유전적 변이, 인간 유전체

한 인간의 모든 세포에 존재하는 DNA는 동일하지만, 같은 종의 개체들이라도 유전체는 각 다른 정보를 담고 있습니다. 유전적 변이의 생성 이유와 우리 인간의 유전체 특징에 대해 이번 포스팅에서 다뤄보기로 한다. 

 

인간-유전체

 

 

유전적 변이의 생성

 

완전히 새로운 뉴클레오타이드 서열을 만드는 자연적인 기작은 없다. 그래서 진화는 발명가이기보다는 수선가이다. 즉, 진화는 각 생물체가 조상으로부터 물려받은 DNA를 원료로 사용하여 진행된다. 이러한 관점에서 어떠한 유전자 혹은 유전체도 전적으로 새로운 것은 없다. 그 대신, 놀랄만한 생명체의 다양한 형태와  기능은 모두 이미 존재하던 것들의 변이로 나타난 결과이다. 이러한 변이가 수백만 세대 동안 쌓이게 되면, 축적된 결과는 근본적인 변화를 만들어 낼 수 있다.

 

1. 유전자 내의 돌연변이  : 기존에 존재하고 있는 유전자는 단일 뉴클레오타이드의 변화나, 하나 혹은 여러 뉴클레오타이드의 결실이나 중복에 의해 변할 수 있다.

 

2. 조절성 DNA 서열 내의 돌연변이 : 한 유전자가 언제, 어디서, 발현되는지는 조절성 DNA 서열의 돌연변이에 의해 영향을 받을 수 있다. 예를 들면, 사람과 물고기는 놀라울 정도로 많은 유전자를 공유하고 있지만, 이러한 공통 유전자의 조절과 관련된 변화가 이들 종 사이에 여러 가지 극적인 차이를 가져오게 했다.

 

3. 유전자 중복과 분기 : 한 유전자, 혹은 전체 유전체가 복제될 수 있다. 이 세포가 계속 분열하여 자손세포를 형성할 때 원래의 DNA 서열과 중복된 서열은 각각 서로 다른 돌연변이를 획득할 수 있고, 그 결과로 새로운 기능과 발현 양상이 나타날 수 있다. 

 

4. 수평적 유전자 전달 : DNA 단편은 한 세포의 유전체에서 다른 세포의 유전체, 심지어 다른 종의 유전체로 이동할 수 있다. 이러한 과정은 진핵생물에서는 드물지만 원핵생물에서 흔히 일어나는 과정으로, 부모에서 자손으로 전해지는 일반적인 수직적 유전정보 전달과는 다르다. 

 

 

인간 유전체의 뉴클레오타이드의 서열은 우리 유전자가 어떻게 배열되어 있는지 보여준다

 

 

인간 유전체는 우리가 누구이며, 어디에서 유래했는지에 대한 막대한 양의 정보를 지니고 있다.  총 30억 개의 뉴클레오타이드 쌍으로 이루어진 인간 유전체는 22쌍의 상염색체와 2개의 성염색체를 포함하여 총 23 염색체 쌍에 분포되어 있으면서, 인간을 만드는 데 필요한 모든 정보를 제공한다. 만약 각 뉴클레오타이드 쌍을 1mm 간격으로 나타낸다면, 인간 유전체는 인간의 유래지인 아프리카 중심부를 가로지를 만큼의 거리인 3,200km에 달한다. 

 

한 사람의 전체 유전체의 서열 결정은 단지 1,000달러의 비용만으로 2-3일 안에 가능하다. 또한, 전 세계의 연구자들이 협동하여 수천 명의 인간 유전체로부터 뉴클레오타이드 서열을 수집하여 비교연구를 수행하고 있단다. 이러한 연구 결과로 얻은 넘쳐나는 데이터들은 우리 인간의 종으로서의 단일성과 개체별 개별성에 대한 호기심을 충족시키는 단서를 제공해 줄 것이다. 

 

인간 유전체에서 첫번째 놀라운 특징은 전체 유전체의 단지 2% 미만인 작은 부분만이 단백질을 암호화한다는 것이다. 또한, 인간 DNA의 거의 절반이 진화과정 중에 점차 우리 유전체 상에 정착하게 된 전이유전인자로 판명되었다. 이러한 전이유전인자는 유전체에 정착하는 과정에서 점차적으로 돌연변이를 축적해 왔기 때문에 더 이상 이상 이동할 수없다. 오히려 전이유전인자는 이의 이동이 유전체 상에서 활발히 이루어지던 초창기 진화시대의 유물이라 단정할 수 있게 되었다.

 

인간 유전체의 또 다른 놀랄만한 특징은 단백질을 암호화하는 유전자 수가 생각보다 적다는 것이다. 초기 예측으로는 10만 개 안팎이었다. 정확한 수는 아직도 모르고 있기는 하지만, 현재 단백질을 암호화하는 사람의 유전자 수가 19,000 개이며, 더불어 다른 5,000개의 유전자가 단백질로 번역되지 않는 기능성 RNA를 암호화하고 있는 것으로 추산하고 있다. 이러한 인간 유전자 수의 추정치는 단순한 다세포 동물이 초파리(14,000개), 애기장대 속 식물(28,000개)의 유전자 수와 거의 비슷한 수치이다. 

 

인간에 있어서 단백질을 암호화하는 유전자 수는 예상외로 적지만, 이들의 크기는 유별나게 크다. 인간에서 약 430개의 아미노산으로 구성된 평균 크기의 단백질을 암호화하는데 1,300개 정도의 염기가 필요하다. 하지만 인간 유전자의 평균 길이는 27,000 뉴클레오타이드 쌍이나 된다. 이 DNA의 대부분은 단백질을 암호화하지 않는 인트론이다. 이 방대한 양의 인트론과 더불어, 각 유전자는 자신이 적절한 시기와 장소에서 적당한 양으로 발현되게 조절하는 조절성 DNA 서열과 연결되어 있다. 

 

사람의 경우 이들 조절성 DNA 서열은 수만 뉴클레오타이드 쌍에 걸쳐 퍼져 있으며, 이의 대부분은 간격(spacer) DNA 이다. 이러한 점에서 인간의 유전체는 다른 진핵생물에 비해 훨씬 더 저밀도로 배치되어 있다고 할 수 있다.