[유전학] 11.2 : 척추동물에서의 Hox 유전자

 

 

이번 포스트에서는 척추동물에서의 Hox 유전자에 대해 알아보자.

 

 

 Hox gene이 초파리 이외에 vertebrate에도 있는지를 입증하기 위해 아래와 같은 실험을 수행함.

 

 

 

 

 

우선 Antp homeobox DNA 조각들을 radiolabeling함. (크기는 대략 180bp일 것) 한편 mouse의 DNA도 조각낸 다음 앞서의 조각들과 mix함. 이후 gel electrophoresis에 이은 Southern blotting을 수행할 시 위 그림 오른쪽과 같은 결과를 얻을 수 있음. 이 때 만약 Antp homeobox DNA와 mouse DNA간에 상보성이 없어서 붙지 않으면 radiolabeling된 조각의 크기가 180bp이므로 매우 빨리 내려가버려야 함. 그런데 실제로는 위 그림 오른쪽과 같이 2-5kb 크기의 radiolabeling한 DNA들이 관찰됨. 이를 통해 mouse에도 homeobox DNA가 존재한다는 것을 알 수 있음.

 

 

 

실제로는 mouse 뿐 아니라 모든 vertebrate가 많은 Hox gene들을 가지고 있어서 fly gene과 강하게 hybridize한다는 것을 다른 실험을 통해 확인한 바 있음. (이 말인즉슨, Hox gene이 존재할 뿐 아니라 종이 달라져도 sequence가 similar하다는 것임)

 

 

 

 

위 그림을 보면 알 수 있는 것처럼 Hox gene, 그 중에서도 homeobox sequence는 500만년의 진화상에서의 시간에도 불구하고 sequence가 매우 잘 보존되어 있음.

 

 

그런데 sequence의 보존성만큼 실제 function도 잘 보존되어 있을까? 이를 확인하기 위해 mouse의 Hox gene을 Hox mutant 초파리에게 넣어준 후 초파리의 체절형성이 정상적으로 일어나는지를 관찰해봄. 그랬더니 정상적으로 일어남이 확인됨. 이 말인즉슨, Hox gene의 function 또한 진화의 과정에서 보존되었음을 알 수 있음.

 

 

 

 

 

한편 vertebrate의 경우 위 그림에도 나타나 있는 것과 같이 8개의 Hox gene이 여러 copy 존재함. (위 그림에서 세로로 동일한 위치에 나열되어 있는, 같은 색으로 표현된 gene이 모두 같은 종류의 gene임) 보면 전체 Hox gene이 다 4번 copy된 상태로 존재하는 것은 아니나 대부분의 경우 여러 copy로 존재하고 있음을 알 수 있음. (참고로 이 경우에도 gene의 배치순서와 체절의 순서가 동일함)

 

 

 

 

 

 

위 그림은 초파리의 Hox gene과 사람의 Hox gene을 비교해서 나타내주고 있음. 보면 특히 사람의 경우 Hox gene의 4개 cluster(HoxA, HoxB, HoxC, HoxD)를 가짐. (사람의 경우 총 39개의 gene을 함유하고 있음)

 

 

 

 

 

실제로는 위 그림과 같이 gene duplication, deletion 등을 통해 여러 copy의 Hox gene들이 형성되는 것으로 추측되고 있음.

 

 

그렇다면 이와 같이 여러 copy의 Hox gene을 가지는 것은 어떤 장점이 있을까. 일단 여러 copy가 있을 경우 functionally redundant함. 즉, 한 개의 gene이 mutation에 의해 망가져도 다른 copy가 이를 보완해줄 수 있음. 그러다 보니 척추동물에서는 체절 형성과 관련된 mutant가 쉽게 관찰되지 않음. 반면 초파리의 Hox gene은 1 copy 뿐이므로 체절 형성과 관련된 mutant가 비교적 잘 관찰되는 편임.

 

 

 

 

 

 

참고로 아주 rare하게, HoxD 13에 mutation이 생긴 human의 경우 다지증(synpolydactyly, SPD)이 관찰됨.

 

 

결론적으로 이러한 관찰들을 통해 사람의 발생과정을 이해하기 위해 초파리의 Hox gene들을 연구하는 것이 충분히 중요한 의미를 지닌다는 사실이 입증됨. 이에 대한 공로로 E. Lewis가 1995년에 노벨 생리의학상을 수상함.

 

 

 

다음 포스트에서는 Hox 유전자의 발현을 조절하는 mechanism에 대해 알아보도록 하자.