[유전학] 9.2 : 행동 우선 접근법과 유전자 우선 접근법

 

 

이번 포스트에서는 행동유전학 연구를 위해 사용 가능한 두 가지 방법론에 대해 알아보자.

 

 

행동 우선 접근법(behavior-first approach)

 

behavior-first approach를 수행하기 위해서는 우선 행동이상을 발견해야 함. 실제로는 특정한 행동이상을 보이는 녀석끼리 교배를 반복해 같은 환경에서의 일반 group과 비교하는 과정을 거치게 됨. 이 때 일반 group과 이상행동을 보이는 group이 완전히 다른 행동양상을 보인다면, 이 경우 그 행동은 genetic하게 regulation되는 것임을 알 수 있음. (한편 별 차이가 없다면 이 행동양상은 environmental하게 regulation되는 것임을 알 수 있음)

 

 

 

 

위 그림은 주지성을 이용한 초파리의 behavior-first approach 연구법을 보여주고 있음. 이 때 주지성이란 중력을 인지한 후 중력과 반대방향으로 가고자 하는 성질을 의미함.

 

 

실제로 Hirsch와 그의 동료들은 위 그림과 같은 미로를 이용해 한번에 200마리씩을 test함. 그리고 오랜 세대에 걸쳐 이러한 실험을 수행하고, 행동적 pattern에 따라 strain들을 선별함.

 

 

 

 

 

그 결과가 위와 같음. 보면 positive strain의 경우 주지성을 유지하는 반면 negative strain의 경우 주지성이 파괴되어서 오히려 중력 방향으로 가는 것을 알 수 있음.

 

 

Hirsch 외 연구자들은 이와 같은 연구를 40년간 수행함. 그런데 그 연구의 결과 그냥 주지성이 polygenic(여러 유전자가 관여)이라는 것밖에 밝혀내지 못함.

 

 

 

즉 이와 같은 behavior-first approach는 너무 많은 시간과 노동력을 요한다는 단점이 있음. 이러한 단점을 극복하고자 후에 제안된 기법 중 하나가 바로 microarray임.

 

 

 

위 그림에는 microarray와 관련된 단순한 모식도가 나타나 있으므로 참고할 것.

 

 

실제로 microarray의 기판에 초파리 관련 gene들을 embed시켜놓은 다음 mRNA를 뿌려서 색을 위와 같이 확인해봄. 그럴 시 mRNA의 발현양을 비교할 수 있음.

 

 

이런 방법을 이용해서 주지성에 관여하는 cryptochrome(cry), pendulin(Pen), pigment-dispersing-factor(Pdf) 3개의 gene들을 바로 찾아냄.

 

 

+) 참고로 초파리는 1세대 배양 시 2주가 소요되고 대장균은 1세대 배양 시 20분이 소모됨. (이 때 일반적으로 대장균의 분열시간은 40분이지만, 반쯤 분열될 시 바로 다시 분열이 시작되므로 평균을 구할 시 한 세대 증식하는데 20분이 소요된다고 볼 수 있음)

 

 

 

유전자 우선 접근법 (gene-first approach)

 

gene-first approach를 이용하면 복잡한 행동적 변화에 대한 각각의 단일 gene의 영향을 정량적으로 연구할 수 있음.

 

 

실제로 초파리 mutant 연구를 통해서 전기생리학적 신호가 전달되는데 이상이 있어서 유발되는 행동장애에 관련된 gene들을 찾아냄. 이렇게 찾아낸 대표적인 gene들이 paralytic gene과 shaker gene임. paralytic gene은 sodium channel을 encoding하는 gene이고 shaker gene은 potassium channel을 encoding하는 gene임.

 

이 gene들은 사람에게도 잘 보존되어 있으며, 실제로 이들 gene은 사람에게서 중요한 ion channel을 찾아내는데 활용됨.

 

 

실제로 대부분의 유전학 분야에 있어서는 초파리 유전학 연구가 선두에 있는 경우가 많은데, 이는 연구하기가 수월하기 때문에 초파리 model이 가장 먼저 시도되는 model이어서임.

 

 

 

다음으로 초파리를 model system으로 해서 학습과 기억 등과 관련된 유전자를 연구한 결과에 대해 살펴보자.

 

 

기억 관련 연구는 초파리와 달팽이에게서 많이 이루어져 있음. 이 중 초파리의 경우 유전자를 찾기 쉽고, 기억(특히 냄새 기억)을 잘 하는 특징이 있어서 많이 사용되었고, 달팽이의 경우 전기적 자극을 주기 쉬워서 많이 사용됨. (참고로 초파리의 neuron은 약 1,500여개임)

 

 

 

 

Benzer 박사는 위 그림에 나타나 있는 olfactory-based shock avoidance learning system이라는 방법을 사용해서 향기와 전기 shock의 조합을 이용해 연구하였음. 쉽게 말해 이 방법을 이용해서 특정 냄새와 함께 고통을 줘봄. 이후 초파리를 다시 위와 같은 환경에 넣을 시 초파리가 어떤 냄새를 선택하는지를 확인해봄.

 

 

이런 식의 연구를 통해 초파리의 후각기억을 test하였고, 더 나아가 각종 mutant들에게서 기억능력이 얼마나 달라지는지를 확인함.

 

 

 

그 결과 위 표에 나타나 있는 것과 같이 기억과 관련된 여러가지 gene들을 찾음.

 

 

 

 

 

이 때 흥미로운 사실 중 하나는, 기억을 하는 데 있어 ATP→cAMP로의 전환이 중요하다는 것임. 실제로 rutabaga gene이 adenylyl cyclase를 activation시켜서 그 결과 cAMP가 만들어지게 되는데, 이 때 이 cAMP가 바로 K+ channel open에 관여할 시 short term memory가 형성되고 cAMP가 핵 내의 CREB을 activation해서 전사를 조절할 시 long term memory가 형성되게 됨. 이런 식의 기억작용은 특히 Drosophila brain의 mushroom body에서 많이 일어남. 그렇기에 mushroom body는 초파리의 학습, 기억에 매우 중요한 부분으로 역할을 함. (사람의 해마에 해당)

 

 

+) 암컷 초파리는 정자를 저장해뒀다가 씀. 그런데 정자를 받은 후 다른 수컷이 와서 날개로 구애의 노래를 부를 시 펀치를 통해 수컷을 쫒아냄. 이런식으로 실연당한 수컷은 그 암컷을 기억하게 되고, 그 암컷에게 다시 가지 않게 됨.

 

 

 

다음 포스트에서는 사람 행동과 관련된 유전병에 대해 알아보자.