[유전학] 11.1 : 초파리의 발생과 Hox 유전자

 

 

 

이번 포스트에서는 초파리의 발생과 관련된 유전학적 내용에 대해 알아보자.

 

 

 

 

위 그림에는 genetic analysis의 일반적인 과정이 나타나 있음. 보면 처음에는 일단 mutation이 어디에서 일어났는지를 찾음. 이후 예상되는 cell 종류에서 정말로 특정 gene의 expression이 일어나는지를 확인함. 다음으로 mutant의 phenotype을 바탕으로 gene이 necessary한지를 확인해야 함. 마지막으로 이 특정 gene을 overexpression시킨 뒤 phenotype을 관찰해서 이 gene만으로 특정 형질의 발현이 sufficient한지를 입증하게 됨. 이런 과정을 거쳐서 gene의 function을 identify할 수 있음.

 

 

development라는 event는 cell division, cell movement, cell differentiation, cell death의 cellular event들에 의해 일어나게 됨.

 

 

 

 

development 과정을 연구하기 위해 사용되는 model system에는 다양한 종류가 있는데, 그 중 위 그림에 나타나 있는 fruit fly와 C. elegans가 대표적임. 이 중 특별히 fruit fly는 평균 수명이 60일 정도이며 cultivation이 용이하다 보니 developmental genetics 연구의 선도 model에 해당함. 한편 C. elegans의 경우 평균 수명은 3일 정도이고 수명이 짧으므로 노화 연구를 하기 매우 좋다는 특징이 있음.

 

 

 

+) insulin receptor가 망가진 당뇨 C. elegans일수록 수명이 긴 편이라는 연구결과가 있는데, 이러한 경향은 쥐, 사람에게서도 마찬가지인 것으로 알려져 있음.

 

 

 

 

위 그림에는 fruit fly와 C. elegans 각각에 대한 연구로 노벨상을 수상한 수상자들이 나열되어 있으므로 참고할 것.

 

 

 

 

초파리의 life cycle은 위와 같음.

 

 

 

 

초파리의 경우 위 그림 왼쪽에 나타나 있는 것처럼 embryo 때부터 이미 T1-T3, A1-A8의 체절형성(segmentation)이 완료된 상태임. 그러다가 adult가 되면 위 그림 오른쪽과 같은 식으로 체절이 형성됨. 이 떄 head 부분에는 anntena, mouth, head 등이 존재하며, thorax(가슴체절)에는 T1(leg), T2(wing, notum[등판]), T3(haltere, 일종의 안장같이 생긴 작은 돌출부위)가 존재하며, 그 뒷부분에 abdomen(배 체절)이 존재함. 그리고 이 때 T2의 위쪽 가시돋친 등 부분에 해당하는 곳이 notum임.

 

 

지금부터 segmentation pattern formation과 관련된 각종 mutant들에 대해 알아보자.

 

 

 

첫 번째로 살펴볼 mutant는 바로 Ultrabithorax(Ubx) mutant이며, 이 경우 이름에서도 알 수 있는 것처럼 thorax(가슴)가 2개인 mutant임. 이 mutant는 위 그림 오른쪽에도 나타나 있는 것처럼 T3, 즉 haltere가 없는 대신 T3여야 할 부분이 T2가 되어서 2쌍의 wing과 2개의 notum을 가진다는 것이 특징임.

 

이 경우 T3에서 T2로의 homeotic(same) transformation이 일어났다고 할 수 있음. (즉, T3에서 T2로의 완전한 변형이 일어남)

 

 

Ubx gene은 원래 transcription factor를 encoding하고 있으며 이 transcription factor가 haltere(T3)의 발생을 촉진하고 wing과 notum(T2)의 발생은 억제하는 역할을 함. 그런데 Ubx mutation이 생기게 될 시 Ubx gene의 기능이 억제되고, 그 결과 loss-of-function(lf) mutation에 의해 T3가 T2로 변하게 되는 것임.

 

 

실제로 확인 결과 Ubx gene이 T3, A1, A2, A3, A4에서 발현됨을 확인하였고, 특히 적어도 T3에서는 발현되고 T2에서는 발현되지 않음.

 

 

 

마지막으로, 이 gene의 sufficiency를 보이기 위해서 T2 부위에 Ubx gene에 의해 발현된 transcription factor를 넣어준 후 T2가 T3로 변화하는지를 관찰할 수 있음. 다만 예전에는 이러한 방식의 실험이 기술적 한계에 의해 불가능했고, 이런 방식 대신 단순히 새로운 mutant를 screening했음. 이 때 dominant Ubx mutation(Gain-of-function mutation)에서 wing이 haltere가 된다는 것을 확인함. 이를 통해 이 gene의 sufficiency도 입증됨.

 

 

 

 

 

두번째로 살펴볼 mutant는 Antennapedia(Antp) mutant임. 이 mutant의 경우 위 그림에서도 나타나 있듯이 antenna가 leg로 transform된 것이 특징임. (참고로 mutant 이름에서 pedia가 leg를 indicate함) 이 경우 T2에서 head로의 homeotic transformation이 일어났다고 볼 수 있음. (이 경우 overexpression에 의해서 머리에서까지 다리가 발현되는 것. 그러다 보니 이 mutation은 gain-of-function mutation으로 볼 수 있음)

 

 

Antp gene도 transcription factor를 encoding하고 있으며, 이 transcription factor가 T2(leg) development를 promote함.

 

 

 

 

 

 

실제로 확인 결과 위 그림과 같이 Antp gene은 원래 T2에서 발현됨. (adult와 embryo 모두에서 T2에 이 gene이 발현됨) 한편 Antp mutant에서는 head에서도 추가적으로 이 gene이 비정상적으로 발현되게 됨.

 

 

그렇다면 이 gene은 T2 leg formation에 있어 sufficient한가. 이를 확인하기 위해서 Antp gene에 대한 loss-of-function mutation을 유발해보았고, 그 결과 T2에서도 leg가 제대로 만들어지지 않는다는 것을 확인함.

 

 

지금까지 살펴본 두 종류의 gene을 포함해 총 8개의 homeotic(selector) gene들이 identify되었고, 이 gene들을 Hox gene이라 명명함. (이 때 Hox gene들은 체절을 확확 바꿀 수 있는, 매우 critical한 8개의 gene들을 의미함)

 

 

 

 

위 표에 8종류의 Hox gene들이 나타나 있음. 참고로 이들 gene에 생긴 mutation에 의해 생기는 mutant를 homeotic mutant라 부름.

 

 

한편 모든 Hox gene들의 sequence를 비교해봤을 때 180bp 길이 정도의 특정 DNA sequence는 8개 Hox gene들 간에 매우 유사하다는 것을 알게 됨. 이에 이 sequence를 homeobox라 명명함.

 

 

 

 

한편 위와 같이 이 homeobox가 번역되어 만들어진 대략 60 amino acid 길이의 부위를 homeodomain이라 하며 이 homeodomain은 후에 folding되어 helix-turn-helix motif를 이루게 됨.

 

 

 

 

위 그림에 helix-turn-helix motif가 나타나 있음. 이 motif는 실제로 DNA에 binding할 수 있는 motif에 해당함. 그렇기에 homeodomain을 가진 protein들이 transcription factor로 기능할 수 있는 것임.

 

 

 

 

한편 흥미롭게도, 위 그림에 나타나 있는 것처럼 chromosome 상에 놓인 Hox gene들의 순서와 각 gene에 의해 형성되는 체절들의 외관적인 배치 순서가 동일함. 이를 colinearity principle이라 함.

 

 

 

다음 포스트에서는 척추동물(vertebrate)이 가지는 Hox 유전자에 대해 알아보도록 하자.