인간의 유전자는 어떻게 진화하는가

여는 글
1장 유전물질: 염색체, 유전자, DNA
2장 RNA의 중요성
3장 놀랍도록 복잡한 게놈
4장 유전자와 게놈 진화의 과정과 메커니즘
맺는글과 전망
용어사전
참고문헌

1장 유전물질: 염색체, 유전자, DNA

염색체, 유전자지도, 염색체이상
염색체는 19세기 말에 처음 관찰되었다. ‘염색체’라는 용어는 ‘염색이 잘 되는 물체’라는 의미에서 비롯되었는데, 1888년 독일의 해부학자 빌헬름 폰 발다이어 하르츠Wilhelm von Waldeyer-Hartz가 붙인 이름이다. 당시 염색체는 분열 단계에 들어간 세포를 염색해서 현미경으로 관찰하면 볼 수 있는 가느다란 섬유 같은 것이라고 기술되었다. 오늘날에는 새로운 기술 덕분에 염색체만 따로 분리하는 일도 가능해졌다. 염색체는 크고 복잡한 거대분자에 해당한다. 각각의 염색체는 DNA(deoxyribonucleic acid, 디옥시리보핵산) 분자 한 개와 수많은 특수 단백질 분자의 결합으로 형성된 염색질로 이루어져 있다. 염색체가 유전에서 어떤 역할을 수행하는지가 처음 알려진 것은 20세기 초 멘델의 법칙이 재발견된 후의 일이다._21~22쪽

DNA의 구조와 속성, DNA 복제
이제 유전물질을 원자 차원에서 화학적인 관점으로 관찰해보자. 생물의 생식에 필요한 유전정보가 DNA에 들어 있다는 사실이 처음 증명된 것은 1944년의 일이다. DNA는 생물의 세포에 존재하는 두 종류의 핵산 가운데 하나다. 1953년에 밝혀진 DNA의 분자구조는 특히 주목할 필요가 있다. 왜냐하면 생식과 게놈의 진화에 관해 알려줄 중요한 열쇠가 DNA의 구조에 담겨 있기 때문이다.
DNA는 수많은 뉴클레오티드가 연결된 두 가닥의 사슬로 이루어져 있다. 이를 두고 ‘폴리뉴클레오티드 사슬’ 내지는 간단히 ‘DNA 사슬’이라고 말한다. DNA를 이루는 두 사슬은 서로를 휘감는 이중나선구조로 되어 있다._31쪽

유전자와 유전자 발현
이제 우리에게 남은 일은 염색체와 원자의 중간 단계, 즉 유전자의 유전물질을 검토하는 것이다. 생물의 표현형을 결정하는 세포 내 유전자의 작용이 바로 이 단계에서 설명된다. 유전자의 진화에 대해 알아보려면 유전자란 무엇인지, 그리고 유전자가 어떻게 기능하는지는 적어도 이해하고 있어야 한다.
‘유전자’라는 용어는 1909년에 덴마크 식물학자 빌헬름 루트비히 요한센Wilhelm Ludwig Johannsen이 유전 입자의 기본 단위를 지칭하기 위해 처음 사용했다. 이 같은 유전자의 개념이 도입되는 데는 양자물리학의 영향이 컸다. 그리고 당시 사람들은 유전자가 기본 단위인 만큼 더 세분될 수는 없다고 생각했다.
하지만 이후 유전자의 실체는 조금 더 복잡한 것으로 밝혀졌다. 구조적인 차원에서 볼 때 유전자는 그것을 지닌 DNA 분자의 일부, 다시 말해 DNA 사슬 상에 늘어선 수백 내지 수천 개의 뉴클레오티드에 대응된다. 따라서 유전자는 뉴클레오티드라는 더 작은 단위로 세분될 수 있고, 유전자 내에서 뉴클레오티드는 다양한 방식으로 변화하거나 대체될 수 있다. 그러므로 유전자는 그 구조 자체가 수많은 ‘변이’, 즉 하나 이상의 뉴클레오티드가 원래의 서열과 달라지는 변화를 겪기 쉬운 특성을 지니고 있는 것이다. 이처럼 어떤 한 유전자에 속하면서 서로 다른 형태의 서열을 가진 경우를 두고 ‘대립유전자allele ’라 부른다._41~42쪽

2장 RNA의 중요성

역逆전사
첫 번째 놀라운 발견은 1970년에 이루어졌다. 조류鳥類에서 발생하는 악성 종양의 원인 바이러스를 연구하던 중에 RNA 분자를 주형으로 사용해서 DNA를 합성하는 새로운 효소작용이 발견된 것이다. 이른바 ‘역전사효소reverse transcriptase ’에 따른 작용이다. 역전사효소의 발견은 기존의 여러 개념을 혼란에 빠뜨렸다. 유전정보가 DNA 복제로만 전달되는 게 아니라 적어도 몇몇 특수한 경우에는 RNA를 통해서도 전해질 수 있음을 보여주었기 때문이다. 문제의 바이러스는 ‘레트로바이러스retrovirus ’라는 부류인데, 일부 대표적인 종류는 사람을 감염시키기도 한다. 레트로바이러스의 게놈은 다른 바이러스와는 달리 DNA가 아닌 RNA 분자 하나로 이루어져 있다. 바이러스가 세포에 침투하면 바이러스의 게놈은 역전사효소의 작용에 의해 DNA 형태로 우선 베껴진다. 그리고 이 DNA가 숙주세포의 염색체로 삽입되어 그 안에서 정상적인 과정에 따라 RNA로 전사되고, 이로써 바이러스의 생식 주기는 완성된다. 이처럼 숙주의 게놈에 삽입된 바이러스가 때로는 종양 발생의 원인이 되는 것이다. 그렇다면 레트로바이러스와 유전자의 진화는 어떤 관계가 있을까?_57~58쪽

인트론
두 번째 놀라운 발견은 1977년에 이루어졌다. 더구나 이는 매우 중대한 발견이었다. 당시 사람들은 새로운 유전자공학 기술 덕분에 시험관에서 재조합 DNA 분자를 만들어 유전자를 연구하기 시작했다. 그렇게 바이러스(DNA로 이루어진 게놈을 가진 아데노바이러스adenovirus)의 유전자와 토끼의 헤모글로빈 유전자를 조사하던 중에 놀라운 사실이 발견된다.
유전자들이 조각으로 나누어져 있었던 것이다! 다시 말해 유전자(DNA)와 그 산물(전령RNA)을 나란히 놓고 비교했을 때 DNA에는 있는데 전령RNA에는 없는 부분이 군데군데 관찰되었다. 이는 예상치 못한 상황이었다. 별안간 벽에 부딪친 연구자들은 유전자가 어떤 식으로 기능하는지 더이상 설명할 수 없었고, 왜 그런 이상한 현상이 존재하는지도 이해할 수 없었다. 게다가 당시 연구에 이용된 유전자 대부분은 해당 사실을 확인시켜줄 뿐이었다. 유전자는, 아니 적어도 대다수의 유전자는 전령RNA에도 나타나는 부분과 전령RNA에는 없는 부분들이 교대로 늘어선 모습을 보여주었기 때문이다._59~60쪽

레트로유전자와 성숙위유전자
이제 RNA가 게놈의 진화에 일조하게 되는 마지막 경우에 관해 알아볼 차례다. 일반적인 유전자가 RNA 분자로 전사되는 과정을 생각해보자. 만약 이 유전자가 하나 이상의 인트론을 지니고 있다면 RNA 분자는 정상적인 스플라이싱을 거쳐 인트론을 제거하면서 성숙RNA가 될 것이다. 그런데 이 RNA가 전령RNA라면 아데닐산중합반응polyadenylation도 겪게 된다. 아데닐산중합반응이란 전령RNA의 3번 말단에 수십 내지 수백 개의 아데닌 뉴클레오티드가 붙는 것으로, 진핵생물의 전령RNA 대부분이 갖는 특징이다. 이 반응에서는 주형 없이 작용하는 특별한 단백질이 촉매 역할을 한다(나중에 짧게 언급하겠지만 이 단백질에 속하는 효소는 유전자가 없는 새로운 RNA 서열을 만들어낼 수 있다). 따라서 전령RNA는 그것을 만들어낸 유전자와는 두 가지 점에서 차이가 난다. 인트론이 없다는 것이 첫 번째 차이이고, 기다란 아데닌 뉴클레오티드 꼬리(‘폴리A꼬리poly A tail ’라고 부른다)가 있다는 것이 두 번째 차이다._68~69쪽

RNA와 관련된 또 다른 현상들
유전물질의 발현에서 역할을 수행할 뿐만 아니라 유전물질의 진화에도 개입하는 RNA 관련 현상들은 앞에서 살펴본 것 외에도 많이 존재한다. 예를 들어 RNA는 인트론의 스플라이싱이나 다른 RNA의 성숙 과정에 촉매로 작용할 수 있다. 또한 RNA는 운반RNA의 경우에서처럼 많은 특수한 화학 변화를 겪기도 한다. 그리고 RNA 사슬의 서열은 합성 후에 특별한 방식으로 변화될 수도 있으며, 이러한 현상을 두고 ‘RNA 편집RNA editing’이라고 부른다. 편집된 RNA는 더이상 원래 유전자와 동일한 서열을 갖지 않는다._71쪽

3장 놀랍도록 복잡한 게놈

젊은 학문, 게놈 시퀀싱
1990년대 초만 해도 게놈이 해독된 생물은 하나도 없었다. 더구나 인간 게놈의 해독은 오랜 세월에 걸친 대규모의 국제적 협력을 필요로 하는 거대한 프로젝트로 여겨졌다. 그래서 사람들은 역사적인 사건이 될 그 과업을 완수하기 위한 도구와 전략을 마련했다. 한편, 연구실에서는 바이러스와 세포소기관(미토콘드리아와 엽록체), 플라스미드(plasmid, 세균의 세포 내에서 염색체와는 별개로 존재하며 자율적으로 증식하는 유전자-옮긴이)의 게놈을 해독하고 맥주효모균의 염색체를 분석하는 등의 작업이 이루어졌다. 이 같은 작업은 그 자체로 과학적 성과였을 뿐만 아니라, 이후 인간 게놈 연구에 쓰일 서열 분석 방법도 발전시켜주었다._76~77쪽

게놈의 크기
앞에서 이미 언급했다시피 동식물의 게놈은 놀랄 만큼 방대한 크기를 보여준다. 그런데 이보다 더 놀라운 것은 유사한 생물종 사이에서 확인되는 게놈 크기의 차이다. 예를 들어 초파리의 게놈은 160메가베이스(megabase, 1메가베이스는 뉴클레오티드 100만 개에 해당)인데 비해 말라리아의 매개물인 학질모기Anopheles gambiae의 게놈은 그 두 배에 가까운 278메가베이스로 확인된다. 둘 다 파리류 곤충으로서 서로 그렇게 많이 다르지 않은데도 말이다. 풀무치Locusta migratoria의 게놈은 5,000메가베이스로, 초파리 게놈의 30배가 넘고 인간 게놈보다도 1.7배 크다. 이 같은 사실들이 새로운 발견은 아니다. 양서류인 도롱뇽의 세포가 닭의 세포보다 DNA를 70배나 많이 가지고 있다는 것은 1950년대부터 알려져 있었다. 식물에서 확인되는 게놈 크기의 차이는 한층 더 심하다._81쪽

게놈에는 유전자가 얼마나 들어 있을까?
게놈의 크기 이상으로 흥미로운 부분은 게놈에 들어 있는 유전자의 개수다. 그런데 유전자 수는 생물종 사이에 그렇게까지 큰 차이를 보이지는 않는다. 대략적으로 말하자면 대부분의 박테리아는 수천 개의 유전자를 가지고 있으며, 효모균은 5,000~6,000개, 사상균류는 약 1만 개, 벌레, 곤충, 식물은 약 2만~2만 5,000개의 유전자를 가지고 있다. 따라서 여기까지만 보면 생물의 유전자 수는 논리적인 규칙, 즉 복잡한 생물일수록 게놈 내 유전자 수도 많아지는 규칙을 따르는 것처럼 보인다. 하지만 2001년 발표된 인간 게놈 지도와 더불어 놀라운 사실이 드러났다. 인간 게놈에 들어 있는 유전자의 수가 겨우 약 3만 1,000개, 다시 말해 인간보다 훨씬 작은 파리나 벼의 게놈과 비슷한 수준으로 확인된 것이다._82~83쪽

잉여성, 유전자 중복, 유사유전자
진화를 부르는 현상은 선택적 스플라이싱 외에도 더 있다. 모든 게놈은 내적으로 높은 잉여성redundancy을 보여준다. 이는 두 가지 현상에 따른 것으로, 반복 요소들이 존재하는 현상과 조상 유전자의 중복에서 비롯된 유전자군gene family이 존재하는 현상이 그것이다. 유전자 중복은 진화의 주된 동인 가운데 하나이며, 서로 다른 여러 메커니즘에 기인한다. 여기서 우리가 주목할 사실은 유전자 중복이 일어나면 그 흔적이 ‘유사유전자paralogous gene’라고 불리는 서로 비슷한 유전자들의 형태로 게놈에 남겨진다는 것이다. 두 유전자가 같은 게놈에 동시에 존재하면서 그 서열로 미루어볼 때 중복을 겪은 동일한 조상 유전자에서 유래한 것으로 간주할 수 있을 경우 ‘유사유전자’라고 말한다._87쪽

위유전자와 유전자의 잔존물
유전자 중복에 따른 영향은 유전자 사본 가운데 일부가 손상되면서 부분적으로 상쇄된다. 이때 손상된 유전자는 과거 사건을 증언하는 잔존물의 형태로 게놈에 남겨지기도 하는데, 이를 두고 ‘위유전자’라고 부른다. 인간 게놈은 이 같은 위유전자를 약 2만 개, 다시 말해 활성 유전자의 수에 가 깝게 가지고 있다. 앞에서 보았듯이 게놈에는 또 다른 종류의 위유전자, 즉 역전사에 따른 RNA의 사본인 ‘성숙위유전자’가 존재한다. 하지만 RNA의 개입 없이 유전자 사본이 변이적 손상을 겪으면서 생성된 위유전자도 많이 존재한다. 이러한 위유전자는 성숙위유전자와 달리 아데닐산 중합반응의 흔적(폴리A꼬리)이 없고, 대신 인트론의 흔적을 지닐 수 있다._88~89쪽

트랜스포존과 게놈의 반복 요소
게놈에 이동성 유전인자가 존재한다는 사실은 유전학자들에게 새로운 발견은 아니다. 유전학자들은 20세기 중반부터 그 존재를 알고 있었고, 게놈에 이동성 유전인자가 많은 옥수수를 주로 활용해서 폭넓게 연구해왔다. 게다가 유전학 초기에 연구된 최초의 돌연변이 초파리는 붉은 눈을 만드는 유전자에 이동성 유전인자를 삽입하여 얻은 것이기도 했다. 이동성 유전인자의 삽입으로 인해 해당 유전자가 불활성 상태가 됨으로써 흰 눈을 가진 돌연변이가 생겨난 것이다. 옥수수를 통한 연구에서는 이동성 유전인자의 활동이 염색체 상에서 절단, 융합, 전좌와 같은 변화를 많이 야기한다는 사실이 밝혀졌다. 따라서 이동성 유전인자는 유전적 불안정성을 키우는 원인으로 지목되어왔다._90~91쪽

위성DNA와 게놈의 또 다른 요소들
위성DNA(satellite DNA)는 그 이름이 연상시키는 것과는 달리 염색체와 독립적으로 존재하는 DNA 분자는 아니다. 위성DNA는 게놈에서 다수 발견되는 짧은 반복 서열이다. 사람의 경우, 게놈 서열이 해독되기 훨씬 이전부터 두 종류의 위성 서열이 주목을 끌었다. 개체군 내에서 큰 다형성을 보이는 특성 때문에 개체의 유전자형 분석(미디어에서는 흔히 ‘DNA 검사’라고 부르는)에 사용되는 서열들이 그것으로, 가변적인 성질을 띤다는 이유에서 ‘직렬반복변수(variable number of tandem repeats, VNTR)’라고 명명되었다. 직렬반복변수로 분류되는 것으로는 소위성DNA(minisatellite DNA)와 미세위성DNA(microsatellite DNA)가 있다. 소위성DNA는 약 20개의 뉴클레오티드로 이루어진 기본 단위가 동일하거나 거의 동일한 방식으로 수차례 반복되어 있는 서열이다(이러한 구조를 ‘직렬반복서열tandem repeat sequences’이라고 부른다)._98쪽