저번 포스트에서는 생물학적으로 성(sex)이 어떻게 정의내려지는지에 대해 살펴봄. 이번에는 성이 어떻게 결정되는지에 대해 살펴보자.
현재 많은 사람들에게 잘 알려진 것처럼 성 결정에 관여하는 가장 중요한 요소는 바로 성 염색체임. 그런데 성 염색체가 성의 결정과 관련되어있다는 사실이 알려진지는 100년여밖에 되지 않음
이제 보다 더 자세하게, 성 결정에 어떤 종류들이 있는지 살펴보자.
1. XX/XO mode (protenor mode)
protenor mode는 XX/XO mode로도 불림. 이 모드에서는 2개의 X 염색체가 존재할 시 여성(female) 표현형이 나타나고 1개의 X염색체가 존재할 시 남성(male) 표현형이 나타남. 즉, XX는 female이고 XO(X가 1개)는 male임.
그런데 이 모드를 가지는 생명체도 수정을 위해 생식세포(gamete)를 만들 때는 염색체를 반반씩 나누게 됨. 이 때 female은 무조건 XX를 가지므로 생식세포 두 개당 하나씩의 X를 분배하게 됨. 이러한 female의 특징을 homogametic sex라고 함. (homo : 같은, gametic : 생식세포의) 한편 male의 경우 XO이므로 생식세포 중 하나에 X가 전달되면 나머지 하나에는 전달되지 않게 됨. 이러한 male의 특징을 heterogametic sex라고 함. (hetero : 다른, gametic : 생식세포의)
이런 모드에 따라 성이 결정되는 대표적인 생물로는 나비, 예쁜꼬마선충(C. eletans) 등이 있음. 다만 이전 포스트에서 살펴봤던 것처럼 C. elegans의 경우 XX일 경우 female이 아니라 자웅동체인 hermaphrodite임.
2. XX/XY mode (lygaeus mode)
lygaeus mode는 XX/XY mode로도 불림. 이 경우 female은 X chromosome만을 가지는 반면 male은 X와 Y chromosome을 둘 다 가짐.
그리고 조금만 생각해보면 알 수 있는 것처럼 이 경우에도 일반적으로는 female이 homogametic하며, male이 heterogametic함.
그러나 물론 예외도 있는데,
조류, 일부 양서류, 파충류 등의 경우 위 그림과 같이 ZZ/ZW에 따라 sex가 결정됨. 이 경우 XX/XY system과 거의 비슷하기는 하지만 ZZ가 male(homogametic sex), ZW가 female(heterogametic sex)이라는 점이 다름.
위 표는 대표적인 몇 가지 모델생물들의 성 결정 방식에 대해 나타내주고 있으므로 참고할 것.
다음으로, 인간이 가지는 성염색체 중에서도 특별히 남성성을 결정하는데 관여하는 Y chromosome에 대해 자세히 알아보자.
Y chromosome은 위 그림에서 볼 수 있는 것처럼 상대적으로 매우 작으므로 과거에는 발견하기 힘들었음. 따라서 이 때문에 옛날에 사람들은 사람도 XO/XX system에 따라 sex가 결정된다고 생각했었음.
그런데 human karyotype(핵형) 연구를 통해서 인간의 경우 22쌍의 autosome(상염색체)과 1쌍의 sex chromosome(성염색체)이 있다는 것이 확인되었으며, 이 때 sex chromosome 조합이 male과 female간에서 서로 다르다는것을 확인함. (특히 male이 XY, female이 XX라는 것을 확인함)
그럼에도 불구하고, 수많은 남/여의 핵형 data를 통해서 모든 남자가 다 Y를 가진다는 것만으로 Y chromosome이 남성성을 부여한다고 말할 수는 없음.
따라서 Y chromosome이 정말로 남성성을 부여하는지에 대해 알아보기 위해 여러 성염색체 관련 질병들의 표현형을 살펴볼 필요가 있음.
1. sex chromosome disorder (성염색체 이상)
1) Klinefelter syndrome (클라인펠터 증후군)
Klinefelter syndrome은 600명당 1명꼴로 나타나며, XY 이외에 1개 이상의 X chromosome을 더 가져서 발생하게 되는 syndrome임.
Klinefelter syndrome을 가진 사람은 표현형적으로는 남성이며, infertile(불임)임. 한편 키가 크고 팔다리가 길며, 잘 발달되지 않은 정소를 가짐. 대체로 지능은 정상이지만 간혹 배움이 느리기도 함.
대부분의 Klinefelter syndrome 환자들은 주로 XXY의 핵형을 가지지만, 아주 드물게는 XXXY, XXXXY의 핵형이 관찰되기도 함.
Klinefelter syndrome의 케이스를 보면, X 염색체의 수가 더 늘어났음에도, Y가 있기만 하면 일단 남성적인 표현형이 나타난다는 것을 알 수 있음.
2) Turner syndrome (터너 증후군)
Turner syndrome의 경우 위와 같이 45개의 염색체만 있고, XO karyotype을 가짐. 이 경우 표현형적으로는 여성이며, 2,000명당 1명꼴로 나타남.
위 그림에서도 나타나 있듯이 Turner syndrome 환자는 키가 작고 불임이며 여러 malformed feature(목 주름, 작은 턱, 심장, 신장 기형)가 나타남. 대체로 지능은 정상이지만 간혹 배움에 지장이 있는 경우도 있기는 함.
이 질병의 표현형을 통해서, X가 1개이건 2개이건 Y chromosome이 없으면 female phenotype이 나타난다는 것을 확인할 수 있음.
3) XXX syndrome (triple X syndrome)
XXX syndrome은 1,000명당 1명꼴로 나타나며 XXX의 핵형을 가짐. 이 경우 표형현적으로는 여성이며, 대부분 perfectly normal함. (간혹 이차성징이 잘 나타나지 않을 수도 있기는 함)
이와 유사하게 XXXX(tetra-X), XXXXX(penta-X)도 보고된 바 있음.
4) XYY condition
XYY condition을 가진 환자는 키가 크며, 표현형적으로 남성임. 흥미롭게도, XYY condition의 경우 감옥이나 정신병원에서 많이 발견됨.
그러나 그렇다고 해서 XYY karyotype과 폭력성이 직접적으로 연관되어있다고 결론지을수는 없음. (XYY인 사람 중 정상인 경우가 훨씬 더 많음)
2. the Y chromosome and male development
이제 Y chromosome이 어떤 방식으로 남성성 형성과 관련되어 있는지에 대해 보다 자세하게 알아보자.
Y chromosome 안에는 대략 50개 정도의 유전자가 포함되어있음.
Y chromosome은 다시 두 개의 구역으로 나누어지는데, PARs(pseudoautosomal regions)와 MSY(male-specific region of the Y)가 바로 그것임.
PAR은 쉽게 말해 상염색체인 척하는 부위임. 이 부분은 Y chromosome의 양 끝에 존재하며, X chromosome과 서열적으로 상동성을 가지고 있음. 따라서 이 부위는 meiosis(감수분열) 시 X-Y tetrad 형성에 있어 매우 중요하게 작용함. 그리고 tetrad 형성 시 일어나는 recombination(재조합)도 X chromosome과 PAR 부위 사이에서만 일어남. 결과적으로 PAR은 male의 생식세포 형성이 일어나기 위해서 아주 필수적인 부분임.
다음으로 MSY 부위의 경우 PAR과는 달리 X chromosome과의 재조합이 일어나지 않음. 이 부위가 바로 남성성을 결정하는 부위임. MSY 부위는 다시금 euchromatic region과 heterochromatic region으로 나누어지는데, 이 부위들은 그 이름에서도 쉽게 짐작할 수 있는 것처럼 각각 활발하게 전사되고, 거의 전사되지 않는 부분임. 그렇다 보니 애초에 heterochromatic region에는 gene 자체가 많지 않고, 대부분의 gene들은 euchromatic region에 다 존재하고 있음.
euchromatic region 내에는 sex-determining region(SRY)이 포함되어 있음. (SRY는 PAR 바로 아래쪽 부분에 위치하고 있음) 이 SRY가 male determination에 있어서 가장 중요함. (SRY는 모든 포유류에서 발견됨)
SRY가 male determination에 있어 중요하다는 사실은 위 그림을 보면 알 수 있음. 보면 Y chromosome의 나머지 부분은 다 남겨둔 상태에서 SRY gene이 있는 부위만 없애버린 경우 maleness가 나타나지 않았음을 확인할 수 있음. 비슷하게, 위 그림 왼쪽과 같이 XX 핵형이지만 SRY gene만을 X chromosome 사이에 삽입한 경우에는 남성적인 표현형이 관찰됨. 이를 통해 SRY가 male을 결정하는 핵심적인 부분임을 알게 됨.
이제 MSY region에 대해 조금 더 세부적으로 알아보자.
MSY는 23mbp 길이의 region이며 3개의 region으로 다시 나누어짐.
첫 번째 region은 X-transposed region임. 이 region은 MSY의 15% 정도를 차지하며, 2개의 gene들이 여기에 포함되어 있음. 이 region은 흥미롭게도 X chromosome에서부터 기원된 것으로 보이는데, 실제로 염기서열분석법을 이용해 이 region의 서열을 분석해본 결과 X chromosome의 일부와 99% 일치한다는 것이 확인됨.
두 번째 region은 X-degenerative region임. 이 region은 MSY의 20% 정도를 차지하며, 여기에는 27개의 gene들이 포함되어 있음. 이 때 이 27개의 gene 중 하나가 바로 SRY임. 사실 여기에는 SRY 이외에 많은 pseudogene들도 포함되어 있음. 이 때 pseudogene이란 유전자처럼 생겼으나 실제로 기능은 하지 않는 녀석들을 말함. (즉 다시 말해 개시, 종결코돈, promoter 등은 다 존재하지만 중간 부분이 stop codon으로 변하는 등의 돌연변이가 일어나서 발현이 일어나지 않은 경우임) 이 부분도 사실 X-chromosome에서 유래하기는 했으나, 엄청나게 많이 변함.
세 번째 region은 Ampliconic region임. 이 region은 MSY의 30% 정도를 차지하며 정소의 발생, 기능과 관련된 gene들이 여기에 많이 포함되어 있음. 쉽게 말해 이 region에는 SRY gene이 활성화될 시 후속 반응에 관계된 단백질들에 대한 gene들이 많이 포함되어 있음.
이 시점에서 한 가지 짚고 넘어가야 할 Y chromosome만의 독특한 특성이 있음.
침팬지와 인간의 genome은 전반적으로 거의 유사함. 그러나 MSY sequence의 경우 침팬지와 인간이 매우 다름. (거의 30% 이상 다름) 왜 이런 식으로 MSY sequence에 대해서만 차이가 큰 것일까.
이는 600만년 전 인간과 침팬지 사이에서 종분화가 일어난 이후 MSY region 부위가 매우 빠르게 변화했기 때문임. (rapid evolution) 빠른 진화가 일어났다는 것은, 일반적으로 그 부위가 빠르게 달라져도 큰 상관이 없다는 것을 의미함. (대부분 기능이 딱히 없음을 의미함)
다음 포스트에서는 성(sex)과 관련된 여타 다양한 현상, 혹은 관점들에 대해 알아보도록 하자.