DNAㆍRNA복제의 메카니즘(3) : 돌연변이 유전

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<돌연변이 유전>

DNA 복제, 전사가 정확하게 일어나기 위해서는 염기쌍 형성이 확실하게 일어나야 한다. 그런데 이들 과정에서 실수가 일어나는데 그 실수의 결과는 DNA만 유전될 수 있기 때문에 가장 심각하다. 앞에서 다소 설명했지만 이들 중 유전정보에서 유전할 수 있는 변화를 돌연변이(mustation)이라 한다. 단세포 생물에서 일어나는 어떤 돌연변이는 세포가 분열할 때 딸 세포로 전달된다. 다세포 생물에서는 유전의 틀에서 두 가지 일반적인 형태로 돌연변이가 일어난다.

발달 초기에 발생하는 체세포 돌연변이는 일반적으로 신체 세포의 더 큰 부분에 존재

첫째는 체세포 돌연변이(somatic mustation)로 배우자가 아닌 몸의 세포에서 일어난 것이다. 이들 돌연변이는 유사분열 후에 딸세포에, 그리고 차례대로 이들 세포의 자손에 전해진다. 예를 들어 단 하나의 피부 세포에 있는 돌연변이는 모두 같은 DNA 돌연변이를 갖고 있는 피부세포의 반점이 될 수 있다.

둘째는 생식세포 돌연변이(germ-line mutation)로 배우자가 될 세포에서 일어난 것이다. 돌연변이를 갖는 배우자는 수정이 일어날 때 그 돌연변이를 새로운 생물체에 전달한다.

 

유전물질에서는 아주 작은 변화일지라도 때때로 표현형에서 매우 큰 변화가 나타날 수 있다. 왜소증이나 한 손에 다섯 개 이상 손가락이 존재하는 것도 이런 이유다. 반면에 전혀 관찰되지 않는 것도 있다. 즉 어떤 돌연변이는 어떤 제한된(restriction)조건에서만 그들의 표현형을 일으켜 다른 허용된(permission) 조건에서는 탐지될 수 없다. 이런 돌연변이를 갖고 있는 생물체를 조건돌연변이체(conditional mutant)라 부른다. 많은 조건돌연변이체는 온도에 민감하여 예를 들어 30도와 같은 허용된 온도에서는 정상적으로 자라지만 37도와 같이 고온에서는 자랄 수 없는 경우가 있다. 모든 돌연변이는 DNA의 뉴클레오티드 서열에서 변화가 일어난 것이다. 이를 두 가지 범주로 나눈다.

 

① 점돌연변이(point mutation)

점돌연변이는 단일 유전자의 돌연변이를 뜻한다. 뉴클레오티드의 서열이나 수에서 작은 변화가 일어났거나 심지어는 한 뉴클레오티드가 다른 것으로 치환된 것과 같은 아주 작은 변화가 일어났기 때문에 한 대립유전자가 다른 대립유전자로 된다.

생어 염기서열 분석 으로 알아낸 점 돌연변이 (A에서 G로 바뀜)

② 염색체 돌연변이(chromosomal mutation)

염색체 돌연변이는 점돌연변이보다 광대한 변화를 일으킨다. 그들은 실제로 어떤 유전 정보를 제거하지 않고 DNA 단편의 위치나 방향을 변화시키거나 DNA 단편을 회복할 수 없도록 소실시키기도 한다.

 

대부분의 돌연변이는 새로운 DNA 사슬이 합성되는 동안 하나의 뉴클레오티드가 다른 것으로 치환되는 점돌연변이인데 염색체 돌연변이가 때때로 큰 변화를 일으키기도 한다. DNA 분자는 절단되고 다시 접합되어 총체적으로 유전정보의 서열을 혼란시킬 수 있다. 이들 염색체 돌연변이에는 네 가지 형태가 있는데 결실(deletion), 중복(duplication), 역위(inversion), 그리고 전좌(translocation)다.

결실은 유전물질의 일부가 제거된 것으로 때때로 심각한 영향을 미칠 수 있다. 중복은 상동염색체가 다른 위치에서 절단되고 그 후 다시 잘못된 파트너와 재결하면 중복이 일어난다. 일반적으로 이 메커니즘에 의하여 생산된 두 분자 중의 하나에는 DNA 단편이 없다. 즉 결실을 겪는다. 절단과 재접합은 또한 DNA 단편을 제거하고 이를 다시 같은 장소에 그러나 말단이 서로 뒤집힌 상태로 삽입시킴으로써 그 방향이 거꾸로 된 역위가 일어날 수 있다. 이 경우 형성된 단백질은 극적으로 변형되어 거의 대부분 기능을 수행할 수 없다. 전좌는 DNA 단편이 절단되고 한 염색체로부터 이동하여 다른 염색체에 삽입될 때 일어난다. 전좌는 감수분열 과정에서 시냅스를 어렵게 만드는 것은 물론 때때로 염색체가 없거나 초과된 상태가 되기도 한다.

이러한 돌연변이는 외부의 어떤 영향도 받지 않고 일어나는 영구변화인 자연발생 돌연변이(spontaneous mutation)와 외부의 물체가 DNA에 영구적인 변화를 초래할 때 일어나는 유도 돌연변이(induced mutation)으로 나뉜다. 자연발생돌연변이는 단지 세포의 기구가 불완전하기 때문에 일어나는데 네 개의 뉴클레오티드 염기가 불안정하거나 DNA 중합효소가 복제과정에서 실수를 하든가 감수분열이 완전치 않을 때 일어난다.

유도돌연변이가 그동안 과학의 발전으로 인해 초래되기도 하는 돌연변이다. 어떤 화학물질은 공유적으로 뉴클레오티드 염기를 변화시킨다. 예를 들어 아질산과 그 관련 물질은 탈아미노화에 의해 DNA에 있는 시토신을 우라실로 바꿀 수 있다. 어떤 화학물질은 화학기를 염기에 첨가시키기도 한다. 담배 연기에 함유된 벤즈피렌은 구아닌에 거대 화학기에 첨가하여 염기 쌍이 형성되지 못하도록 유도한다.

자외선은 피리미딘 이합체 를 일으켜 DNA를 손상시킬 수 있다 . 인접한 베이스는 사다리를 가로질러가 아니라 서로 결합한다. 왜곡된 DNA 분자는 제대로 기능하지 않다. DNA 복구 또는 복제 에서 실수가 발생하면 돌연변이가 발생할 수 있다

많은 사람들이 관심을 가지는 방사선은 두 가지 방법으로 유전 물질을 손상시킨다. 우선 X선은 자유래디칼이라 불리는 매우 반응성이 큰 화학종을 생산하며 이것은 DNA에 있는 염기를 DNA중합효소에 의하여 인식될 수 없는 형태로 변화시키거나 당-인산 증축을 절단시켜 염색체의 형태로 변화시킨다. 잘 알려진 태양의 자외선은 DNA에 있는 티민에 의해 흡수되어 인접한 뉴클레오티드와 염기간 공유결합을 형성한다. 한마디로 DNA 복제를 엉망으로 만드는 것이다.

사실 돌연변이야말로 진화의 원동력이다. 모든 돌연변이는 드물게 일어나지만 그 빈도는 생물체에 따라 또는 같은 생물체 내에서도 유전자에 따라 다르다. 돌연변이가 그들을 보유한 생물체에 해를 줄 수도 있고 중립 즉 그 생물체가 생존하거나 자손을 낳을 수 있는 능력에 영향을 주지 않을 수도 있다. 그러나 돌연변이가 생물체가 환경에 적응하는 능력을 개선하거나 환경의 변수가 바뀔 때 유리하게 작용하기도 한다.

 

지구상의 대부분의 복잡한 생물체는 단순한 생물체 보다 더 많은 DNA 즉 더 많은 유전자를 갖고 있다. 인간은 원핵생물에 비하여 1,000배나 더 많은 유전물질을 갖고 있다. 만약 전체 유전자가 앞에 설명한 유전 메커니즘에 의해 두 배가 된다면 이는 잉여 유전정보를 갖게 되었다는 것을 의미한다. 이 유전자가 해가 되지 않는 한 반복적으로 돌연변이 되다가 유용한 단백질을 생성하게 된다면 자연선택은 이러한 새로운 사본의 유전자가 유익한 변화를 초래했다고 볼 수 있다. 한마디로 계속하여 유용한 유전자는 계속 전달될 수 있다는 뜻이다.

 

<RNA 연구의 문제점>

유전에 대한 비약적인 발전으로 RNA가 자기조직화로 형성되고 자신의 복제를 스스로 촉매할 수 있는 속이 알찬 분자임이 밝혀졌다. 학자들은 생명이 점점 성숙해짐에 따라 진화에도 노동분업이 되었음을 발견했다. DNA 이중나선은 안정된 정보자료실 기능을 가지며 복잡하게 접힌 단백질은 대체로 촉매기능을 담당한다는 것이다.

RNA가 생명탄생의 결정적인 역할을 하고 있지만 걸림돌이 상존한다.

첫째로 가장 큰 걸림돌은 생명 탄생 이전의 조건에서는 RNA를 만들기 어렵다는 것이다. RNA분자는 5탄당(다섯 개의 탄소가 있는 당)인 리보오스와 인산기(PO43-)가 사슬처럼 결합된 뼈대를 갖추고 있다. 당에는 4종류의 탄소와 질소가 고리를 이루고 있는 염기가 붙는다. 염기는 쉽게 합성할 수 있는데 예를 들어 1961년 스페인의 후안 오로(juan Oro)가 4종류의 염기 중 하나인 아데닌을 다섯 분자의 시안화수소의 결합으로 직접 만들기도 했다.

후안 오로(1923~2004)

그러나 리보오스는 그렇게 간단하게 설명되지 않는다. 당은 학자들이 초기의 지구에 존재했을 것으로 추정하는 포름알데히드가 들어 있는 용액에 합성될 수 있다. 하지만 리보오스는 그렇게 생기는 수많은 화합물의 하나로 더군다나 비주류다.

이 비주류가 어떻게 생물 탄생 이전의 지구에서 중앙무대로 진출할 수 있었는가에 대해서는 아직 분명하지 않다. 더욱 골머리 아프게 하는 것은 설사 올바른 구성요소들을 합성할 수 있다해도 그들을 결합해 핵산(DNA, RNA)의 기본 단위인 뉴클레오티드를 만드는 일이 만만치 않다. 현재까지 그 방법은 나오지 않았다.

또 다른 걸림돌은 뉴쿨레오티드가 키랄 분자라는 점이다.

이런 분자는 사람의 오른손과 왼손처럼 서로 거울상이지만 포개질 수 없는 형태를 띤다.

RNA는 오른 나선형으로도 왼 나선형을 만들 수 있지만 두 가지가 혼합된 RNA는 없다. 그런데 왼 나선형과 오른 나선형이 반반씩 섞인 뉴클레오티드에서 어떻게 RNA(세포에서 오른 나선형 뉴클레오티드만으로 이루어짐)가 탄생했는지 아무도 모른다.

이 문제는 워낙 어려운 질문들을 포함하고 있으므로 많은 과학자들이 RNA가 생명의 원천적인 부자였다는 가설을 포기했다. 즉 생명 탄생 이전의 전화는 합성과 중합이 훨씬 쉬운 ‘손 대칭성’이 없는 분자들에서 시작되었다는 것이다. 실제로 비(非) 키랄 분자로 핵산처럼 이중나선을 이루는 화합물을 실험실에서 비교적 간단하게 만들 수 있다. 더구나 이런 화합물 가운데 최소한 한 개(펩티드 핵산)는 자신과 대응하는 상보적인 RNA가닥을 형성하도록 지시할 수 있는데 이것은 진화의 과정에서 원초의 전구체가 RNA로 대체되었다는 가설을 뒷받침하지만 아직 완성된 이론은 아니다.

 

참고문헌 :

「RNA로 유전병 고친다」, 김연수, 과학동아, 2004년 11월

「올 노벨 화학상에 콘버그 교수」, 박방주, 중앙일보, 2005.10.5

「올 노벨의학상…난치병 치료 새로운 길 열어」, 이명진, 매일경제, 2006.10.3.

「유전자 변이, RNA(리보핵산·DNA서 복사된 유전물질)서도 발생… 생물학적 중대 발견, 이충환, 조선일보, 2011.07.04.

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『생명 생물의 과학』, 윌리엄 K. 푸르브, 2003

『현대 의학, 그 위대한 도전의 역사』, 예병일, 사이언스북스, 2004

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