[기초유전학 기초 개념] 08. 돌연변이와 유전자 변이 2️⃣ (유전자 변이와 유전질환, 돌연변이의 진화적 역할)

유전자 변이와 유전질환

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유전적 변이의 개념

유전적 변이란?

 

유전적 변이(genetic variation)는 생물체의 DNA 서열에서 발생하는 차이를 의미합니다. 이러한 차이는 돌연변이로 인해 발생하며, 개체 간의 유전적 다양성의 원천입니다. 즉, 개체마다 고유한 유전자 구성을 갖게 하여, 특정 특성이나 질병에 대한 민감도가 달라질 수 있습니다.

 

유전적 변이의 유형

 

유전적 변이는 여러 형태로 나타날 수 있습니다:

• 점 돌연변이 (Point Mutation): DNA 서열의 한 염기가 다른 염기로 치환되는 변이입니다. 이는 단일 유전자에서 일어날 수 있으며, 결과적으로 단백질의 구조나 기능에 영향을 미칠 수 있습니다.
• 염색체 변이: 염색체 구조의 큰 변화(예: 결실, 중복, 전좌)로 인해 큰 규모의 유전자 변이가 일어납니다.
• 다형성 (Polymorphism): 특정 유전자 자리(locus)에서 발생하는 유전적 변이 중, 인구 집단 내에서 상대적으로 흔한 변이를 말합니다. 예를 들어, 단일 염기 다형성(SNP: Single Nucleotide Polymorphism)이 이에 해당됩니다.

유전적 변이의 중요성

 

유전적 변이는 진화적 적응과 질병에 대한 감수성에 중요한 역할을 합니다. 예를 들어, 어떤 변이는 특정 환경에서 유리하게 작용해 그 변이가 있는 개체가 더 잘 생존하고 번식하게 할 수 있으며, 이를 통해 자연 선택이 이루어집니다. 하지만 유전적 변이는 종종 질병의 원인이 되기도 합니다. 다음은 유전적 변이가 질병과 어떻게 연관되는지를 설명하겠습니다.

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유전질환과의 관련성

유전적 변이가 질병을 일으키는 방식은 단일 유전자 돌연변이에 의한 질환과 다인자적 변이에 의한 질환으로 나눌 수 있습니다.

 

단일 유전자 돌연변이에 의한 질환

 

단일 유전자 돌연변이에 의한 질환은 특정 유전자에서 발생하는 돌연변이가 그 유전자의 기능에 중대한 영향을 미쳐 생기는 질병입니다. 이러한 질병은 주로 멘델 유전 방식에 따라 유전됩니다.

 

(1) 낫 모양 적혈구 빈혈 (Sickle-cell anemia)

• 유전자: 이 질환은 HBB 유전자의 베타-글로빈(beta-globin) 단백질을 암호화하는 유전자에서 의미 변화 돌연변이(missense mutation)가 발생하여 생깁니다.
• 돌연변이: 구아닌(G)이 아데닌(A)으로 치환되면서, 6번 코돈이 글루탐산(Glutamic acid) 대신 발린(Valine)을 암호화하게 됩니다.
• 결과: 정상적인 베타-글로빈 단백질이 아니라, 산소가 부족할 때 낫 모양으로 변하는 비정상적인 헤모글로빈이 만들어집니다. 이로 인해 적혈구가 단단하고 비정상적인 모양이 되어 혈관을 막고, 산소 운반 능력이 떨어집니다.
• 유전 방식: 상염색체 열성 유전으로, 두 개의 돌연변이 대립유전자를 모두 물려받아야 질병이 발현됩니다.

(2) 페닐케톤뇨증 (Phenylketonuria, PKU)

• 유전자: PAH 유전자에서 발생하는 돌연변이로 인해 페닐알라닌 하이드록실레이스(Phenylalanine hydroxylase)라는 효소가 제대로 작동하지 않습니다.
• 결과: 페닐알라닌을 티로신으로 전환하는 과정이 제대로 이루어지지 않아, 페닐알라닌이 체내에 축적되고, 이로 인해 뇌 발달에 장애가 생깁니다.
• 유전 방식: 상염색체 열성 유전으로, 두 개의 돌연변이 대립유전자를 물려받으면 발병합니다.
• 치료: 식이 요법을 통해 페닐알라닌 섭취를 제한하여 질병의 진행을 막을 수 있습니다.

(3) 낭포성 섬유증 (Cystic Fibrosis)

• 유전자: CFTR 유전자에서의 돌연변이에 의해 발생합니다.
• 결과: 이 유전자는 세포 내 염화 이온 통로를 만드는 단백질을 암호화하는데, 돌연변이로 인해 이 통로가 제대로 기능하지 않으면 점액이 끈적끈적해지고, 폐와 소화 기관에 점액이 쌓여 다양한 질병을 초래합니다.
• 유전 방식: 상염색체 열성 유전입니다.

이처럼 단일 유전자 돌연변이에 의해 발생하는 질병은 특정 유전자 변이가 직접적인 원인이 됩니다. 이러한 질병은 유전자 진단과 치료를 통해 어느 정도 예방하거나 관리할 수 있습니다.

 

다인자적 변이에 의한 질환

 

다인자적 변이에 의한 질환은 여러 유전자와 환경적 요인이 복합적으로 작용하여 발생하는 질병입니다. 이러한 질병은 한 개의 돌연변이가 아닌 여러 유전적 변이들이 질병에 기여합니다. 다인자적 질환은 복잡하고, 유전적 요인과 환경적 요인의 상호작용이 중요한 역할을 합니다.

 

(1) 암 (Cancer)

• 유전자: 암은 특정한 돌연변이가 축적되어 세포의 통제되지 않는 증식을 유발합니다. 암의 원인이 되는 돌연변이는 종양 억제 유전자(Tumor suppressor gene)나 종양 촉진 유전자(Oncogene)에서 발생할 수 있습니다.
• 예시: TP53 유전자는 중요한 종양 억제 유전자인데, 이 유전자에 돌연변이가 생기면 세포 분열이 통제되지 않아 암이 발생할 수 있습니다.
• 환경적 요인: 암 발생은 유전적 요인뿐만 아니라 흡연, 방사선 노출, 화학 물질 등의 환경적 요인과 상호작용합니다.

(2) 당뇨병 (Diabetes)

• 유전자: 당뇨병은 여러 유전자 변이가 복합적으로 작용하는 질환입니다. 예를 들어, INS 유전자와 TCF7L2 유전자의 변이가 2형 당뇨병의 위험을 증가시킬 수 있습니다.
• 환경적 요인: 비만, 운동 부족, 식습관 등의 환경적 요인도 당뇨병 발병에 중요한 역할을 합니다.
• 다인자적 질환: 당뇨병은 단일 유전자의 돌연변이로 인해 발생하는 것이 아니라 여러 유전적 변이와 환경적 요인이 복합적으로 작용합니다.

(3) 심혈관 질환 (Cardiovascular Disease)

• 유전자: 심혈관 질환도 유전적 변이와 생활 습관(예: 흡연, 운동 부족, 고지방 식단)이 결합하여 발생하는 대표적인 다인자적 질환입니다.
• 예시: LDLR 유전자나 APOE 유전자의 변이는 콜레스테롤 대사에 영향을 미쳐, 고지혈증과 심혈관 질환 위험을 증가시킬 수 있습니다.

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돌연변이의 진화적 역할

돌연변이는 진화의 중요한 원동력 중 하나로, 생물체가 환경 변화에 적응하고 다양성을 유지하는 데 핵심적인 역할을 합니다. 여기서는 돌연변이가 진화에 어떻게 영향을 미치는지, 그리고 자연선택과 중립 진화 이론의 관점에서 돌연변이가 어떤 역할을 하는지 자세히 설명하겠습니다.

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자연선택과 돌연변이

자연선택(Natural Selection)은 찰스 다윈에 의해 처음 제시된 개념으로, 생물체의 개체 중 특정한 변이를 가진 개체가 더 잘 생존하고 번식할 가능성이 높다는 이론입니다. 이러한 과정에서 돌연변이는 자연선택을 통해 유익한 변이가 후손에게 전달되면서 진화의 원동력이 됩니다.

 

돌연변이와 적응

 

돌연변이는 생물체의 유전자 서열에 변화를 일으키고, 그 결과로 새로운 형질(phenotype)이 나타납니다. 이 형질이 환경에 유리하게 작용하면 그 개체는 더 많은 자손을 남기게 되어, 해당 돌연변이가 자연선택을 통해 후손에게 전달됩니다.

• 예시: 항생제 내성은 자연선택과 돌연변이의 한 예입니다. 세균 집단에서 돌연변이가 일어나 항생제에 저항성을 갖게 된 세균이 생기면, 항생제에 의해 다른 세균이 제거된 후에도 내성을 가진 세균은 살아남아 번식하게 됩니다. 시간이 지나면, 항생제 내성을 가진 돌연변이가 널리 퍼지게 되죠. 이 과정에서 돌연변이가 진화를 이끌어가는 역할을 합니다.

유리한 돌연변이와 불리한 돌연변이

• 유리한 돌연변이 (Beneficial Mutation): 돌연변이가 생물체에 이득을 주는 경우입니다. 예를 들어, 환경이 변화했을 때, 새로운 조건에서 생존에 유리한 형질을 나타내는 돌연변이가 발생하면 그 개체는 더 많이 살아남아 번식할 가능성이 높습니다.
  • 예시: 피부 색깔은 인류가 다른 환경에 적응하는 과정에서 진화한 형질입니다. 강한 자외선에 노출되는 지역에서는 멜라닌이 풍부한 짙은 피부가 유리하지만, 자외선이 적은 지역에서는 비타민 D 합성을 촉진하는 밝은 피부가 더 유리합니다. 이러한 적응이 돌연변이와 자연선택을 통해 이루어졌습니다.
• 불리한 돌연변이 (Deleterious Mutation): 돌연변이가 생물체의 생존과 번식에 불리한 영향을 미치는 경우입니다. 불리한 돌연변이를 가진 개체는 자연선택 과정에서 도태될 가능성이 높으며, 돌연변이가 다음 세대로 전달될 확률이 낮습니다.
  • 예시: 특정 유전자에서 발생한 돌연변이가 단백질 기능을 심각하게 손상시키거나 질병을 일으키면, 이러한 변이는 일반적으로 자연선택을 통해 제거됩니다.

중립적인 돌연변이의 역할

 

모든 돌연변이가 생물체의 생존이나 번식에 유리하거나 불리한 것은 아닙니다. 중립 돌연변이는 생물체의 적응력에 영향을 미치지 않는 돌연변이로, 자연선택의 직접적인 영향을 받지 않지만, 시간에 따라 유전자 풀(pool)에서 축적될 수 있습니다.

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중립 진화 이론 (Neutral Theory of Molecular Evolution)

중립 진화 이론은 1968년 일본의 유전학자 기모라 모토(Kimura Motoo)가 제안한 이론으로, 대부분의 유전적 변이는 자연선택이 아니라 유전적 부동(genetic drift)에 의해 진화 과정에서 고정된다는 개념입니다. 이 이론은 특히 분자 수준에서의 진화를 설명하는 데 유용하며, 중립 돌연변이가 진화에 미치는 영향을 중점적으로 다룹니다.

 

중립 돌연변이란?

• 중립 돌연변이(neutral mutation)는 생물체의 생존이나 번식에 유의미한 영향을 주지 않는 돌연변이입니다. 즉, 특정 유전자의 변이가 일어나도 단백질 기능이나 표현형에 거의 영향을 미치지 않는 경우입니다. 중립 돌연변이는 다음과 같은 상황에서 발생할 수 있습니다:
• 비암호화 영역의 돌연변이: 많은 돌연변이는 유전자 서열이 아닌 비암호화(non-coding) DNA 영역에서 발생합니다. 이들 돌연변이는 단백질 합성에 영향을 미치지 않아, 생물체에 유리하거나 불리한 영향을 주지 않을 수 있습니다.
• 암호화 영역에서의 침묵 돌연변이: 유전자 암호의 퇴행성(codon degeneracy)으로 인해, 염기 서열이 바뀌어도 여전히 같은 아미노산이 암호화될 수 있습니다. 예를 들어, CAA와 CAG는 모두 글루타민(Glutamine)을 암호화하기 때문에, 이와 같은 침묵 돌연변이(silent mutation)는 단백질의 기능에 영향을 주지 않습니다.

유전적 부동 (Genetic Drift)

 

중립 돌연변이는 유전적 부동에 의해 고정되거나 사라질 수 있습니다. 유전적 부동이란, 작은 집단에서 우연에 의해 특정 대립유전자가 다음 세대에 더 많이 전달되거나 사라지는 현상입니다. 이는 자연선택과는 무관하게 발생하며, 특히 집단 크기가 작을수록 유전적 부동의 효과가 더 큽니다.

• 유전적 부동의 예시: 작은 인구집단에서 특정 중립 돌연변이를 가진 개체가 생존과 번식에 성공하면, 그 변이가 집단 전체로 퍼질 가능성이 있습니다. 그러나, 이 변이가 개체군 내에서 반드시 유리하거나 불리한 형질을 제공하는 것은 아닙니다.

중립 진화 이론의 중요성

 

중립 진화 이론은 분자 수준에서의 진화를 설명하는 데 큰 의미가 있습니다. DNA나 단백질 서열에서 발견되는 많은 변이는 개체의 생존에 직접적인 영향을 미치지 않기 때문에, 자연선택보다는 유전적 부동과 같은 우연적 과정에 의해 유지됩니다. 이는 분자생물학 연구에서 유전자 서열 변화의 원인을 이해하는 데 중요한 기초를 제공합니다.

• 분자 시계(Molecular Clock): 중립 진화 이론에 따르면, 중립 돌연변이가 시간이 지남에 따라 일정한 속도로 축적되므로, 분자 시계로서의 역할을 합니다. 이 방법은 서로 다른 종 간의 분기 시점(예: 인류와 침팬지의 분기)을 추정하는 데 사용됩니다.

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자연선택과 중립 진화의 상호작용

자연선택과 중립 진화는 서로 대립적인 개념이 아니라, 상호 보완적으로 진화를 설명합니다. 대부분의 변이는 중립적이지만, 환경 변화에 의해 특정 변이가 선택 압력에 노출될 수 있습니다. 예를 들어, 어떤 변이는 평소에는 중립적이지만, 환경 변화에 따라 유리하게 작용할 수 있습니다.

• 환경 변화와 적응: 환경이 변하면 그동안 중립적으로 여겨졌던 변이가 새로운 선택압에서 유리하게 작용할 수 있습니다. 이러한 과정에서 자연선택과 중립 진화가 함께 작용하여 새로운 형질이 생물체에 고정될 수 있습니다.

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이 글에서는 유전적 변이의 개념과 유형, 그리고 그 변이가 유전질환 및 진화 과정에서 어떻게 작용하는지에 대해 다뤘습니다. 유전적 변이는 생물의 다양성을 만들어내는 중요한 원동력이며, 질병과 적응에 큰 영향을 미칩니다. 돌연변이가 질병을 일으킬 수 있지만, 동시에 생물체가 환경 변화에 적응하고 생존할 수 있도록 돕기도 합니다. 이러한 유전적 변이와 진화의 상호작용을 이해하는 것은 현대 생물학에서 중요한 주제입니다.