1. 멘델
오스트리아의 유전학자, 성직자. 가난한 농부의 아들로 태어나서 고학으로 성직자가 되었다. 1815년에 교회의 후원으로 빈 대학에서 물리학․화학․생물학․수학 등을 공부하였다. 그 뒤 브륀 국립 종합 학교에서 자연 과학을 가르치는 한편, 7년간에 걸쳐 교회 뜰에 완두를 가꾸어 유전에 관한 실험을 한 끝에 1863년에 멘델의 유전 법칙을 발견하였다.
2년 뒤 브륀의 자연 과학 협회의 정기 회의에서 그것을 발표하였다. 그러나 유전․진화 연구에서 참으로 획기적인 이 대발견은 알아 주는 사람이 없어 20세기까지 빛을 보지 못하였다. 1868년에 주교가 되었으나, 교회 과세법에 반대하여 정부와 맞서다가 재산을 몰수당하는 등 불우한 가운데 세상을 떠났다. 저서로는 <식물의 잡종에 관한 연구>가 있다.
2. 멘델의 법칙
1) 우성의 원리
순종인 두 종자를 교배했을 때 제1대에서 나타나는 형질을 우성(dominant)형질, 나타나지 않는 형질을 열성(recessive)형질이라고 한다. 이것을 유전자 레벨에서 해석하면, 어떤 유전자 좌위가 이형접합자(heterozygote)일 때, 대립유전자 중 어느 하나가 다른 하나를 압도하고 자신의 형질을 발현시키는 경우가 있는데, 이때 압도하는 유전자가 당하는 유전자에 비해 우성 이라고 한다. 이 원리에 의하면, 열성형질이 발현되지 않더라도 그 유전자가 없어져버린 것이 아니며, 이후의 세대에서 동형접합(homozygote)이 나타나면, 그 형질이 다시 나타나게 된다.
2) 제1법칙 - 분리의 법칙(law of segregation)
각 유전 형질이 한 쌍의 대립 유전자에 의해 만들어지고 그 대립유전자는 화분과 밑씨(혹은 정자와 난자)가 감수분열을 통하여 형성될 때 분리된다는 법칙이다. 위의 우성의 법칙에 의해, 한 대립유전자가 다른 것에 대해 우성일 수도 있다. 생식에 의한 유전인자 재조합은 무작위(random)하게 일어나며, 따라서 확률의 법칙을 따른다. 이 법칙으로부터, 우성 순종과 열성 순종을 교배했을 때 F1은 우성 형질만을 나타내고, F2에서는 우성과 열성의 표현형의 분리비가 3:1이 된다는 결론을 이끌어낼 수 있다.
3) 제2법칙 - 독립의 법칙(law of independent assortment)
한 형질에 영향을 주는 한 쌍의 대립 유전자는 다른 형질에 영향을 주는 대립유전자와 독립적으로 동시에 유전된다는 법칙이다. 두 종류의 대립 형질의 놓고 관찰했을 때, 순종 우성(AABB)과 순종열성(aabb)의 교배에서, F2의 표현형의 분리비가 9:3:3:1이 된다. 이것을 각각의 형질에 대한 분리비로 다시 생각해보면, A와 a형질의 분리비는 3:1, B와 b형질의 분리비도 3:1이 된다. 이는 두 형질 각각에 분리의 법칙이 적용될 수 있음을 뜻하는데, 결국 두 형질이 서로 영향을 미치지 않고 독립적으로 유전될 수 있다는 것이다.
4) ABO혈액형과 멘델의 법칙
ABO혈액형은 멘델이 묘사한 영역의 밖에 있다. 멘델은 각 유전자좌위(멘델은 비록 이런 용어를 쓰지는 않았지만)에 존재하는 대립 유전자는 “한 쌍”이라고 가정하고 이 경우에 대해서만 이론을 세웠다. ABO혈액형 유전자는 복대립유전자로서 세 종류의 대립 유전자를 가진다. 그리고 그중에는 우성 관계가 명확하지 않은 것도 있다(A와 B) 그러므로 멘델의 유전법칙 만으로는 ABO혈액형을 전부 설명할 수는 없다 라고 말할 수 있다.
그러나 멘델의 이론에서 가장 중요한 것은 “한 개체에서 어떤 형질을 결정하는 유전인자는 ‘2개’이며, 이것은 각각 부모로부터 온 것이다”라는 사실이다. 멘델의 이 주장은 정말로 옳으며, 따라서 이 내용만 다치지 않는다면, 멘델의 법칙을 적당한 유연성을 가지면서 확장할 수 있다.(예를 들어 ‘한쌍의 대립형질’은 이론의 정립을 위해 꼭 필요한 조건은 아니다.) 요컨대 멘델의 법칙으로는 ABO혈액형을 전부 설명할 수는 없지만, 이것이 멘델의 법칙과 근본적인 모순을 일으키는 것은 아니라는 것이다.
Q : ABO혈액형은 멘델의 유전원리를 잘 따르는가?
A : 멘델 법칙에는 제1법칙인 분리의 법칙과 2법칙인 독립의 법칙이 있고, 좀더 근본적인 원리로서 우성의 원리가 있다.
3. 유전형질 중에서 멘델 법칙을 따르지 않는 상황.
멘델 법칙을 따르지 않는 상황은 대략 6가지로 나눌 수 있다. 이런 상황이 발생하는 이유는 각각의 상황의 정의(definition)에 함축되어 있다.
① 우성관계(dominance relationship)
이것은 두 대립유전자 간에 우성-열성 관계가 명확치 않기 때문에 생긴다.
• 불완전우성 - 이형접합자가 두 동형잡합자의 중간 정도를 나타내며, 양쪽 어느 것과도 같지 않을 때. (예: 흰색금어초와 적색금어초를 교배시키면 분홍꽃(hetero)이 나온다.)
• 공동우성 - 세 가지의 유전자형 중 동형접합자 두 개가 서로 다른 형질을 나타내고 나머지 한 개의 이형접합자는 이 두 형질을 모두 나타낼 때(예: ABO혈액형에서 A와 B)
② 복대립유전자(Multile Allele)
하나의 개체에서는 유전자 좌위 하나에 대해 2개의 대립유전자만을 지닐 수 있을지라도, 2개이상의 대립유전자가 교배에 관련될 때(예: ABO식 혈액형)
③ 유전자 상호작용(gene interaction)
하나의 유전자 발현이 다른 별개의 유전자에 의해 영향받을 때(예:생쥐의 털색)
④ 조건 유전자 발현(conditional gene expression)
환경 요인이나 개체의 연령과 같은 비유전적 인자에 의해 유전자발현이 조절될 때. (예: 샴 고양이의 털색-온도가 높으면 흰색, 낮으면 검은색)
⑤ 다인자유전(polygenic inheritance)
어떤 형질의 발현이 하나 이상의 유전자 활동에 의해 지배받을 때 (예: 사람의 피부색, 발 크기, 코 길이, 출생시 무게, 키, 지능 등)
⑥ 연관(linkage)
별개의 유전자들이 같은 염색체에 서로 연결되어 위치할 때 → 독립의 법칙이 불성립. (예: 스위트피(sweet pea))
이 중 연관은 유전형질 자체의 특성 때문에 멘델의 법칙이 불성립하는 것은 아니지만, 멘델의 법칙이 성립하지 않는 중요한 경우라는 의미에서, 포함시켰다. 이렇게, 멘델의 법칙을 따르지 않는 상황을 유전자가 어떻게 행동하는가를 아래 내용을 통하여 알아보자
1) 멘델의 실험
멘델은 서로 다른 완두 품종을 교배하고 그 결과를 관찰함으로써 실험을 시작하였다. 그의 연구는 매우 조심스럽게 게획된 일련의 실험과 그 결과의 통계학적 분석에 근거를 두고 있었다. 생물학적 현상을 기술하는 데 수학을 이용하는 것은 새로운 방법이었다. 멘델이 비엔나 대학교에서 보낸 2년은 헛되지 않았음이 분명하다. 멘델이 얼마나 주의 깊게 실험을 계획하였는가는 실험 재료로써 완두를 선택한 것에서도 드러난다.
그는 다른 사람이 교배샐험에 완두를 사용해서 성공했기 때문에 대강 짐작으로 완두로 실험을 시작한 것은 아니었다. 완두는 쉽게 구할 수 있고 재배하기가 쉬워서, 멘델은 34종류의 순종을 구할 수 있었다. 이들은 서로 현저하게 달랐기 때문에 실험 결과를 해석하는 데도 문제가 전혀 없었다. 멘델은 7개의 형질을 취하여 연구를 시작하였는데, 그 각각은 두 가지씩의 변이를 갖고 있었다.
종자 모양 : 둥글거나 주름진 것
종자 색 : 황색이거나 녹색
종피 색 : 백색이거나 회색
미성숙 깍지 색 : 녹색이거나 황색
깍지 모양 : 부풀거나 압축된 모양
줄기 길이 : 짧거나 (23-46cm) 긴 것(183-213cm)
꽃 위치 : 축 둘레 혹은 정단
완두는 종자를 많이 생산하기 때문에 멘델이 완두를 실험 재료로 선택한 것은 행운이었다. 그는 통계학을 배우면서 숫자가 많은 것이 실험의 의미와 타당성을 증가시킨다는 것을 알게 되었다. 하나의 깍지 속에 들어 있는 완두 각각은 자신의 유전자형과 표현형을 갖는 새로운 개체, 즉 종자이다. 또, 한 개체의 유전자형(genotype)은 유전자의 조합이고, 표현형(phenotype)은 관찰될 수 있는 형질의 조합이다. 따라서 단순히 완두를조사함으로써 자손의 표현형을 쉽게 알 수 있다. 그러나 멘델의 인공교배는 지루한 과정이었다.
대부분의 완두는 그대로 놔 두면 자가수정을 한다. 두 식물 또는 두 변종을 교배시키기 위해서는 우선 완두의 꽃을 열고 화분을 생산하는 꽃밥을 제거하고, 다음에 붓으로 외래 화분을 암술머리에 발라 주는 것이 필요했다. 이렇게 해야만 우연에 의한 잡종화를 방지할 수 있으며 필요할 때만 자가수정을 유도할 수 있다. 멘델의 연구 방법은 하나의 특징만이 서로 다른 두 종류의 순종 완두를 교배하는 것이었다. 원래의 어버이를 P라고 부르며 첫 세대의 자손을 F1이라고 한다. F1 식물간의 인공적 교배나 자가수정을 통하여생긴 자손을 F2라고 부른다.
2) 우성의 원리
멘델이 P1을 교배하였을 때, 그 당시 널리 알려졌던 융합설과는 달리 어떤 변이도 혼합되어 나타나지 않았다. 황색 종자의 식물과 녹색 종자의 식물을 교배시켰을 때 F1은 중간색이 아니라 모두 황색 종자였다. 멘델은 F1 세대에서 나타나는 형질을 우성(dominant) 형질이라고 불렀고, 나타나지 않는 형질을 열성(recessive) 형질이라고 불렀다. 이 때, 열성 형질이 그가 재배한 순종 계통에서 수많은 세대를 거쳐 전해 내려왔으므로 사라져 버렸을 리는 없었다. 그 다음에 멘델은 F1 식물을 자가수정 하도록 했다. 그리고 F1의 자손(F2세대) 중 1/4은 녹색이고 3/4은 황색임을 발견하였다. 열성형질이 다시 나타났던 것이다.
그는 다른 품종의 완두를 가지고 실험을 반복하였는데 모두 같은 결과를 얻었다. 그가 둥근 완두와 주름진 완두를 교배시켰을 때 F1 완두는 모두 둥근 것이었으나, F2 세대에서는 약 1/4이 주름진 것이었다. 그 비율은 변하지 않았다. 멘델은 계속적으로 실험을 해 나가면서 중요한 사실을 발견하였는데, 이것이 그의 유전 모델 발전에 결정적인 역할을 하였다. 그것은 두 종류의 황색 완두가 있다는 것이다. 즉, 원래의 어버이와 같은 순종 완두는 오직 황색 종자만 맺고, 다른 종류의 완두는 자가 수정을 시켰을 때 황색과 녹색 종자가 같이 들어 있는 완두 깍지를 맺는다는 것이다. 그러나 녹색 완두는 한 종류뿐이었다. 녹색 완두를 재배하여 자가수정시키면 항상 녹색 완두를 맺었다.
멘델은 한 개체에 있어서 어떤 형질을 결정하는 유전인자는 2개이며, 각각은 어버이에게서 오고, 그 둘은 서로 대립이 되는 변이체로 존재한다고 생각했다. 따라서 종자 색깔은 종자 색깔 인자에 의해서 결정되며, 녹색 변이체와 황색 변이체 2가지가 있다. 멘델이 인자라고 불렀던 것은 후에 유전자(gene)라고 불리게 되었고, 변이체는 대립유전자(allele)로 불려지게 되었다. 따라서 한 개체에서 각 유전자는 2개의 대립유전자로 나타난다. 만약 두 대립유전자가 서로 같으면 그 개체를 그 유전자에 대하여 동형접합성(homozygous)이라고 부르며, 서로 다르면 이형접합성(heterozygous)이라고 한다.
멘델은 F2 세대에는 동형접합성 황색 완두와 이형접합성 황색 완두가 있으며, 그들이 성숙하여 종자를 얻기 전에는 둘간의 차이를 식별할 수 없다는 것을 알았다. 그는 F3 세대가 필요하다는 것을 알고 후대검정(progeny testing)이라는 과정을 행했다. 이 검정은 보기에는 똑같은 황색 종자가 실제로 어떻게 다른가를 보여 준다. 동형접합성인 종류로 자가수정을 할 경우에는 한 종류(이 경우는 황색)의 완두를 맺는다.
그러나 이형접합성인 경우는 두 종류의 완두를 맺는다.그는 F2 세대의 황색 완두를 심어 그들이 자라 깍지를 맺을 때까지 1년을 기다린 후 그 깍지를 까서 어딴 식물이 순종인가를 결정하였다. 그는 F2 세대의 1/3은 순종(동형접합성)이고 다른 2/3은 그렇지 않다(이형접합성)는 것을 발견했다. 멘델은 그러한 비율에 대하여 다시 호기심을 갖게 되었다. 그는 이미 F2 세대의 3/4은 황색이고 이들의 1/3은 순종이라고 결정했었고, 3/4의 1/3은 4/1이다. 따라서 자손의 1/4은 동형접합성이며 황색이다. 또한 F2 전부를 보면 황색과 녹색의 비율은 3:1이다.
F2 전체의 1/4은 황색이며 순종(동형접합성)이다.
F2 전체의 1/2은 황색이나 비순종(이형접합성)이다. 1/4은 녹색
F2 전체의 1/4은 녹색이며 순종(동형접합성)이다. 3/4은 황색
똑같은 원리가 둥글고 주름진 종자에도 적용되었다. 둥근 완두는 두 종류였으며 주름진 것은 한 종류였다. 멘델은 7개의 형질을 모두 조사하였는데, 각각의 경우에 이와 똑같은 원리가 적용되었다(아래 표 1). 모든 경우에 멘델이 우성형질이라고 불렀던 특성이 F1 세대의 종자나 식물에서는 100% 나타났다. 또한 모든 경우에 F2 종자나 식물의 3/4은 우성형질을 보였고 나머지 1/4은 열성형질을 나타냈다. 아래표는 멘델이 분석한 우성, 열성형질과 함께 F1과 F2 교배 결과가 나타나 있다.
후대검정 결과 모든 경우에서 F2의 1/4은 우성형이고 순종(동형접합성)이었으며, 1/2은 우성형이나 잡종(이형접합성)을 나타냈고, 1/4은 열성형이고 순종(동형접합성)을 나타냈다. 열성형을 결정하는 어떤 것이 잡종인 F1을 통하여 순종의 열성 P 모체에서 순종의 열성 F2로 전달된 것이 분명했다. 멘델은 이를 분석하는 데 수학 부호를 사용하면 도움이 될 거라고 생각했다. 그는 A를 우성형을 결정하는 대립유전자로, a를 열성형을 결정하는 대립유전자로 표시하였다. 잡종인 F1과 모든 비순종 식물은 두 대립유전자를 모두 가져야 하므로 Aa로 나타냈다.
멘델은 잡종 Aa의 경우에 A가 어버이 중 어느 한쪽에서, 그리고 a는 나머지 한쪽 어버이에서 온다고 생각했다. 멘델은 실험적으로 어버이 중 어느 쪽이 종자를 맺고 어느 쪽이 화분을 제공해 주는지는 문제가 되지 않는다는 것을 증명하였다.
3) 멘델의 제 1 법칙 - 대립유전자의 분리
분리의 법칙(law of segregation)이라고 부르는 제 1 법칙에서 멘델의 가장 근본적인 원리는 각 유전형질이 한 쌍의 대립유전자에 의해 만들어지고 그 대립유전자는 화분과 밑씨(혹은 정자와 난자)가 감수분열을 통하여 형성될 때 분리된다는 것이다. 한 쌍의 대립유전자 내에서 한 대립유전자가 다른 것에 대해 우성일 수도 있다. 대립유전자의 조합은 우연적으로 일어난다. 멘델은 이형접합자가 생식할 때 그 배우자(식물의 경우 정자를 함유하고 있는 화분과 난자를 함유하고 있는 밑씨)는 두 형태이며 같은 비율일 것임을 최초로 깨달은 사람이었다.
즉, Aa의 형태에서 A와 a는 각각1/2씩의 확률로 만들어지고 그것들이 조합되어 자손의 유전형을 결정하게 되는 것이다. 그는 제 1세대에서는 한 형질의 우성이 나타나고, 다음 세대에서는 열성이 재출현한다는 것을 관찰하여 이것을 토대로 모델을 세우고 이를 실험적으로 증명하고자 하였다. 멘델은 대립형질의 분리 모델을 증명하지는 못했으나, 이 모델은 그 단순성과 뛰어난 적용성으로 인하여 그로 하여금 새로운 것을 예측하고 검정할 수 있도록 해 주엇다. 그것들은 거의 증명되었으나 다른 사람들은 염색체와 감수분열이 발견되었을 때까지 이를 확신하지 못하고 있었다.
4) 멘델의 제 2 법칙 - 독립적 분리
멘델은 한 번에 하나의 유전적 형질만을 연구함으로써 자신이 풀고자 하는 문제를 최소 단위로 쪼개어 해결하였다. 그 다음 단계는 한 번에 두 종류의 형질을 연구하는 것이었으며, 그래서 멘델은 황색의 둥근 종자를 맺는 순종과 녹색의 주름진 종자를 교배시키기로 결정하였다. F1은 모두 둥글고 황색이었다. 이것을 다음과 같이 표시할 수 있다.
P1:YYRR × yyrr
F1: 모두 YyRr
여기에서 R과 r은 둥글고 주름진 유전자의 두 대립유전자를 표시하며, Y와 y는 황색과 녹색 유전자의 대립유전자를 나타낸다. 둥글고 황색인 F1 완두를 교배시켰을 때, F1*F1(RrYy*RrYy)의 자손인 F2에서 멘델은 556개의 완두를 수확하여 이를 네 종류로 분류하였다(R_과 Y_는 개체는 우성이지만 두번째 대립유전자는 모른다는 것을 의미한다).
315(둥글고 황색) R_Y_
101(주름지고 황색) rrY_
108(둥글고 녹색) R_rr
32(주름지고 녹색) rryy
133개는 모두 주름지고 140개는 모두 녹색이다. 이들 숫자는 556의 1/4인 139에 근접한다. 이 결과는 멘델의 제 1 법칙을 따른다. 즉, F2 완두의 1/4은 주름지고, 1/4은 녹색이며 3/4은 둥글고 또한 3/4은 황색이다. 그러나 이것은 그 이상을 말해 주고 있다. 즉 두 특성을 결정하는 대립유전자는 서로 독립적으로 유전된다는 것을 보여준 것이다. 여기에서 확률의 곱셈법칙을 사용하면 2개의 독립적인 사건이 동시에 일어날 확률을 알 수 있다. 만약 종자가 둥글 확률이 3/4이고 황색일 확률도 3/4일 때 두 사건(종자 형태와 종자 색깔)이 서로 관계가 없다면, 둥글고 황색인 종자의 수는 312.75이다. 멘델이 종자를 세었을 때 315개의 종자가 둥글고 황색이었다(표 2).
멘델은 예상했던 수와 관찰된 수가 서로 일치한 것에 깊은 인상을 받았다. 그래서 그는 다시 이들 완두 중에서 순종과 잡종을 가리기로 마음먹었다. 이 결과도 예상치와 일치하였다. 그는 RR이 1/4, Rr이 1/2, rr이 1/4, YY가 1/4, Yy가 1/2, yy가 1/4일 것으로 예상하였다.
1/4 × 1/4 = 1/16은 RRYY
1/2 × 1/4 = 1/8은 RrYY
1/2 × 1/2 = 1/4은 RrYy
멘델은 556개의 F2 종자 중 529개를 교배하여 F3 세대를 얻었다. F3 유전자형이 다음 표에 있다.
다시금 멘델은 이들 숫자가 그의 모델과 잘 일치한다는 것을 알았다. 이번에는 세 형질의 조합을 시도하였다. 각 경우에 서로 다른 형질을 결정하는 각 쌍은 독립적으로 행동하였다.멘델은 이것을 “잡종에서 서로 다른 형질을 결정하는 각 쌍은 독립적으로 행동한다.”고 기술하였다. 이것이 바로 그의 제 2의 법칙인 독립의 법칙(law of independent assortment)이다.
5) 검정교배
멘델은 F2 세대의 개체를 자가수정시켜, F3 세대의 표현형을 관찰함으로써, 우성 표현형을 나타내는 F2의 유전자형을 결정할 수 있었다. 또한 우성개체의 유전자형을 확실히 알 수 있는 더욱 단순한 실험 방법을 개발하였다. 그것은 바로 검정교배(testcoss)라고 부르는 실험방법인데, 우성 표현형이지만 유전자형은 모르는 개체를 동형접합성 순종인 열성개체와 교배시키는 것이다.
예를 들어 어떤 종자의 표현형이 둥글면 그 유전자형은 RR이나 Rr일 것이며 이 종자를 주름진 동형접합성 열성개체(rr)와 교배시키면 유전자형을 알 수 있다. 만약 유전자형이 RR이면 그 자손은 모두 Rr이므로 모두 둥글다. 만약 그 유전자형이 Rr이면 자손의 표현형 중 1/2은 둥글고, 1/2은 주름진 것이다.
검정교배는 두 종류의 형질을 가진 우성개체의 유전자형을 결정하는 데도 사용될 수 있다. 사실 멘델은 이와 같은 검정교배를 통해 독립적으로 분리된다는 생각을 증명하는 데 많은 도움을 얻었다.
6) 멘델의 법칙에 대한 염색체상의 근거
멘델이 그의 연구를 마칠 무렵 다른 과학자들은 새로운 방향으로 생물학을 발전시키고 있었다. 독일 출신 학자 보베리(Theodore Boveri)는 성게의 난자와 정자를 연구하면서 염색체가 수정과 발생의 본질 부위라는 것을 확정지었다. 또 컬럼비아 대학의 대학원생 서턴(Walter Sutton)은 1902년에 발표한 논문에서 멘델 유전과 감수 분열 간에 밀접한 관계가 있음을 발표하였다. 즉, 두 개의 서로 다르면서 명백히 구별되는 이형염색체 쌍을 광학 현미경으로 관찰하여 감수분열시 그것들이 서로 독립적으로 분리되는 것을 관찰함으로써 멘델의 제 2 법칙에 대한 가시적인 증거를 제시할 수 있게 된 것이다.
7) 멘델 유전학의 재인식
1865년 멘델은 7년간의 연구를 마치고 그 결과를 브룬에서 개최된 자연과학 학회에서 발표를 하였지만 그 지역의 과학자들인 청중들은 그 의미를 이해하지 못하였다. 그의 논문은 다음해 학회의 논문집에 인쇄되어 널리 배포되었지만 그 당시의 학식 있는 과학자들은 관심을 갖지 않았다. 어떤 독일 식물학자가 멘델의 논문 초록을 식물육종에 관한 대형 백과사전에 포함시키기도 했지만, 세계는 여전히 그의 업적을 인정하지 않았다.
심지어 그 당시의 최고의 생물학자의 한사람이었던 다윈조차도 멘델의 깊은 생각을 이해하지 못했다. 멘델의 업적은 1900년까지 무시되었다. 그 해 서로 다른 나라의 세 명의 생물학자들이 유전법칙을 해결하려고 옛 문헌을 조사하다가 멘델의 논문을 접하게 되었고, 그들은 즉시 그 중요성을 인식하였다. 이제 무명의 수도사는 당대 최고의 학자가 되었으나 그는 이미 16년 전에 죽고 없었다.
4. 멘델 유전학에 따르지 않는 현상
멘델이 그의 실험을 성공적으로 이끌 수 있었던 것은 표현형이 분명하게 구별되는 극적인 효과를 보이는 유전인자만을 연구 대상으로 삼았기 때문이다. 그는 혈통이 같고 유전적으로 변이가 없는 순계를 대상으로 한 번에 한두 개의 형질을 조사하였다. 거의 모든 유전자가 적어도 유전자형 수준에서는 그의 원리에 따라 전달되기 때문에 멘델의 발견은 그 가치가 매우 크다. 그러나 가시적으로 나타나는 유전적 변이는 발달과 유전자 발현의 복잡성 때문에 표현형 수준에서는 그렇게 간단하지 않다. 그러나 멘델은 우연히 이것들을 피해갔다. 이제 멘델의 실험결과와는 달리 표현형 비율이 완벽하게 3 : 1이나 9 : 3 : 3 : 1로 나타나지 않는 복잡한 상황을 고려해 보자. 그들 복잡성을 분류해 보면 다음과 같다.
① 멘델이 완두의 대립유전자에서 관찰한 단순하고 완전한 우성과는 달리 여러 다른 형태로 우성이 나타나는 우성관계(dominance relationship).
② 하나의 개체에서는 유전자 하나에 대하여 2개의 대립유전자만을 지닐 수 있을지라도 2개 이상의 대립유전자가 교배에 관련될지도 모르는 복대립유전자(multiple allele).
③ 하나의 유전자 발현이 다른 별개의 유전자 발현에 의해 영향을 받는 유전자 상호작용(gene interaction).
④ 환경 요인이나 개체의 연령과 같은 비유전적 인자에 의해 유전자의 발현이 조절되는 조건 유전자 발현(conditional gene expression).
⑤ 어떤 형질의 발현이 하나 이상의 유전자 활동에 의해 지배받는 다인자유전(poligenic inheritance).
⑥ 별개의 유전자들이 같은 염색체에 서로 연결되어 위치하는 연관(linkage).
이러한 상황 모두가 멘델의 법칙에 의해 생기는 이상적인 비율에 심각한 영향을 미칠 것이라고 추측할 수 있다. 그러나 이것이 법칙 자체에 영향을 주지는 않는다. 본질적으로 핵내에 존재하는 모든 유전자는 분리와 독립의 법칙에 따른다. 그렇게 분명한 법칙을 따르는 유전자가 어떻게 예측하지 못한 결과를 초래할 수 있는가를 설명하기 위하여 다음 사항을 고려해 보자. 우리에게서 관찰되는 유전적 차이, 즉 키, 몸무게, 체격, 피부색, 체질, 얼굴 모양, 체력, 지능, 모발상태 등은 환경의 효과와 대립유전자의 변이 때문에 생기는 것이다.
이러한 표현형의 차이는 그들을 결정하는 유전자가 멘델의 법칙을 따라 정확히 분리되더라도 멘델의 비율로는 나타나지 않는다. 사람의 경우, 멘델 유전의 예로 흔히 인용되는 푸른색과 갈색 눈 색깔조차도 매우 복잡하고 예측불가능하다고 판명되었다. 사람은 단순히 푸른색이나 갈색의 눈만을 갖는 것이 아니고 회색, 연한 푸른색, 진한 청색, 담갈색, 얼룩진 색, 녹색의 눈을 가질 수도 있다. 이제 멘델의 법칙을 따르는 유전자가 어떻게 멘델의 방법과는 달리 행동하는가를 알아보자.
1) 우성 관계(Dominance Relationship)
하나의 유전자좌(gene locus)에 위치한 두 개의 대립유전자(allele)가 다양한 방법으로 표현형에 영향을 미치는 것을 우성관계(dominance relationship)라 한다. 두 대립유전자는 어버이에게서 하나씩 온 것이므로 어버이 각자는 각 좌위에 의해 조절되는 효과에 함께 기여한다. 그러한 유전계는 하나의 대립유전자가 작용하지 못하거나 결손된 경우에 기능할 수 있는 유전적 대안을 제공해 줌으로써 극단적인 경우에도 적응할 수 있게 해 준다. 하지만 보통 2개의 대립유전자는 우성관계를 통하여 상호작용한다. 아버지로부터 받는 유전자와 어머니로부터 받는 유전자가 서로 상반된 정보를 제공할 경우, 여러 사건이 일어날 수 있으나 가장 보편적인 결과는 하나의 대립유전자에서 오는 정보가 무시되는 경우이다.
이때 무시되지 않고 받아들여지는 대립유전자를 우성이라고 한다. 다시 말하면, 우성이란 이형접합자(상반되는 지시사항을 가짐)의 표현형이 동형접합자 중 하나의 표형형과 같다는 것을 의미한다. 어버이 어느 쪽에서 왔건 발현되는 대립유전자를 우성 대립유전자라고 부르고, 이형접합자에서 억제되는 대립유전자를 열성 대립유전자라고 부른다. 그런데 두 개의 서로 다른 대립유전자가 같이 있을 때 어떤 일이 일어나며, 하나는 어떻게 발현이 억제되는가? 생물체는 두 종류의 정보를 어떠한 방법으로 선택하는가? 우성이 일어날 수 있는 방법이 매우 다양하다. 가장 보편적인 경우는 열성 대립유전자가 아무 일도 하지 않아 발현되지 않는 것이다.
즉, 그 지시사항이 읽혀지지 않는다. 또 다른 경우는 열성 대립유전자가 약간의 기능을 하는 것이다. 이 때는 대립유전자가 읽혀지긴 하나 그 산물이 미량이다. 또한 더 활발한 우성 대립유전자에 압도되어 마치 전혀 기능을 하지 않는 것처럼 보일 수도 있다. 마지막으로 우성 대립유전자와 열성 대립유전자가 다른 방법으로 상호작용하는 경우를 생각해 볼 수 있다. 이 때 열성 대립유전자는 정상적으로 기능하지만 우성 대립유전자가 그 기능을 방해한다.
2) 불완전우성(Partial Dominance)
이형접합자가 두 동형접합자 중간 정도의 표현형을 나타내며 양쪽 어느 것과도 같지 않을 때 이러한 관계를 부분우성 또는 불완전우성(incomplete dominance)이라고 한다. 이것은 우성 대립유전자가 완전히 열성 대립유전자를 억제하지 못하여 발생한다. 예를 들어 금어초에서 붉은색 꽃을 피우는 동형접합성 금어초를 흰색 꽃을 피우는 동형접합성 금어초와 교배했을 때 F1 식물은 이형접합자이고 모두 분홍꽃을 피운다. 이 F1 식물을 자가수정시키면 F2 세대에서 1 : 2 : 1의 비율로 붉은 꽃과 분홍꽃, 흰꽃이 나타난다. 세 종류의 유전자형이 쉽게 구별되므로 F2 세대의 표현형 비는 F2의 유전자의 비와 같다. 때때로 이형접합자의 표현형이 단순히 두 동형접합자 사이의 절충형이 아니라 자신만의 독특한 특성을 갖는 경우도 있다.
3) 공동우성(Codominance)
세 가지의 유전자형 중 동형접합자 두 개가 서로 다른 형질을 나타내고 나머지 하나의 이형접합자는 이 두 형질을 모두 나타내는 경우가 있는데, 이러한 상태를 공동우성이라고 한다. 공동우성의 경우에는 두 형질이 이형접합자에서 모두 발현되나 불완전우성에서는 두 형질의 혼합이 일어난다. 공동우성은 쉽게 눈에 보이는 형질에서는 매우 드물지만 생화학적 검증을 통해 측정될 수 있는 유전형질에서는 흔히 볼 수 있다. 사람의 MN 혈액형은 대표적인 공동우성의 예이다.
4) 열성치사(Recessive Lethal)
동형접합성일 경우에는 그 개체의 죽음을 초래하나 이형접합자에서는 어떤 효과도 보이지 않는 유전자가 있는데, 이것을 열성치사 대립유전자라고 부르며, 옥수수 유식물이 대표적 예이다. 동형접합성 개체(ww)는 녹색의 엽록체를 만들지 못하므로 유식물은 생존이 불가능하다. 그들은 키가 작고, 종자에 저장된 양분으로 자라다가 양분이 다 떨어지면 죽는다. 반면 이형접합성 식물(Ww)은 정상적인 엽록체를 만들어 생장하며, 동형접합성 식물(WW)과 구별되지 않는다.
5) 우성치사(Dominant Lethal)
어떤 대립유전자가 우성치사성이면 동형접합이든 이형접합이든 이 대립유전자를 가진 개체는 모두 죽게 된다. 때문에 이 대립유전자가 다음 세대에 전달될 수 있으려면 이 대립유전자를 가진 개체가 적어도 생식 시기에 도달할 때까지는 살아 있어야 한다. 유명한 예로 사람을 쇠약해지게 하는 치사성 유전병인 헌팅턴 무도병(Huntington's chorea)이 있다. 보유자는 필연적으로 죽게되나, 나이가 40이 될 때까지는 그 효과가 나타나지 않으며, 때문에 이 대립유전자는 다은 세대에 충분히 전달될 수 있다.
6) 치사의 다른 예
치사 대립유전자는 불완전우성으로 나타날 수도 있다. 즉 생존하고 있는 동형접합자로부터 이형접합자를 구별해 낼 수 있다. 연골발육부전증(achondroplasia)이 좋은 예로 유전자형이 AA인 개체는 발달 초기 단계에서 죽는다. 그러나 이형접합성 개체(Aa)는 정상으로 태어나지만 특히 팔과 다리뼈가 더 이상 자라지 않는다. 이 병에 걸린 사람은 팔다리가 짧기 때문에 왜소하게 보이지만 머리 크기는 정상이고 건강하며 경우에 따라서는 운동도 할 수 있다.
7) 복대립유전자(Multiple Allele)
어떤 개체든 어버이 양쪽으로부터 하나씩, 오직 2개의 대립유전자만을 받지만 하나의 유전자 좌위에는 많은 대립 유전자가 있을 수 있다. 우성은 관점에 따라 달라질 수 있다는 것을 알 수 있다. 대문자를 사용하여 우성을 보다 정확히 표기하고자 하는 것도 곤란할 수 있다. 한 개체군은 특정 유전자에 대하여 두 개 이상의 대립유전자를 가질 수도 있지만 한 개체는 하나의 유전자에 대해서 오직 두 개의 대립유전자만을 갖는다.
8) 혈액형계
혈액형계에서 가장 중요하고 많이 알려진 것은 ABO계이며, 거기에는 A, B, O, AB의 4개의 혈액형이 있다. 혈액형은 적혈구 세포 표면에 있는 항원(antigen)에 의하여 결정된다. 즉, 적혈구 세포막에 붙어 있는 다당류를 항원으로 삼아, 면역 반응의 일환으로 항체(antibody)라는 단백질을 생산하는데, 항체는 항원에 결합하여 항원을 응집시킴으로써 백혈구 세포에 의하여 쉽게 파괴될 수 있도록 만들게 된다.
사람의 면역계는 자신의 세포 표면에 존재하지 않는 항원에 대한 항체를 만든다. 따라서 A 형의 사람은 항B 항체를 B형은 항A 항체를 O형은 이 두 종류의 항체를 생산한다. AB형은 A 항원과 B항원을 모두 가지고 있으므로 어느 항체도 만들지 않는다. 항A 항체와 항B 항체 때문에 수혈자와 피수혈자의 혈액형이 일치되지 않으면 안 된다. Rh 혈액형 - 다른 많은 혈액형 역시 복대립유전자를 가지고 있다. Rh 혈액형계(Rh blood group)은 8 종류의 흔한 대립유전자와 많은 희귀한 대립유전자를 가지고 있다. ABO 혈액형처럼 혈액이 항체에 반응하는 방법에 따라 대립유전자를 구분할 수 있다.
Rh 혈액형은 Rh 항원의 존재 여부에 따라 Rh+ 혹은 Rh-로 분류된다. 사람은 선천적으로 항Rh 항체를 가지고 있지 않으나, 항원을 가진 Rh+혈액을 Rh-인 사람에게 수혈하면 피수혈자는 Rh+ 인자에 대하여 항Rh 항체를 만들게 된다. 처음 수혈을 받을 때는 일반적으로 반응이 미약하지만 다시 수혈을 받게 되면 빠르고 더 크게 반응을 일으켜 매우 위험하게 된다. 때로 Rh-인 여자가 Rh+인 남자와 결혼해서 Rh+인 태아를 임신하게 되면 때때로 Rh+ 항원에 대한 항체를 형성한다. 이 여자가 다시 임신하게 되면 산모의 항체가 출생 전의 태아의 혈액에 들어가 적혈구를 파괴하는데, 이러한 경우를 태아 적아세포파괴증(erythroblastosis fetalis)이라고 부른다.
9) 유전자 상호작용(Gene Interaction)
멘델의 독립 유전의 비는 9 : 3 : 3 : 1로서 열성적인 그의 추종자들은 여러 번 이 비를 확인했다. 그러나 모든 쌍의 유전자 좌위들이 다른 형질의 유전에 영향을 미치지 않는 것은 아니다. 예를 들어 생쥐의 털 색깔을 조절하는 좌위가 그러한데, 유전자 C와 B가 있는 두 유전자좌위는 털 색소를 생산하는 생화학적 경로에서 각기 서로 다른 두 단계를 조절한다. 그리고 C 좌위는 B 좌위의 상위에 있다고 하는데, 상위성(epistasis)이란 한 유전자가 다른 유전자의 발현을 방해하는 것을 일컫는다. 생쥐의 이형접합자끼리 자가수정을 시키면 표현형의 분리비가 9 : 3 : 4, 또는 9 : 7 등의 비율이 나올 수 있게 된다.
10) 조건 유전자발현(Conditional Gene Expression)
하나의 유전자형은 개체에 따라, 혹은 같은 개체내에서도 조직에 따라 발현 방법이 다르다. 조건 유전자발현이란 유전자의 발현이 조건에 따라 달라진다는 것이다.
11) 환경 영향
황경 영향은 경우에 따라서 매우 분명하기도 하고 매우 불분명하기도 하다. 예로 샴 고양이의 경우를 보자. 이 고양이의 색소 합성 경로에 관계하는 효소 중 어떤 것은 온도에 매우 민감하여 온도가 높은 부위에서는 기능을 발휘하지 못한다. 때문에 온도가 낮은 부위인 귀, 꼬리, 발, 코 등에서는 검거나 암갈색을 띠지만 나머지 부위는 황갈색이거나 거의 흰색에 가깝다. 이 고양이를 더운 방에서 키워 보면 거의 흰색으로 변하고, 밤에 밖에 내놓으면 다시 검어진다. 주위 온도가 표현형에 영향을 미치는 다른 예를 날개가 돌돌 말린 초파리 날개 돌연변이체에서 볼 수 있다. 16℃ 이상에서 키운 초파리는 날개가 등 뒤로 말려올라가 잘 날지 못한다.
12) 불완전 침투도와 가변성 발현도
개체가 우성 유전자형을 가지고 있으나 이를 발현하지 않는 경우가 있는데, 이러한 상태를 불완전 침투도(incomplete penetrance)라고 한다. 예를 들어 혀를 돌릴 수 있도록 하는 유전자는 우성이나 이 우성 대립유전자를 가진 모든 사람이 혀를 돌릴 수 있는 것은 아니다. 사람은 모두 혀를 전부 돌릴 수 있거나 아니면 아예 돌릴 수 없으며 부분적으로 혀를 돌릴 수는 없다. 우성 대립유전자를 가진 사람 중에서 오직 약 8/10만이 혀를 돌릴 수 있으므로 이 대립유전자는 80%의 침투도를 가졌다고 말할 수 있다.
돌연변이체의 표현형이 다양하게 발현되는 경우가 있는데, 이를 가변성 발현도(variable expressivity)라고 부른다. 인류 유전학에서 드물게 나타나는 우성형질로는 손가락이나 발가락이 더 붙어 있는 다지증(polydactyly)이 있다. 이 우성 대립유전자는 가변성 발현도를 나타내므로, 두 손과 두 발 모두가 영향을 받을 수도 있고 한 손이나 한 발만이 영향을 받을 수도 있다. 이는 어떤 형태의 메카니즘이 경우에 따라 작동하고 있음을 의미하는 것이다.
13) 한성효과와 종성효과
한 희귀한 형태의 자궁암에 우성 유전자가 관련되어 있다고 알려져 있다. 말할 필요도 없이 이 유전자는 여성에게만 영향을 주므로 한성형질(sex-limited trait)을 조절한다. 종성형질(sex-influenced trait)은 양쪽 성에 모두 영향을 주나 그 효과가 서로 다르다. 가장 흔한 예인 중년기의 탈모 현상은 우성 대립유전자에 의하여 남성에게만 나타나며, 여성은 머리카락이 가늘어지게 된다. 거세한 남자의 경우에는 남성호르몬을 주입하지 않는 한 이 유전자가 영향을 발휘하지 않는다.
14) 발현 연령의 가변성
탈모증과 근육위축병(muscular dystrophy)은 출현하는 연령이 가변성을 띤다. 헌팅턴 무도병도 발병하는 나이가 가변적이다.
15) 다면발현(Pleiotropy)
하나의 유전자가 2개 이상의 형질을 지배하는 경우이다. 가장 잘 알려진 예로 페닐케톤뇨증(phenylketonuria)이라고 불리는 유전병이 있다. 이 유전병에 걸린 어린이는 아미노산의 일종인 페닐알라닌을 대사하지 못하여 이것이 혈액에 축적되는데, 그 효과는 몸 전체에 나타나나 조직에 따라 다르게 나타난다. 에를 들어 정신박약아가 될 수도 있고, 머리가 정상 크기로 자라지 않을 수도 있다. 나아가 이 대사 경로의 최종 산물인 색소가 결핍되어 머리털과 피부가 엷은 색을 띠기도 한다.
16) 연속변이와 다인자유전
많은 표현형질은 둥글거나 주름진 완두와 같이 두 가지 중 ‘어느 한 쪽’ 형질에 꼭 들어맞지는 않는다. 대신 이들 형질은 경사진 상태로 나타나며 이를 연속변이(continuous variation)라고 부른다. 물론 모든 대립유전자는 쌍으로 관여하고 멘델의 분리의 법칙과 독립의 법칙을 따른다. 그러나 연속변이는 하나 이상의 좌위에 있는 대립유전자들이 관련되기 때문에 생긴다. 하나 이상의 좌위에 있는 대립유전자들이 같은 형질에 관여할 때 이를 다인자유전(polygenic inheritance)이라고 하고 이 형질은 다인자형질이라고 부른다. 사람의 경우 피부색, 발 크기, 코 길이, 출생시 무게, 키, 지능 등은 모두 다인자유전의 예이다.
17) 연관(Linkage)
서턴과 그 외의 많은 사람들이 염색체가 유전인자를 포함하고 있으며, 하나의 염색체에는 많은 수의 유전인자가 존재한다고 결론을 내린 후 얼마 지나지 않아 멘델의 독립의 법칙은 모든 유전자에 적용되지 않는다는 것이 밝혀지기 시작했다. 그 이유를 유전학자들은 만약 유전자가 무작위로 분리되지 않는다면 함께 연결되어, 즉 연관되어 있음이 틀림없다고 결론을 내렸다. 또한 같은 염색체의 한 부분으로서 서로 연관되어 있는 형질의 유전자들을 연관군(linkage group)이라 하며 이들은 함께 이동한다고 결로맺었다. 연관군이란 같은 염색체상에 존재하며 함께 유전되는 경향이 있는 유전자 집단으로 정의한다. 따라서 유전자의 연관은 독립의 법칙을 벗어난다.
18) 연관, 교차, 유전적 재조합
교차(crossing over)는 서로 다른 두 유전자의 대립유전자 사이에서 재조합을 일으킨다. 교차가 일어난다는 것은 DNA의 화학결합이 절단되고 염색분체가 교환된다는 것을 뜻한다. 매우 낮은 재조합 빈도를 나타내는 유전자는 단단히 연관되어 있고, 높은 빈도로 나타나는 경우에는 느슨하게 연관되어 있다고 한다.
교차는 연관된 유전자좌위의 대립유전자가 때때로 그들의 연관관계를 변화시킬 수 있도록 해 준다. 교차는 유전적 재조합을 일으키는 물리적, 세포학적 현상이다. 만약 상동염색체상에 있는 관련 유전자들이 동형접합성이면 재조합이 일어났다고 말할 수 없으므로 , 재조합 없는 교차는 있을 수 있으나 재조합은 교차 없이 일어날 수 없다.
같은 염색체 상에서 서로 가깝게 위치하고 있는 유전자 사이에서는 교차가 일어날 가능서이 적다. 그들은 감수분열이 일어나는 동안 한 단위로서 움직이고, 검정교배에서도 하나의 연관군으로 유전되는 경향이 있다. 예를 들어 하나의 염색체상에 존재하는 유전자 A와 B의 대립유전자들이 너무 가깝게 있어서 이들이 교차에 의하여 분리될 기회는 1%이고 분리되지 않을 기회가 99%라고 한다면, 이들 두 유전자좌 사이에서 재조합이 일어날 기회는 1%이다.
일반적으로 두 유전자좌위 사이에서 일어날 재조합 빈도(recombination frequency)는 일반적으로 R로 표시하며, 따라서 R은 재조합 자손의 수를 전체 자손의 수로 나눈 것과 같다. R은 교차가 일어날 확률과 관련이 있으나 정확히 같지는 않다. 두 유전자 사이의 거리가 멀면 멀수록 R은 거리를 나타내는 값으로의 가치를 잃게 된다. 이것은 그 사이에서 두 번의 교차가 일어날 수 있기 때문이다.
19) 유전자지도 작성
모건(Thomas Morgan)의 실험을 통해 초파리는 유전학 연구를 위한 최상의 생물이 되었다. 모건의 연구진은 초파리를 연구하는 동안에 꽤 많은 수의 유전자를 대상으로 재조합 빈도에 관한 자료를 충분히 수집하였는데 이들을 조사하는 동안에 연관된 유전자 쌍은 각기 특징적인 재조합 비를 가지고 있음을 알게 되었다. 즉 어떤 유전자 쌍도 똑같은 결과를 보여주지 않았다. 모건은 교차율, 즉 재조합 빈도는 한 염색체 상에 존재하는 두 유전자 사이의 거리에 비례한다고 추론하였다. 그 때 학부생 스터트반트(Alfred sturtevant)는 모건의 주장을 논리적으로 확장시켰다.
그는 “교차율은 유전자 사이의 거리를 나타내는 척도로 사용될 수 잇다, A와 B 그리고 B와 C 사이의 거리를 결정함으로써 A와 C 사이의 거리를 예측할 수 있을 것이다. 교차율이 실제로 거리를 나타낸다면 AC 사이의 거리는 AB 사이의 거리에 BC 사이의 거리를 합한(AB+BC) 것이나 AB 사이의 거리에서 BC 사이의 거리를 뺀(AB-BC) 것이 될 수 있다”라고 말하였다. 이러한 생각에 근거하여 이들 이후에도 많은 유전학자들이 유전자지도를 작성하게 되었다.유전자 지도를 작성함으로써 염색 체에 존재하는 유전자의 순서 뿐만 아니라 그들 사이의 거리에 대한 정보도 알 수 있다. 또한 유전자지도 작성을 통하여 새로 발견된 돌연변이 대립유전자가 이미 알려진 유전자좌위의 변이체인지 아닌지를 판단할 수 있으며 어느 유전자가 어느 염색체에 존재하는가도 알 수 있다.
20) 염색체와 성
모건은 초파리의 형질변이를 연구하면서 초파리의 눈색깔의 유전에 성염색체가 밀접하게 관련되어 있다는 것을 알게 되었다. 즉 X 염색체에 성형질 이외의 표현형을 나타내는 유전자가 연관되어 있다는 것을 알게 되었다. 초파리의 눈 유전과 같은 열성 형질 변이 유전이 사람의 경우에는 색맹(Colorblindness)의 유전을 들 수 있다. 사람의 색맹은 X 염색체상에 가깝게 연관된 두 유전자좌위 중 하나에 있는 열성 대립유전자에 의하여 생긴다.
색맹 이외에도 혈우병이나 근육위축병과 같은 다른 많은 성연관 유전현상이 사람에게서 나타난다. 때로 성연관 돌연변이 대립유전자 중에서 소수는 우성을 나타내기도 한다. 예를 들어 치아에 갈색 반점을 나타나게 하는 형질은 우성으로서 병에 걸린 아버지로부터 모든 딸에 전달되며 그 아들은 아무 것도 받지 않는다. 병에 걸린 여성은 이를 딸의 절반과 아들의 절반에 전달한다. 따라서 이 치아 갈색 반점은 2개의 X 염색체를 가지고 있는 여성에 많이 나타난다.
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