Targeted exome sequencing provided comprehensive genetic diagnosis of congenital anomalies of the kidney and urinary tract

Abstract

Congenital anomalies of the kidney and urinary tract (CAKUT) are the most common cause of chronic kidney disease in children. The search for genetic causes of CAKUT has led to genetic diagnosis in approximately 5–20% of CAKUT patients from Western countries. In this study, genetic causes of CAKUT in Korean children were sought using targeted exome sequencing (TES) of CAKUT-related genes. A total of 94 patients with CAKUT were recruited. We performed TES of 60 genes that had been reported to cause CAKUT in human or murine models. Copy number variations (CNVs) of targeted genes were assessed using in-house relative comparison method. Pathogenic single nucleotide variants (SNVs) and CNVs were re-confirmed by Sanger sequencing and array comparative genomic hybridization, respectively. We identified genetic causes in 13.8% of the 94 recruited patients. Pathogenic SNVs of five known disease-causing genes, HNF1B, PAX2, EYA1, UPK3A, and FRAS1 were found in 7 cases. Pathogenic CNVs of 6 patients were found in HNF1B, EYA1, and CHD1L. HNF1B mutation was the most common genetic cause and was associated with various renal phenotypes. Genetic abnormality types did not significantly differ according to CAKUT phenotypes. Patients with pathogenic variants of targeted genes had syndromic features more frequently than those without (P <0.001). Kaplan-Meier survival curves showed that the presence of genetic mutations did not affect the renal survival (Log-rank test, P =0.280). This is the first genetic analysis study of Korean patients with CAKUT. We showed that TES could provide a cost-effective means for detecting both SNV and CNV for the genetic diagnosis of CAKUT. However, only one-seventh of patients were found to have pathogenic mutations in known CAKUT-related genes, indicating that there are more CAKUT-causing genes or environmental factors to discover.

선천성 신 요로 기형은 소아 만성신질환의 가장 흔한 원인으로 서구 국가에서 약 5-20%에서 유전적 원인이 밝혀졌으나 한국인에서 이에 관한 연구가 없었다. 본 연구는 표적유전자 염기서열분석을 통해 한국 소아 선천성 신 요로 기형 환자에서 유전적 원인을 찾고자 하였다. 문헌 검색을 통해 선천성 신 요로 기형의 원인 유전자로 알려진 60 개의 표적유전자를 선정하였다. 영상검사를 통해 선천성 신 요로 기형으로 진단된 환자 94명을 대상으로 표적유전자 염기서열분석을 시행하여 단일염기변이와 복제수 변이를 확인하였다. 표적유전자 염기서열분석을 통해 밝혀진 단일염기변이와 복제수 변이는 각각 생거 염기서열분석과 배열 비교 유전체 혼성화법으로 확인하였다. 94명의 환자 중 13명 (13.8%)에서 유전적 원인을 확인하였다. 7명의 환자에서는 HNF1B, PAX2, EYA1, UPK3A, FRAS1 유전자의 단일염기변이가 확인되었고 6명의 환자에서는 HNF1B, EYA1, CHD1L 유전자를 포함한 복제수 변이가 확인되었다. HNF1B 유전자 변이가 가장 흔했고 해당 유전자 변이를 가지고 있는 환자는 다양한 형태의 선천성 신 요로 기형과 신장 외 질환을 동반하였다. 유전자 이상의 종류와 선천성 신 요로 기형의 표현형은 연관성이 없었다. 증후군성 선천성 신 요로 기형 환자에서는 유전적 이상이 빈번하였다 (P <0.001). 유전자 이상 여부에 따른 신기능 생존에 차이는 없었다 (Log-rank test, P =0.280). 본 연구는 선천성 신 요로 기형 한국인 환자에서 유전자 이상을 확인한 최초의 연구이다. 선천성 신 요로 기형의 유전자 진단에서 표적유전자 염기서열분석이 단일염기변이와 복제수 변이를 모두 검출하는데 효과적인 방법일 수 있다. 선천성 신 요로 기형 관련 유전자 검사에서 환자의 7분의 1만이 병원성 변이를 갖고 있는 것으로 확인되었기 때문에 향후 밝혀지지 않은 다른 유전자 이상 또는 환경적 요인의 영향을 밝히기 위한 추가적인 연구가 향후 필요하다.