[유전학개론]염색체 이상 3부

염색체 이상 - 2

3) 염색체 구조와 배열에서의 변화

염색체 이상의 일반적인 부류가 하나 혹은 그 이상의 염색체에서 상당 부분이 결실, 첨가, 혹은 재배열되는 것을 포함한다. 이 범주에 속하는 것들로 유전자나 염색체의 일부가 결실되거나 중복되는 것, 그리고 염색체 단편이 뒤집어지거나 비상동 염색체들 일부가 교환되거나 혹은 단순히 다른 염색체로 일부분이 이동하는 등의 유전물질 재배열이 있다. 이들 이상들을 논의하기에 앞서, 몇 가지 일반적인 관찰이 적당하리라 생각된다. 이러한 형태의 염색체 변화가 그림 10에 설명되어 있다. 

대부분의 경우에서 이들 변화들은 염색체 축을 따라서 하나 혹은 그 이상의 절단이 생기고, 일부 유전물질이 소실되거나 재배치되기 때문에 일어난다. 염색체들은 자연적으로도 절단될 수 있으나 그 비율은 화학물질이나 방사선에 노출된 세포에서 증가할 수 있다. 비록 텔로미어라는 염색체 말단이 부러진 염색체들의 말단이나 다른 텔로미어에 바로 융합되는 것은 아니라도 절단부위의 말단은 끈끈한 성질이 있어 절단된 말단들이 다시 붙을 수 있다. 절단과 재결하 사건이 원래의 관계를 회복시키지 못하고, 그 변화가 생식세포에서 일어났다면, 이 배우자는 유전된 수 있는 구조적 재배열을 가지게 된다.

만약 이러한 이상이 상동 염색체 하나에서 일어나고 다른 하나에서는 일어나지 않았다면 감수분열의 상동염색체 접합시에 특징적인 쌍형성 모양이 관찰된다. 이러한 패턴은 어떠한 종류의 변화가 일어났었는지를 규명하는데 유용하다. 유전 물질의 소실이나 획득이 일어나지 않았다면 ‘이형접합성으로(heterozygously)' 이상을 가진 개인들은 표현형적으로 영향을 받지 않을 것이다. 그러나 비정상적인 염색체 쌍 형성은 종종 배우자들을 염색체 일부가 중복되거나 결손 되도록 유도한다. 이러한 일이 생기면, 어떤 이상을 가진 자손들에서는 표현형적으로 나타날 확률이 높다.

 

그림 10

① 결실(Deletions)

한 염색체의 하나 혹은 그 이상의 장소에서 절단이 일어나 일부가 사라졌을 때 그 사라진 조각을 결실 혹은 결손이라고 부른다. 결실은 염색체의 말단이나 중간에서 일어날 수 있다. 이들을 각각 말단 혹은 중간 결실이라고 한다(그림 11 a와 b). 동원체 부분을 가지는 염색체 부분은 통상 세포 분열시 유지된다. 반면 동원체가 없는 조각은 유사분열이나 감수분열에서 생긴 딸세포에서 결국 사라지게 된다. 

커다란 중간결실을 가지는 상동염색체와 정상 상동염색체가 접합하기 위해서는 쌍을 이루지 못하는 정상 상동 염색체의 일부가 튀어나와 결실고리(deletion loop) 혹은 보상고리(compensation loop)를 만들어야만 한다(그림 11 c). 5번 염색체 단완의 일부만이 소실도니 묘성 증후군에서처럼 염색체 일부의 소실은 크지 않아도 그 효과가 매우 심각할 수 있다. 결실의 결과로 더 이상의 유전적 정보가 소실되면, 그러한 이상은 종종 치사를 일으킨다. 그러한 염색체 이상은 연구에는 절대로 사용될 가능성이 없다.

 

그림 11

② 중복(Duplications)

유전물질의 어떤 부분-유전자 한 좌위 혹은 염색체의 커다란 일부-이 게놈 상에 한번 이상 나타나는 경우를 중복이라고 한다. 결실에서와 같이, 헤테로 상태의 쌍은 보상 고리를 형성하게 한다. 중복은 감수분열 시 접합한 상동염색체 사이의 불균등한 교차의 결과 혹은 감수분열 이전의 복제 실수에 의해서도 생길 수 있다(그림 12). 전자의 경우에는 중복과 결실이 둘 다 생긴다. 우리는 중복에서 3가지 흥미로운 관점들을 살펴보려고 한다. 첫째는, 중복은 유전적 과잉(genetic redundancy)을 초래할 수 있다. 둘째, 결실에서와 마찬가지로 중복은 표현형적 변이를 일으킬 수 있다. 셋째, 설득력 잇는 한 가설에 따르면 중복은 진화에 있어 유전적 다양성의 주요한 원천이 되어왔다는 것이다.

 

그림 12

 

- 유전자의 과잉 및 증폭: 리보솜 RNA 유전자

비록 많은 유전자 산물들이 한 개체의 모든 세포에서 필요한 것은 아니지만, 어떤 유전자 산물은 세포의 필수 구성성분으로 알려져 있다. 예를 들어, flqhthaRNA(r-RNA)는 단백질 합성을 유지하기 위해 다량으로 존재해야만 한다. 세포가 대사적으로 더 활성적일수록 이 분자들에 대한 요구는 많아진다. rRNA를 만드는 유전자가 한 카피만 있는 것은 많은 세포에서 부적당할 것이라 생각할 수 있다. 분자적인 혼성화 기법을 사용한 실험에서 특정 RNA 서열들을 암호화하는 게놈의 백분율을 결정할 수 있었는데, 이 실험은 위의 생각이 맞았다는 것을 보여준다. 정말로 rRNA에 대한 유전자 다수가 존재했다. 그러한 DNA를 rDNA라고 하며, 이러한 현상을 유전자 과잉(gene redundancy)라고 한다. 

예를 들어 흔한 장내 세균인 E. coli에서는 반수체 게놈의 약 0.4%가 rDNA를 구성한다. 이것은 이 유전자가 5-10 카피로 존재하는 것이다. 초파리에서는 반수체 게놈의 0.3%로 약 130 카피가 존재한다. 같은 유전자에 대한 여러 개의 동일한 복사본이 존재하는 것은 rRNA에 국한된 것은 아니다. 이 절에서 이들에게 초점을 맞춰보고자 한다. 몇몇 세포, 특히 난모세포에서는 rDNA의 평균적인 과잉도 rRNA와 리보솜의 양을 적당량 제공하는데 불충분하다. 남모세포들은 초기 배발달 과정 중에 배에 의해 사용될 세포질에 충분한 양의 영양을 저장해야만 한다. 게다가 다른 어떤 형태의 세포에서보다 난모세포들은 더 많은 리보솜들을 포함한다. 

어떻게 양서류인 Xenopus laevis가 이렇게 많은 리보솜을 충당하는지를 고찰함으로써 rRNA의 양이 증가할 수 있는 두 번째 방법을 알아보도록 하나. 이러한 현상은 유전자 증폭이라고 한다. rRNA를 암호화하는 유전자들은 인형성부위(necleolar organizer region, NOR)라고 알려진 염색체 지역에 존재한다. NOR은 리보솜 생산의 중심인 인과 아주 밀접한 관련이 있다. 분자 혼성화 분석은 개구리에서 NOR 하나가 rRNA를 암호화하는 유전자 400개 복사본들을 포함하고 있음을 보여준다. 이 유전자 숫자도 수정 이후 발달을 지탱하기 위해 이 양서류의 난모세포에 축적되어야 하는 다량의 리보솜을 합성하기에 분명히 부족하다. 

rRNA 유전자들의 숫자를 더 증폭시키기 위해 rDNA는 선택적으로 복제되어 새로운 유전자 세트가 주형으로부터 분리된다. 새로운 복사본 각각이 하나의 NOR에 해당하무로 다수의 작은 인들이 난모세포의 NOR 주위에 형성된다. 약 1500개의 이러한 작은 인들이 하나의 남모세포에서 관찰된다. 이 작은 인들의 수와 NOR 각각에 존재하는 유전자 복사본의 수를 곱한다면 난모세포 내의 증폭이 5십만이 넘는 유전자 복사본을 만든다는 사실을 알 수 있다. 이론적으로 각 복사본 하나가 난모세포의 성숙과정에서 20번만 전사된다고 해도 백만 개가 넘는 리보솜들을 생산할 수 있는 충분한 수의 rRNA가 만들어진다.

 

③ 역위(Inversions)

염색체의 구조적 변화의 또 다른 범주인 역위는 염색체의 일부가 염색체 내에서 180도 돌려진 상태의 염색체 이상이다. 역위는 유전정보의 소실에는 관계가 없고, 단순하게 유전자 서열의 선상배열이 바뀐 것이다. 역위는 염책체의 길이를 따라 두 부위의 절단이 있은 후 뒤집어진 조각이 다시 삽입되는 과정을 요구한다. (그림 13)는 어떻게 역위가 일어나는지를 보여준다. 절단에 앞서 염색체의 고리가 형성되고, 새로 생긴 끈끈한 말단들이 서로 가까이 있게 되어 다시 붙는다. 

뒤집어진 조각은 짧거나 혹은 충분히 길어서 동원체를 포함할 수도 있고 포함하지 않을 수도 있다. 동원체가 이 재배열된 염색체 조각에 포함되지 않으면 이 역위를 편동원체성(paracentric)이라고 말한다. 동원체가 뒤집어진 조각의 일부일 경우는 협동원체성(perocentric)이라는 용어가 사용되며 그림 2-12에 나타나 있다. 비록 역위가 그것을 가지는 개체에 최소한의 영향을 가지는 것으로 나타날지라도 그 결과들은 유전학자들에게는 상당히 흥미로운 것이다. 역위에 대해 헤테로인 개체들은 그들의 자손에 중요한 영향을 미치는 비정상 배우자를 생산할 수 있다.

 

그림 13

 

④ 전좌(Translocations)

전좌는 이름이 함축하는 것처럼 염색체의 일부가 유전체의 다른 부위로 이동한 것이다. 예를 들어 상호전좌(reciprocal translocation)는 비상동 염색체간의 염색체 부분 교환을 뜻한다. 이러한 사건이 일어날 수 있는 가장 쉬운 방법은 두 개의 비 상동성 염색체들의 팔이 서로 충분히 가까워서 염색체 교환이 촉진되는 것이다. 그림 14(a)는 간단한 상호전좌를 보여주는 것으로 여기서는 오직 두 번의 절단만 있으면 된다. 교환사건이 염색체 내부조각을 포함한 것이라면 각각의 염색체 상에서 두 번씩 4번의 절단이 필요하다. 상호전좌의 유전적 결과는 많은 경우에서 역위의 경우와 유사하다.

예를 들어 유전적 정보는 잃거나 획득되지 않는다. 그보다는 단지 유전물질의 재배열만 있는 것이다. 그러므로 전좌의 존재는 그것을 가지는 개체의 생존성을 직접적으로 바꾸지는 않는다. 상호전좌에 이형접합성인 상동염색체들은 감수분열시 비정상 접합을 일으킨다. 그림 2-13(b)에서 보여지는 것처럼, 쌍을 이루는 것이 십자가 형태를 만든다. 역위에서처럼 감수분열 중 이렇게 특이한 배열에 의해 유전적으로 불균형인 배우자들이 생기낟. 그러나 전좌의 경우에서는, 비정상 배우자들이 항상 교차의 결과로 생기는 것은 아니다. 어떻게 붕균형 배우자들이 생기는지 보기 위해 그림 14(b)와 그림 14(c)에서 상동염색체의 동원체를 잘 살펴보면 독립적 분리의 원칙에 따라 1번 동원체를 포함하는 염색체는 첫 번 감수분열 후기에 방추체의 한 극으로 무작위로 이동한다: 

그것은 3번 동원체를 가지는 염색체나 동원체 4를 가지는 염색체와 같이 갈 수 있다. 동원체 2를 가지는 염색체는 동원체 3이나 4를 가지는 염색체와 함께 다른 쪽으로 이동한다. 이로써 4가지 가능한 감수분열 결과가 생긴다. 1, 4번 조합은 전좌가 관여하지 않은 염색체들을 포함한다. 그러나2, 3번 조합은 전좌 염색체들을 가진다. 이들은 완전한 유전정보 조성을 가지며 균형이 잡혀있다. 다른 두 가능성 있는 1, 3과 2, 4 조합은 중복과 결실된 조각을 나타내는 염색체들을 포함한다. 

배우자들에 통합되었을 때 결과적으로 얻어진 감수분열 산물들은 유전적으로 불균형적이다. 만약에 그들이 수정에 참여하게 되면 종종 치사가 나타난다. 상호전좌에 이형접합성인 부모에서 50%의 자손만이 살아남는다. 이러한 조건을 가리켜 반불임성(semisterility)이라고 하는데, 개체의 생식적 적응력에 영향을 미쳐 진화에 작용한다. 더불어 사람의 경우에서는 그러한 불균형 조건은 부분적인 일염색체성이나 삼염색체성을 유발하여 다양한 출산 결함을 일으킨다.

그림 14

2. 자연 유산

염색체 이상은 자연유산의 주요 원인이다. 사람에서 확인된 임신 중 15%는 자연유산을 하게 되고 자연유산의 절반은 염색체 이상에 의한 것이다. 표 2는 몇몇 연구에 의하여 확인된 임신 100,000건 당 태아 염색체 이상의 수로 요약한 것이다. 삼염색체성(trisomic)은 이배체 생물에서 한 개의 염색체를 더 가지고 있는 것을 가리킨다. 많은 자연 유산한 태아들은 상염색체 중의 한 가지가 삼염색체성이다. 삼배체(triploid)는 염색체 세트가 3개인 것을 말하고(사람의 경우 삼배체라면 염색체 수가 69개), 사배체는 4세트의 염색체로 구성된 것(사람의 경우 염색체 수가 92개)을 가리키는데 자연유산에서는 이러한 현상이 흔히 발견된다. 

이배체들은 유전자량의 상대적인 비가 이배체와 같고 정배수체(euploid) 상태의 예로서 삼배체나 사배체 등을 들 수 있다. 반대로 삼염색체성의 경우, 염색체가 3개인 것은 유전자가 3개씩 있게 되지만 나머지 다른 염색체에 있는 유전자는 2개씩 있기 때문에 상대적인 유전자량의 비에 교란이 일어난다. 이와 같이 염색체 구성의 균형이 깨진 것을 이수체(aneuploid)라고 한다. 표 2-2에서는 그 통계가 명확하게 나와 있지 않지만 대부분의 생물에서는 일반적으로 정배수성으로 인한 표현형의 장애가 이수성으로 인한 것보다 덜하다. 예를 들어 초파리 삼배체 암컷은 생존할 수 있고 자손을 낳으며 형태적으로도 정상과 거의 비슷하다. 그러나 두 종류의 대형 염색체 중 어떤 것이 삼염색체성인 경우 초파리는 모두 생존하지 못한다(발생 초기의 유충시절에 죽는다). 

표 2에서 균형전좌(balanced translocation)란 비상동염색체 간에 염색체의 조각이 교환된 배수체를 가리킨다. 그러나 이 경우 위치는 달라졌어도 모든 염색체 부분들이 존재한다. 그러나 불균형 전좌(imbalance translocation)는 유전체의 일부를 상실한 이수체를 가리킨다. 균형전좌에 의하여 염색체 이상이 생긴 생물들이 훨씬 생존력이 강하다는 것은 배수체 염색체 이상이 이수체 염색체 이상보다 훨씬 장애가 덜하다는 것을 가리킨다. 이배체 생물에서 염색체 하나가 없을 때 이를 일염색체성(monosomy)이라 한다. 

대부분의 생물에서 염색체 소실(그 결과 일염색체성이 된다)이 염색체 수의 증가(그 결과 삼염색체성이 된다)보다 흔하게 발생한다. 그러나 일염색체성에 대한 조사 결과는 표 2의 자연유산에 대한 통계에 나와 있지 않다. 이는 틀림없이 일염색체성의 또 다른 특징 때문이다. 인간의 수정에서도 일염색체성이 삼염색체성 접합자 보다 더 흔히 생기지만 이들은 임신을 알아채기 전의 발생초기에 유산되기 때문에 태아에서는 발견되지 않는다. 이를 고려하면 모든 수정한의 10~25%가 이수성을 가지는 것 같다. 표 2-2는 자연유산을 요약한 것이다. 이 표가 아주 많은 자연유산을 대표로 나타낸 것이긴 하지만 이는 많은 태아 죽음의 원인이 주요 염색체 이상으로 인한 발생장애가 태아 죽음을 일으키는 생물학적 요인이라는 것을 가르쳐준다.

 

표 2. 임신부 100,000 당 확인된 염색체 이상의 수

염색체 구성	자연유산된 태아의 염색체 수	신생아의 염색체 수
정상	7,500	84,450
삼 염색체 13 18 21 Other autosomes	128 223 350 3,176	17 13 113 0
성 염색체 47,XYY 47,XXY 45,X 47,XXX	4 4 1,350 21	46 44 8 44
전좌 균형(정배체) 불균형(이수체)	14 225	164 52
배수체 삼배체 사배체 기타(모자이크 등)	1,275 450 280	0 0 49
계	15,000	85,000

 

[Biology/생물학실험] - [유전학개론]염색체 이상 1부

[Biology/생물학실험] - [유전학개론]염색체 이상 2부

[Biology/생물학실험] - [유전학개론]염색체 이상 4부