이제 chromosome의 개념을 이용해서 다시금 Mendelian genetics를 설명해보자.
우선 Mendel의 첫 번째 가설, unit factor가 pair로 존재한다는 가설에 대해서 생각해보자.
이는 위와 같이 1st meiotic prophase(감수 1분열 전기) 때 chromosome들이 서로 상동염색체 관계로 쌍을 이루는 것으로 설명 가능함. (chromosome이 쌍을 이루므로, chromosome 내에 포함되어 있는 gene 또한 쌍을 이룰것임)
다음으로 Mendel의 두 번째 가설, gamete formation 과정에서 unit factor가 분리된다는 것에 대해 생각해보자.
이는 위와 같이 1st meiotic anaphase에 상동염색체끼리의 분리가 일어나는 현상으로 설명할 수 있음.
다음으로 Mendel의 세 번째 가설, 즉 unit factor의 separation에 있어서 independent assortment가 적용된다는 가설에 대해 생각해보자.
이는 중기때 chromosome이 가운데에 배열되는 배향이 random하다는 것으로 설명 가능함. 즉, 다시 말해서 다른 chromosome에 있는 gene들은 서로 independent하게 유전됨.
다음 주제로 넘어가기 이전에, 앞서 간단히 살펴봤었던 allele에 대해 다시금 엄밀하게 살펴보고 넘어가자.
서로 다른 version의 gene, 즉 allele들은 실제로는 위 그림과 같이 gene 중 일부 부위만 다르고 나머지 부위는 동일함. 따라서 allele들은 같은 gene의 서로 다른 version으로 이해하면 됨.
그렇다면 사람의 경우 이런 멘델의 유전법칙의 지배 하에서 얼마나 다양한 gamete을 생성할 수 있을까.
결론적으로 말하자면 사람의 경우, 생성될 수 있는 gamete의 종류는 2^{23}개임. (23개 pair의 chromosome들이 각기 다른 조합을 만들 수 있으므로) 따라서 이들의 조합방식은 가히 무궁무진하다 할 수 있음. 게다가 여기에서 유전자 재조합까지 추가적으로 고려하게 되면 거의 무한대의 가짓수가 나옴.
이제 살짝 주제를 바꿔서, 사람을 대상으로 유전적 표현형에 대한 연구를 할 때 가장 많이 사용되는 가계도(pedigree)에 대해 조금 더 알아보자.
위 그림에는 pedigree와 관련된 각종 표기법들이 나타나 있음.
(참고로 이 때 fraternal(dizygotic) twins는 이란성 쌍둥이를 의미하고, identical(monozygotic) twins는 일란성 쌍둥이를 의미하며, proband는 발단자(이상 형질 가계의 출발점)를, heterozygous carrier는 보인자를, I, II, III 등의 표기법은 연속적인 generation을 의미함)
이제 이 pedigree를 이용해서 몇 가지 유전학적 예시들에 대해 알아보자.
위 그림에는 autosomal recessive trait(상염색체 열성 형질)의 유전 양상과 autosomal dominant trait(상염색체 우성 형질)의 유전 양상이 나타나 있음. (이 때 autosome은 상염색체를 의미함) 보면 autosomal recessive trait의 경우 한 세대 걸러서 특정 trait가 발현되며, 발현자 중 남자 : 여자의 비율이 1:1이라는 것을 알 수 있음. 한편 autosomal dominant trait는 매 세대마다 특정 trait가 발현되며, 발현자 중 남자 : 여자의 비율은 여전히 1:1이라는 것을 알 수 있음.
실제로 유전학으로 설명되는 유전질환에는 엄청나게 많은 종류가 있음. 그 중 대표적인 것들 몇 가지가 위 표에 나타나 있음.
이제 이들 중 몇 가지에 대해 molecular level에서 알아보자.
1. Mendel's wrinkled peas
첫 번째로 알아볼 것은 Mendel이 자신의 완두콩 실험에서 사용하던 7가지 trait 중 하나인 쭈글쭈글한(wrinkled) 특징임.
일단 여기에 관여하는 enzyme은 SBEI(starch-branching enzyme)임. 이 효소는 branched starch 분자의 합성을 촉매함. 그런데 만약 SBEI를 encoding하고 있는 gene 사이에 800bp의 transposable element가 삽입된다면 어떻게 될까. 그러면 결과적으로 SBEI가 만들어지지 않게 됨. 이런 상황에서 만약 pea가 osmotic pressure가 높은 환경에 처하게 되면, 결국 branched starch의 부재에 의해서 pea가 쭈그러들어 위 그림 왼쪽과 같은 wrinkled pea가 됨.
2. Tay-Saches disease
다음으로 Tay-Saches disease(테이-삭스병)에 대해 알아보자. Tay-Sachs disease는 CNS(central nervous system)를 고장낼 수 있는 무서운 유전질환 중 하나임.
이 병과 관련되어 있는 효소는 Hexosaminidase A(Hex-A)임. 이 녀석은 ganglioside GM2를 분해하는 활성을 가지고 있음. 그런데 이 Hex-A를 encoding하는 gene에 mutation이 생겨서 정상적인 기능을 할 수 있는 Hex-A가 생산되지 않게 된다면 결과적으로 Tay-Sachs disease가 발병함. 그리고 Hex-A가 없으므로 ganglioside가 brain 속 neuron에 축적되게 된 결과 뇌 기능이 약화되는 표현형이 나타남.
chapter 1의 내용은 여기에서 마무리됨. 이 chapter에서 중요한 내용은 Mendel의 법칙, Mendel의 법칙이 chromosome level에서 어떻게 설명되는지 정도임.
끝내기 전에, 일반적인 유전학 연구(genetic study)를 어떻게 하는지에 대해 생각해보자.
결과적으로 genetic study는 일반적으로 아래와 같은 절차에 따라 진행됨.
1. trait gene이 single인지, 아닌지에 대해 파악함.
2. mutation gene을 파악함.
3. mutation이 일어날 시, 혹은 normal한 상황에서의 생화학적 기전을 파악함.
그렇다면 특정 gene이 특정 trait를 결정한다는 것을 어떻게 보일 수 있을까. 이를 위해 gene에 최소 두 개 이상의 mutation을 발생시켜볼 수 있음. 그 결과 mutant 표현형이 나타나는지를 확인해보면 됨. 그런데 만약 애초에 mutation을 일으킬만한 site가 하나뿐인 경우라면 어떤 방법을 사용해야 하는가. 이 때는 mutation이 일어난 gene에 정상 gene 부위를 다시금 삽입하고, 그 결과 정상 phenotype이 회복되는지를 확인해보면 됨.
다음으로 chapter 2에서는 멘델 유전학(mendelian genetics)의 확장에 대해 알아보도록 하자.