1. 다면발현 (pleiotropy)
하나의 유전자가 multiple effect를 가지는 것을 pleiotropy(다면발현)라고 함.
pleiotropy의 첫 번째 예시는 바로 Marfan syndrome임. 이 질병은 autosomal dominant mutation에 의해서 fibrin의 발현량이 저하되면서 발생함. 그런데 흥미롭게도 fibrin의 발현량 저하는 우리 몸 전체에 영향을 줘서 전반적인 선천적 발육이상이 발생하게 됨.
위 그림에 Marfan syndrom에 대한 모식도가 나타나 있으므로 추가적인 정보를 원한다면 참고하면 좋을 것임.
pleiotropy의 두 번째 예시는 바로 sickle cell anemia(겸상적혈구빈혈증)임.
sickle cell anemia를 일으키는 mutation은 위와 같이 적혈구의 모양을 낫 모양으로 바꿔버림. 그 결과 육체적 피로, 통증, 뇌출혈, 폐/심장/신장의 기능장애 등이 발생함.
만약 이 mutation이 homozygous하게 발생한다면, 대부분의 경우 사망함. 한편 이 mutation이 heterozygous하게 발생한다면 일반인에 비해 빈혈의 정도는 더 심하겠지만, 흥미롭게도 말라리아의 감염률은 감소함.
heterozygous recessive의 경우 말라리아 감염률이 낮아지는 이유는 무엇일까. 원래 말라리아 기생충은 RBC에 침투한 후 번식하여 RBC를 파열시키고 나오는데, 이 과정에서 오한, 발열이 생기게 됨. 반면 겸상적혈구의 경우 말라리아 기생충이 RBC를 파열하고 나오기도 전에 (즉, 말라리라 기생충이 번식하기도 전에) 스스로 파열되어버림. 따라서 heterozygous recessive하게 하나의 mutant allele을 가지고 있는 경우 말라리아 기생충의 번식률을 낮춘 결과 말라리아 감염률이 감소함.
2. 반성유전 (sex-linked inheritance)
사람이 가지고 있는 sex chromosome은 X와 Y임. 이 중 X는 꽤 큰 chromosoem으로, 많은 gene을 함유하고 있음. 한편 Y는 X에 비해 훨씬 작으며, 몇몇 gene만 가지고 있음. (물론 Y중 X의 일부와 pairing하는 부위가 존재하기는 함) 이 때 X chromosome에 위치한 gene에 의해 발생하는 유전현상들을 일컬어 X-linked되었다고 말함.
X-linkage의 첫 번째 예로 drosophila에서 관찰되는 X-linkage에 대해 살펴보자.
위 자료를 보면 빨간 눈을 가진 암컷과 흰색 눈을 가진 수컷을 교배할 시 F_1 generation에서는 모두 붉은 눈인 암수가 만들어졌고, 이들을 다시금 교배할 시 1/2의 red female, 1/4의 red male, 1/4의 white male이 만들어짐.
한편 흰색 눈을 가진 암컷과 빨간 눈을 가진 수컷을 교배할 시 F_1 generation에서는 1/2의 red female, 1/2의 white male이 만들어짐. 그리고 이들을 교배할 시 1/4의 red female, 1/4의 white female, 1/4의 red male, 1/4의 white male이 만들어짐.
결과적으로 특정 phenotype의 유전 양상이 sex에 따라 달라진다는 것을 알 수 있음.
human에서도 X-linkage와 관련된 병이 많이 발견되는데, 가장 대표적인 예가 바로 색맹(color blindness)임. 이 경우 red/green color와 관련된 blind mutation이 X chromosome에 일어남.
이외에 사람에게서 관찰되는 다양한 X-linked trait이 위 표에 나타나 있으므로 참고하면 좋을 것임.
X-linkage phenotype은 (X가 1개뿐인) 남자에게서 더 많이 발견됨. (여자의 경우 하나의 mutant allele을 가졌다 하더라도 나머지 정상 allele에 의해 이 녀석의 효과가 cover될 수 있으므로(다시 말해 carrier가 될 수 있으므로) 남자보다는 질병의 발생 확률이 낮음)
참고로 lethal한 X-linked recessive disorder들은 male에서만 관찰됨. 그 이유는 여자의 경우 homozygote reessive일 시 바로 죽어버리기 때문임. 반면 male의 경우 하나의 비정상 gene을 가지고 있다 하더라도 2개 만큼의 lethal한 효과는 없기 때문에 살아있는 채로 질병의 phenotype이 관찰되는 것이 가능한 것임.
3. 한성유전 (sex-limited inheritance), 종성유전 (sex-influenced inheritance)
sex-limited는 특정 표현형이 한 성에서만 발현하는 것을 의미함. (한국어로는 한성형질이라고 함) 한편 sex-influenced는 특정 표현형이 한 성에서 더 잘 발현하는 것을 의미함. (한국어로는 종성형질이라고 함)
먼저 sex-limited inheritance의 예시인 chicken의 feather plumage에 대해 알아보자.
chicken의 feather plumage와 관련듼 H, h gene은 autosomal chromosome에 있음.
일단 암탉의 경우부터 먼저 살펴보자. 이 경우 hh, Hh, HH 모두 다 hen-feathered phenotype으로(위 그림 b) 나타남. 한편 수탉의 경우에는 Hh, HH일 경우 hen-feathered phenotype으로(위 그림 c) 나타나지만 hh일 경우 cock-feathered phenotype으로(위 그림 a) 나타남.
결과적으로 cock-feathered phenotype은 수탉에서만 나타나므로 이 유전형질은 sex-limited manner를 가짐.
다음으로 sex-influenced inheritance의 예시인 male pattern baldness(남성 대머리)에 대해 알아보자.
baldness를 결정하는 수많은 유전자 중 하나인 B는 male에서는 dominant하게 작용하지만 female에서는 recessive하게 작용함.
우선 female의 경우부터 살펴보자. 이 경우 BB는 bald, Bb는 nonbald, bb도 nonbald임. 즉, B가 recessive한 manner로 유전됨.
다음으로 male의 경우를 살펴보자. 이 경우 BB는 bald, Bb도 bald, $bb$는 nonbald임. 즉, B가 dominant한 manner로 유전됨.
+) 참고로 만약 female에게 adrenal gland tumor가 발생하게 되면 female의 genotype이 Bb라 하더라도 bald phenotype이 나타날 수 있음.
4. 환경 효과 (environmental effect)
phenotypic expression에 관여하는 환경적 요인에 대해 이해하기 위해서는 penetrance(침투도)와 expressivity(발현도)라는 개념들에 대해 이해하고 있어야 함.
penetrance는 특정 유전자형과 관련된 특정 표현형 출현이 어떠한 빈도로 관련되는지를 나타내는 척도임. penetrance가 클수록 특정 표현형에 있어서 genotype이 환경적 요인보다 더 큰 영향을 미치는 것이고, penetrance가 작을수록 특정 표현형에 있어서 환경적 요인이 genotype보다 더 큰 영향을 미치는 것임.
예를 들어 우성 다지증 유전자를 가진 100마리의 토끼 중 실제로 80마리가 다지증을 나타낸다고 했을 때 penetrance는 80%임.
다음으로 expressivity에 대해 알아보자. expressivity는 개체마다 특정 형질의 발현도를 측정하는 척도로서, 표현형의 엄격도를 나타냄. 즉, 이 녀석은 표현형이 실제로 나타나는 정도를 나타내주는 척도임.
위에 penetrance와 expressivity에 대한 관련 그림이 나타나 있으므로 참고할 것.
이제 본격적으로 genetic background에 더해 외부에서 작용할 수 있는 다양한 effect들에 대해 알아보자.
4-1 : genetic suppression
genetic suppression은 mutant에 다시 mutation을 시켜줄 시 phenotype이 정상으로 돌아오는 것을 의미함.
그렇다면 도대체 어떻게 이런 일이 가능한 것일까. 크게 두 가지 가능성이 존재함.
첫 번째 가능성은 mutation이 일어났던 그 위치에 하필 또 한 번의 mutation이 더 일어나서 정상 genotype으로 돌아오는 경우임. (그러나 이런 일이 일어날 확률은 매우 낮을 것임)
두 번째 가능성은 다른 위치의 mutation에 의해서 다시 표현형이 '정상으로 돌아오는 것임. 즉, 이 경우 원래 mutant에서의 결점, 혹은 negative effect를 새롭게 형성된 mutation의 결과물이 상쇄하는 것임.
4-2 : position effect
position effect는 gene의 physical한 location 자체가 이 녀석의 expression에 주는 영향을 말함. 예를 들어, 만약 centromere에서 멀리 떨어진 gene이 inversion에 의해 centromere로부터 가까운 위치로 이동했다면, 이 녀석은 불활성화될 수 있음. (이 밖에 heterochromatin의 대표적인 예인 telomere 근처로 gene의 location이 rearrangement되어도 특정 gene이 불활성화될 수 있음)
이에 대한 대표적인 예가 바로 초파리 눈인데, female heterozygote에서 앞서 설명한 inversion이 일어나게 되면 위 그림 (b)와 같이 하얀색과 빨간색이 뒤죽박죽 섞인 이상한 눈이 발생하게 됨.
4-3 : temperature effect
temperature effect는 temperature에 의해 gene의 expression 유무가 결정되는 현상을 의미함.
예를 들어 evening primrose(달맞이꽃)는 23도에서는 red flower를, 18도에서는 white flower를 피움. 그 밖에 Siamese cat과 Himalayan rabbit은 몸에서 온도가 높은 부위가 낮은 부위에 비해 상대적으로 더 어두움. (아래 그림 참조)
이런 일이 발생하는 이유는 높은 온도 상에서 cat, rabbit의 털색을 결정하는데 있어 중요한 enzyme이 catalytic function을 잃게 되기 때문임.
4-4 : nutritional effect
이런 일이 발생하는 이유는 높은 온도 상에서 cat, rabbit의 털색을 결정하는데 있어 중요한 enzyme이 catalytic function을 잃게 되기 때문임.
Auxotroph는 영양요구성 돌연변이라고 변역되며, 이 mutant의 경우 특정 물질이 합성되지 않는 phenotype을 가짐. 그런데 당연히 외부에서부터 합성되지 않는 그 물질이 추가적으로 공급된다면 증상은 완화되거나, 심지어는 증상이 아예 나타나지 않을 수도 있음. 따라서 이와 같이 식이에 따라 표현형이 달라지는 mutation을 Auxotroph라 부름.
이에 대한 대표적인 예가 바로 Phenylketonuria(PKU, 페닐케톤뇨증)인데, 이 질병의 경우 phenylalanine 대사에 필요한 enzyme이 제대로 합성되지 않은 결과 발생함. 그런데 이 환자의 경우 low phenylalanine diet를 통해 애초에 누적될 phenylalanine 양을 줄여버리게 되면 증상을 눈에 띄게 완화시킬 수 있음.
이제 다음 chapter 3에서는 진핵생물에서의 chromosome mapping에 대해 알아보자.