임신에 성공한 사례에 대해 보고하고자 한다. 연구방법: 착상전 유전진단 수행 전에 환자의 단일 림프구에서 증폭성공률과 allele drop-out (ADO) rate을 확인하기 위하여 임상전 검사를 수행하였다. 각각 원인 돌연변이로 확인된 COL1A1 유전자 c.2452G>A와 c.3226G>A를 가지고 있는 골형성부전증 2 가계를 대상으로 5 주기의 착상전 유전진단을 시행하였다. 생검한 할구로부터 원인 돌연변이를 진단하기 위하여 nested PCR 후 HaeIII 제한효소를 이용한 restriction fragment length polymorphism (RFLP) 분석방법과 direct sequencing 방법을 이용하여 진단을 실시하였다. 결 과: Genomic DNA를 이용하여 COL1A1 유전자 검사를 해 본 결과 각 가계의 원인 돌연변이는 c.2452G>A와 c.3226G>A임을 재확인하였으며, 단일세포를 이용한 임상전 검사 결과 첫 번째 사례의 경우 94.2%의 증폭성공률과 22.5%의 ADO rate을 나타내었고, 두 번째 사례의 경우 98.1%의 증폭성공률과 1.9%의 ADO rate를 나타내었다. 착상전 유전진단 결과 첫 번째 사례의 경우, 3 주기의 착상전 유전진단에서 총 34개의 배아 중 31개의 배아에서 진단에 성공하여 91.2% (31/34)의 진단성공률을 나타내었고, 총 19개의 정상 배아 중 8개의 배아 (2.7개/배아이식)를 이식하였다. 세 번째 주기에서 임신에 성공하였고 제왕절개로 건강한 아이를 분만하였다. 두 번째 사례의 경우 2 주기의 착상전 유전진단을 시행하였으며, 총 19개의 배아 모두 진단에 성공하여 100.0% (19/19)의 진단성공률을 나타내었고, 총 11개의 정상 배아 중 4개 (2개/배아이식)의 배아를 이식하였다. 두 번째 착상전 유전진단에서 임신에 성공하였고, 건강한 아이를 분만하였다. 결 론: 착상전 유전진단을 통한 골형성부전증 환자 2 가계에서의 성공적인 임신과 출산은 국내에서 처음으로 보고되는 임상 결과로, 본원의 착상전 유전진단방법은 효과적이고 확실한 방법으로써 앞으로도 더 많은 단일 유전자 이상의 유전질환을 가진 환자들에게 적용하게 될 것이며, 이는 이와 유사한 유전질환을 가지고 있거나 유전질환의 이환 가능성이 있는 부부들에게 정상아의 임신과 출산의 기회를 더욱 많이 제공할 수 있을 것이다.