이번 chapter에서는 진핵생물(eukaryote)에서의 염색체 매핑(chromosome mapping)에 대해 중점적으로 알아보자.
위 그림에도 나타나 있는 것처럼 meiosis I 중기에 crossover라는 현상이 발생함. 이 때 cross되는 대상들은 non-sister chromatid끼리이며, 이들의 crossover에 의해 교차(recombination)가 발생함. 이러한 crossover는 모든 chromosome에서 최소 2, 3번(random한 위치에서) 발생함.
그런데 이 때 서로 연관된 gene(즉, 거리가 가까운, linked gene)들은 crossover 시 서로 같이 붙어다닐 확률이 더 높음.
위 그림은 meiosis의 결과 나타날 수 있는 consequence들에 대해 정리해 둔 자료임.
우선 첫 번째는 independent assortment임. 이 경우 linkage가 있지 않아서(아예 다른 염색체에 있어서) A, B 두 type의 gene이 서로 crossover 시 독립적으로 분리되는 것을 의미함.
두 번째는 linkage without crossing over인데, 이 경우 동일한 염색체에 있어서 완벽히 linkage되어있게 됨. 그 결과 이 경우에는 parental(부모형) gamete만 생성될 것임.
마지막이 우리의 cell 내에서 실제로 일어나는 일과 가장 유사하다 할 수 있는데, 바로 linkage with crossing over임. 이 경우 crossover에 의해서 recombinant gamete이 만들어질 수도 있고, 그렇지 않을 수도 있음. 결과적으로 parental gamete와 recombinant(crossover) gamete이 모두 만들어짐.
한편 매우 근처에 있어서 완벽하게 linked되어있는 gene들의 경우 perfect한 F_2 phenotypic linkage ratio가 관찰되는데, 이 값이 바로 1:2:1임. 대표적인 예가 아래 그림에 표현되어 있는 초파리 날개 & 눈 유전임.
P_1으로 thin veins, brown eyes와 heavy veins, red eyes를 교배시킴. 이렇게 해서 thin veins, red eyes의 F_1 generation이 만들어짐. 이후 이 F_1 generation을 다시금 자가교배한 결과 thin veins, brown eye : thin veins, red eyes : heavy veins, red eyes의 phenotypic ratio가 1:2:1로 나타남. 결과적으로, 처음에 parental stage에서 서로 link되어 있었던 hv^+, bw와 hv, bw^+가 마치 하나의 gene처럼 행동함.
+) linkage group은 같은 chromosome에 있는 gene들을 의미함. 따라서 결국 linkage group의 수는 chromosome의 haploid number와 동일함.
이러한 crossover 관련 컨셉은 1911년에 Thomas H. Morgan과 Alfled H. Sturtevant에 의해 처음 설명됨. (참고로 Morgan은 이에 대한 업적으로 유전학자로서는 처음으로 노벨상을 수상함)
Morgan은 처음에 위와 같이 초파리 몸과 눈, 몸 크기 등을 결정하는, 두 개의 X-linked gene들을 사용해 위와 같은 cross를 수행해봄.
일단 cross A에 대해서부터 먼저 살펴보자. 이 경우 wild-type과 yellow, white mutant(몸, 눈)를 교배할 시(즉, 이 경우 y, w가 linked) F_2 generation에서 parental하게 나타나는 type이 99.5% 비율, 그리고 recombinant하게 나타나는 type이 0.5%밖에 되지 않았음.
한편, cross B에서는 wild-type과 함께 white, miniature(눈 색, 몸 크기) mutant를 교배함. 그 결과 F_2 generation에서 parental하게 나타나는 type이 65.5%, recombinant하게 나타나는 type이 34.5%였음.
이 실험 결과를 가지고 Morgan은 크게 두 가지 질문을 던짐.
첫 번째 질문은, gene separation의 source는 무엇인가임. 그리고 두 번째 질문은, 왜 관심을 가지는 두 gene의 조합에 따라서 separation의 frequency가 달라지는 것인가임.
morgan은 이들 각각에 대해 나름의 가설을 가지고 있었는데, 첫 번째 질문에 대한 가설로는 gamete formation 과정에서 염색체 물질의 교환이 발생하고, 이 과정에서 chiasmata(단수형 : chiasma)가 발생한다는 것을 내새움. 한편 두 번째 질문에 대한 가설로는 recombinant gamete의 percentage는 같은 chromosome에 위치한 두 gene들의 상대적인 거리에 의존한다는 것을 내새움. (즉, 두 gene들이 가까울 경우 두 gene 사이에 chiasma가 있을 확률이 매우 적고, 그 결과 이들 두 개 gene이 같이 이동할 확률이 더 커진다는 것임)
위 그림은 chiasmata를 보여주고 있으므로 참고할 것.
이러한 가설을 바탕으로 Morgan의 제자인 Sturtevant는 다양한 gene들에 대해 mapping을 수행함.
조금 더 구체적으로 설명하자면, A ———- B, B ——— C,의 recombination gamete percentage와 A ———- C의 recombination gamete percentage의 비교를 통해서 이 둘이 additive한 관계에 있음을 보임. 그리고 이를 이용해서 gene들 사이의 상대적인 거리, 순서를 결정함. 결과적으로 이를 gene별로 일일히 다 mapping하여 linkage map을 제작함. (이 linkage map에는 다양한 종류의 linkage group이 구분된 채 나타나 있을 것임)
참고로 linkage map은 위와 같은 식의 구성임.
그런데 linkage map에서 매우 중요한 unit이 바로 map unit(mu)임. 그리고 map unit으로 가장 많이 사용되는 단위가 바로 centimorgan(cM)임. 1cM은 chromosome 상에서 2개의 gene들 간의 recombination이 1% 일어날 때 두 gene들 간의 상대적인 거리를 의미함. 다만 이는 어디까지나 상대적인 거리일 뿐이고, 실제 거리와는 다름.
실제로 각 종마다 1cM의 길이는 다 다른데, yeast는 1cM이 실제로 6kb정도, human의 경우 1cM이 100kb~10,000kb 정도 됨. 이렇게 1cM의 실제 길이가 다 다른데는 다양한 이유가 있지만, 그 중 대표적인 이유 하나가 바로 heterochromatin(이질염색질)의 존재임. heterochromatin의 경우 동원체 등에서 발견되며 염색질이 매우 응축되어 있어서 crossover가 일어나기 어려움. 그 결과 heterochromatin이 포함되어 있는 부분의 경우 실제 거리보다 유전자 지도 상에서 훨씬 더 짧게 보임.
이에 대한 그림이 위에 나타나 있음.
이제 본격적으로 crossover에 대해 알아보자. 그 중 우선 single crossover(SCO)에 대해 먼저 알아보자. SCO는 tetrad stage에서 non-sister chromatid들 간에 딱 한 번의 exchange가 일어나는 상황을 의미함.
이럴 경우 결과적으로 위 그림과 같이 두 종류의 parental gamete와 두 종류의 crossover gamete가 만들어질 수 있음.
그렇다면 SCO에서의 recombinant gamete frequency 최댓값은 얼마가 될 수 있을까. 정답은 50%임. (즉, 다시 말해 이 때의 최대 cM값은 50임) 일단 이에 대해 이해하기 위해서는 recombinant gamete frequency가 어떻게 계산되는지에 대해서부터 이해할 필요가 있음. recombinant gamete frequency는 아래와 같이 정의됨.
이 정의에 따르면, 두 gene이 너무나 먼 상황에서 SCO가 발생하게 되었을 경우 두 gene 사이에서 항상 crossover가 일어날 것임. 그런데 그럼에도 불구하고 나머지 두 개의 non-sister chromatid들은 crossover되지 않은 채 paternal한 form으로 존재하고 있음. 따라서 이런 경우 recombinant gamete frequency가 50%가 됨. 특히 이 경우 두 개의 gene이 거의 다른 chromosome에 있는 것이나 마찬가지로 행동하게 됨.
이제 위와 같은 실제 예시를 살펴보자.
보면 50번의 meiosis 중 49번에서는 A, B gene 사이에 crossover가 일어나지 않고, 한 번의 meiosis에서만 A, B gene 사이에 crossover가 일어남. 결과적으로 recombinant gamete frequency는 위 그림 아래와 같이 계산 가능함.
다음 포스트에서는 DCO(double crossover)에 대해서부터 알아보도록 하자.