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돌연변이
돌연변이(突然變異, mutation)란 유전정보가 기록된 DNA분자가 여러 가지 요인 (예: 전자기파, 방사선, 화학물질, 외부/내부 유전자 등)에 의하여 원본과 달라지는 것을 말한다. 돌연변이가 일어나면 그 유전자에 의해 생산되는 단백질에 변화가 생기고, 이는 유전형질의 변화를 불러오게 된다. 이러한 돌연변이의 축적은 유전자 집단 안에 다양한 유전적 변이를 축적시키게 되며, 이렇게 만들어진 유전적 변이는 자연선택에 의해 진화의 가능성을 높이게 된다. 돌연변이에 의해 새로 만들어진 개체를 돌연변이체 또는 변종(mutant)이라고 한다.
목차
개요
돌연변이의 원인은 유전물질의 복제과정에서 우연히 발생하는 것과 같은 자연적인 원인과 방사선이나 화학물질 등의 영향으로 인한 것과 같은 외부 요인이 있다. 자연발생적 변이는 100만 번의 DNA복제 중에서 한 번 정도의 비율로 일어나며, 방사선이나 약품을 처리하면 이보다 높은 빈도로 일어난다. 노랑초파리를 이용한 인위적인 돌연변이 실험의 결과 돌연변이의 약 70 %는 개체에게 해로운 방향으로 진행되며, 나머지 돌연변이는 중립적이거나 유리한 성향을 보인다. 돌연변이가 개체에게 해로운 작용을 할 가능성이 높기 때문에 생물은 세포 수준에서 돌연변이를 무효화하는 DNA 수복 기제를 작동시키도록 진화하여 왔다.
따라서, 생물 종에서 일어나는 실제 돌연변이 비율은 높은 돌연변이 비율을 가질 경우 발생할 수 있는 해로운 돌연변이로 인한 비용과 DNA 수리 효소 등의 생성에 필요한 물질대사를 이루기 위한 에너지의 소모 비용 간의 균형을 통해 결정되게 된다.
돌연변이 비율이 높은 것이 오히려 유리할 수도 있다. 바이러스의 경우 RNA를 유전 물질로 사용하며 돌연변이 비율이 매우 높은데 이는 인간 등의 면역 체계를 피해야 하는 바이러스에게 유리하게 작용한다.
흔히 발견할 수 있는 돌연변이 가운데 하나는 유전자 재조합의 과정에서 일어나는 유전자 중복이다. 유전자 중복의 결과 나타난 새로운 유전자는 진화의 원인이 된다. 생물 종에서 유전자 중복의 발현 정도는 매 백만 년 당 수십 회에서 수백 회 정도로 알려져 있다. 생물에서 발견되는 상동성 역시 이러한 유전자 중복과 같은 돌연변이의 결과로 이해할 수 있다. 즉 유전자 재조합 등을 통해 다음 세대로 전달된 돌연 변이는 기존의 유전자와는 다른 새로운 기능으로 발현되게 되는 것이다.
유전자 수준뿐만 아니라 염색체 수준에서 발생하는 대규모 돌연변이도 있다. 예를 들면 염색체의 분리나 접합에 의한 염색체 수의 변화가 그것이다. 사람속의 염색체에서도 이러한 사실을 확인할 수 있다. 인간 염색체 2번은 원래 두 개의 염색체였으나 돌연변이에 의하여 하나의 염색체로 접합된 것이다. 때문에 다른 영장류가 24쌍의 염색체를 갖는 것에 비해 인간은 23쌍의 염색체를 갖게 되었다.
잡종의 발현과 같은 이유로 인해 발생할 수 있는 염색체 재배열은 집단간의 유전자 변이를 일으켜 결국 종분화가 이루어지는 원인이 되며, 그 결과 진화의 진행을 가속시킬 수 있다.
게놈 안에서 위치를 바꿀 수 있는 유전자 군인 전이성 유전인자 역시 생물의 유전자 변화에 중요한 역할을 담당하고 있으며 게놈의 진화에 기여한다. 인간의 경우 전체 인간 게놈의 45%가 5종류의 전이성 유전인자로 이루어져 있다. 이 가운데 전체 게놈의 20%를 차지하는 LINEs(long interspersed dements)는 태고적부터 존재하여온 매우 안정적인 전이성 유전인자로 크기가 6 Kb(약 6,000개의 염기쌍)나 된다. LINEs에는 약 300개의 염기쌍으로 된 ALU라 불리는 기생적인 유전자 코드가 수십만번 반복 되는데 ALU자체는 전이 능력이 없으나 LINEs가 이동할 때마다 ALU도 함께 옮겨간다. 경우에 따라 ALU가 LINEs의 효소인자를 이용하여 다른 염색체로 이동할 경우 치명적인 돌연변이를 유발시키기도 한다. 인간의 전이성 유전인자에는 LINEs 외에도 게놈의 8%를 차지하는 RNA유래 전이인자, 3%를 차지하는 DNA유래 전이인자 등이 있으며 나머지 4%는 전이 능력을 상실하여 더 이상 전이되지 않는 비활성 전이인자이다.하지만 돌연변이는 진화의 원동력이다.
연구의 역사
19세기 말 네덜란드의 식물·유전학자 더프리스가 큰 달맞이꽃에서 발견한 유전적인 별종에 대해 돌연변이라는 단어를 처음 사용하였다. 그는 보통 달맞이꽃을 재배하다가 전에 없었던 꽃이 매우 큰 달맞이꽃을 발견하였는데 이것의 씨를 받아 재배하였더니 다음 대에 유전되어 큰 꽃을 피웠다고 한다. 그 후 1910년 미국의 모건이 초파리에서 흰눈의 돌연변이를 발견하였고, 멀러가 초파리에 X선을 쬐여 인위적으로 돌연변이를 일으키는 데 성공하여 유전학 발전에 크게 공헌하였다.
돌연변이의 원인
돌연변이가 일어나는 원인은 다양하다. DNA 복제과정 중 DNA 중합효소가 오작동하거나, 전이인자 (transposon)와 같은 이동성 DNA가 삽입되어도 돌연변이가 일어난다. 또한 자외선, X선, 감마선을 쪼여도 돌연변이가 일어난다. 돌연변이의 원인을 종류별로 구분하자면 다음과 같이 4가지로 구분할 수 있다.
- 자발적으로 일어나는 돌연변이 (spontaneous mutation)
자발적으로 일어나는 돌연변이는 외부 요인이나 내부 요인의 영향없이 자발적으로 일어나는 돌연변이다. 여기에는 탈퓨린화 (depurination), 탈아민화 (deamination)등이 있다. 이 자발적으로 일어나는 돌연변이 (spontaneous mutation)는 흔하게 일어나지 않는다.
- 오류 발생이 쉬운 복제 우회 (error-prone replication bypass)
세포가 직면한 상황이 좋지 않을 때 부정확한 염기를 일단 집어넣고 DNA를 복제하기 때문에 생기는 돌연변이이다. 오류 발생이 쉬운 복제 우회 혹은 error-prone replication bypass라는 용어가 쉽게 이해되지 않을 수 있다. 이해를 위해 다음의 상황을 가정해보자. DNA 복제 과정 동안 주형 가닥에 손상이 일어났으나 주형 가닥에 일어난 문제를 수정할 시간이 없을 정도로 세포의 상황이 좋지 못할 때가 있다. 세포가 산화 스트레스를 받고 있는 경우가 그런 예이다. 일반적인 DNA 복제에서는 주형 가닥의 정보를 바탕으로 반대편 가닥에 염기를 집어 넣는다. 그러나 세포가 산화 스트레스를 받고 있는 경우에는 주형 가닥이 망가졌기 때문에 주형 가닥의 정보를 이용할 수 없다. 이 경우 세포는 최후의 수단을 선택한다. 반대편 가닥에 엉뚱한 염기를 일단 집어넣고 DNA 복제를 계속 진행한다. 이 현상을 오류 발생이 쉬운 복제 우회 (error-prone replication bypass)라고 한다. 다시 표현하자면 부정확한 염기를 일단 집어넣고 복제를 계속해가는 과정이라고 할 수 있다. 따라서 원래의 주형 가닥과 새롭게 형성된 가닥에 있던 염기와 비교해보면 새롭게 형성된 가닥에 돌연변이가 발생하게 된다.
- DNA 수리과정중에 일어나는 돌연변이 (mutation introduced during DNA repair)
이중 가닥으로 되어 있는 DNA에 한쪽 가닥이 국부적으로 절단되는 경우는 종종 일어나지만 어떤 부위에서 양쪽 가닥이 모두 절단되는 경우도 드물게 일어난다. 이렇게 양쪽 가닥이 모두 절단되면 세포는 이 절단된 곳을 수리하는 작업을 시작한다. 이 수리 과정 동안 몇 개의 뉴클레오티드(nucleotide)가 제거되기도 한다. 결국 수리 전과 후를 비교해보면 절단되었던 자리에 돌연변이가 발생하게 된다.
- 유도된 돌연변이 (induced mutation)
유도된 돌연변이 (induced mutation)는 특정한 돌연변이 유발원 (mutagen)이나 환경적인 원인에 의해 일어나는 돌연변이를 말한다. 돌연변이 유발원에는 여러가지 화학물질 (예를 들자면 DNA 인터킬레이팅 약물), 자외선, 또는 감마선등이 있다. [네이버 지식백과] 돌연변이 [mutation] (분자·세포생물학백과)
종류
일반적으로 변이는 유전정보(유전자 다양성)을 증가시키며, 각 세대마다 조합을 통해 증가하는 유전정보 이외에도 무작위적인 변화가 가능해진다. 이러한 증가된 유전정보에는 선택압의 영향이 작용할 수 있게 된다. 돌연변이의 종류는 그것이 작용하는 방식과 규모에 따라 다음과 같이 구분된다.
구조에 영향을 미치는 돌연변이
구조에 영향을 미치는 돌연변이는 유전자가 생성하는 단백질이 변형된 결과 생물의 구조가 변형되는 돌연변이로서 소규모인 경우와 대규모인 경우가 있다.
- 소규모 돌연변이는 뉴클레오타이드 수준에서 일어나는 돌연변이로 다음과 같은 것이 있다.
- 대규모 돌연변이는 염색체 수준에서 일어나는 돌연변이로 다음과 같은 것이 있다.
아미노산 서열에 미치는 영향에 따른 분류
돌연변이는 또한 해당 부위의 DNA가 암호화하는 폴리펩티드의 아미노산 서열에 어떤 변화를 야기하는지에 따라 대략 세 가지 경우로 나눌 수 있는데, 이들은 각각 점돌연변이에서 바뀐 염기서열이 아미노산 서열에 변화를 가져오지 않는 침묵돌연변이(silent mutation), 바뀐 염기서열이 아미노산의 치환을 가져오는 과오돌연변이(missense mutation), 그리고 바뀐 염기서열이 종결코돈이 되어 정상보다 짧은 폴리펩티드를 생산하게 하는 정지돌연변이(nonsense mutation)이다. 한편, 앞서 이야기한 삽입이나 결실의 경우에, 변화된 뉴클레오티드 개수가 3배수가 아니라면 삽입 또는 결실이 시작되는 지점 근처에서부터 코돈 짜임새에 변화가 생겨 그 이후로의 아미노산 서열이 전부 바뀌고 중간에 흔히 종결코돈이 생성되기도 하는데 이를 틀이동돌연변이(frameshift mutation)이라 한다.
기능에 영향을 미치는 돌연변이
일반적으로 기능이라는 것은 적응의 정도에 따라 차이가 있다. 특정 기능이 사라짐으로서 다른 기능으로 이용되기도 하며, 반대로 기능의 증가로 인해 기존의 기능을 사용하지 못하게 되는 경우도 있기 때문이다. 그러므로 여기서 설명하는 변이들은 서로 반대로 해석될 수도 있다.
- 기능이 상실되는 돌연변이
- 유전자 접합에 의한 일부 변이들
- 기능이 획득되는 돌연변이
- 호메오 박스 돌연변이(안테나피디아)의 경우, 더듬이 부분에 새로운 다리가 나게 됨으로써 다리의 기능을 획득하게 된다.
- 항생제 저항성 유전자의 획득: 플라스미드를 통해, 항생제의 하나인 페니실린을 파괴할 수 있는 효소를 만드는 기능을 획득하게 됨으로써, 펜타글리신 다리로 구성된 세포벽을 지킬 수 있게 해준다.
- 대장균의 장기간 진화 실험: 시트르산을 사용하는 기능을 획득한 경우이다.
- 복귀 돌연변이
적응도
돌연변이는 생물의 적응도와 관련하여 다음과 같이 분류할 수 있다. 일반적으로 이 분류는 환경에 따른 진화 방향을 결정하게 되며, 환경이 달라지게 되면 기준이 바뀌게 된다.
- 해로운 돌연변이
- 이로운 돌연변이
- 중립적 돌연변이
대표적으로 겸형 적혈구 빈혈증의 경우, 대부분의 환경에서는 해로운 변이로 작용하지만, 말라리아가 창궐한 지방에서는 이형 접합자 이점에 의해 이로운 변이로 작용한다. 비슷한 예로, 안테나 페디아의 경우, 대부분의 환경에서는 불리하게 작용하나, 더듬이 부분에 작용하는 농약이 있는 곳에서는 이롭게 작용한다. 많은 변이들이 해롭게 작용하는 것은 사실이나, 이로운 변이는 다수 존재하며, 이는 환경에 따라 달라지기 때문에 해롭다와 이롭다, 중립의 절대적인 정의는 존재하지 않는다.
일부 의사과학을 주장하는 집단(창조과학회 등)에서는 이로운 변이가 존재하지 않는다는 반지성주의적 주장을 하는데, 이는 사실과 다르며, 이들의 주장과는 정반대로, 이로운 변이는 다수 존재하며, 이는 환경에 따라 결정되기에 그들이 제시하는 "해로운 변이" 역시 이로운 변이로서 작용하는 경우가 많다.
유전자돌연변이
유전자의 본체인 DNA의 구조가 변화하여 발생한다. 다음의 예가 있다.
- 초파리 : 눈의 색깔과 모양, 날개의 모양, 체색 등이 변이한다.
- 겸형적혈구빈혈증 : 사람의 정상적인 적혈구는 원반형이다. 그러나 돌연변이로 낫모양이 되면 산소운반이 잘 안되어 빈혈이 된다.
- 알비노 : 멜라닌색소를 형성하는 유전자에 변이가 생겨, 몸 전체 또는 일부분이 희게 되는 현상을 말한다.
염색체이상
염색체의 수 및 구조에 이상이 있어 발생한다. 다음의 예가 있다.
- 다운증후군 : 21번 보통염색체가 3개로 정상인보다 1개 더 많다. 두 눈 사이가 크게 벌어지고, 혀가 두꺼워 항상 입을 벌리고 있으며, 성장이 늦고 지능도 낮다.
- 클라인펠터증후군 : 성염색체의 구성이 XXY로 유방이 발달하는 등 불완전한 남자가 된다.
- 터너증후군 : 성염색체의 구성이 X로 겉으로 보기에는 여자이나 2차 성징이 느리고 키가 작으며 지능이 대체로 낮다.
돌연변이원의 검색
체내에서 돌연변이원(mutagen)으로 작용하여 DNA 염기서열에 돌연변이를 일으키고 암을 유발하는 발암원(carcinogens)을 검색하기 위한 방법으로 박테리아를 이용한 에임즈 시험법(Ames test)이 있다. 히스티딘(histidine) 아미노산의 합성 능력이 결핍된 박테리아를 이용하며 성장에 히스티딘이 요구되는 박테리아를 히스티딘 결핍 배양액에 첨가하고 조사대상물질인 돌연변이원을 처리하여 자라는 균체 수를 측정한다. 정상적인 조건에서 이 박테리아는 히스티딘이 없는 환경에서 자랄 수 없으나 어떤 돌연변이 유발인자로 인해 돌연변이가 일어나 히스티딘을 합성하는 능력을 회복시킨다면 히스티딘이 없는 배지에서 자랄 수 있는 능력을 얻게 되는 것이다. 이 시험법을 위해 균을 배양할 때 간의 추출액을 처리하는데 이는 간이 해독작용을 할 때 일어나는 효소반응으로 인해 특정 화합물이 돌연변이 유발물질이나 발암물질로 전환되기 때문이다.
돌연변이의 이용
때때로 돌연변이체는 작물의 육종을 위한 육종소재로 활용되기도 한다. 따라서 돌연변이를일으키는 방사선을 조사하거나, 화학물질을 처리하여 돌연변이를 유도하기도 하며, 육종소재로 활용할 뿐 아니라 유전자의 기능을 연구하기 위한 소재로도 사용한다. 돌연변이를 이용한 육종은, 교잡을 이용한 육종이 불가능하거나 GMO 육종기술이 미확립된 식물등에서도 적용이 가능하기 때문에 유용한 육종방법이다. 방사선 돌연변이를 통해 개발된 품종은 극만생 특성을 가진 녹원찰벼, 기능성 다이어트쌀인 고아미 2호, 글루텐 함량이 적은 LGC-Jun 등이 있다. 다른 국가들도 감마필드, 감마온실들을 운영하여 방사선육종을 품종개량에 적극 활용하고 있다.
돌연변이(Mutation)의 장단점
돌연변이(Mutation)는 유전적 변이의 일종으로서, 다양한 장단점을 가지고 있습니다. 이를 요약하면 다음과 같다.
장점
1. 진화와 다양성 증진: 돌연변이(Mutation)는 종의 진화와 다양성을 증진시키는 역할을 한다. 새로운 돌연변이(Mutation)는 유전자 풀에 다양성을 추가하여 적응력을 향상시키고 종의 생존 가능성을 높일 수 있다.
2. 유전적 질환 연구: 돌연변이(Mutation)는 유전적 질환의 원인을 밝히는 데에 도움을 준다. 특정 돌연변이(Mutation)의 발견은 유전적 질환의 메커니즘과 관련된 유전자나 단백질의 기능을 이해하는 데에 중요한 정보를 제공할 수 있다.
3. 질병 예방 및 관리: 일부 돌연변이(Mutation)는 질병 예방이나 관리에 도움을 줄 수 있다. 예를 들어, 특정 돌연변이(Mutation)와 약물 대사의 관련성을 알면 약물의 효과와 부작용을 예측하여 개인 맞춤형 치료를 개발할 수 있다.
단점
1. 유전적 질환 발생: 일부 돌연변이(Mutation)는 유전적 질환의 원인이 될 수 있다. 이러한 돌연변이(Mutation)는 개인의 건강에 부정적인 영향을 미치며, 유전적 질환의 발생 가능성을 증가시킨다.
2. 비정상적인 세포 증식: 일부 돌연변이(Mutation)는 비정상적인 세포 증식이나 종양 형성과 관련될 수 있다. 이는 암 등의 질병 발생의 원인이 될 수 있습니다.
3. 유전적 다양성 감소: 돌연변이(Mutation)의 발생은 유전적 다양성을 증가시키는 반면, 일부 돌연변이(Mutation)는 유전적 다양성을 감소시킬 수 있다. 특정 돌연변이(Mutation)가 고도로 보존되거나 확산되면, 종 내에서의 유전적 다양성이 감소할 수 있다.
4. 예측의 어려움: 돌연변이(Mutation)의 효과를 예측하기 어려울 수 있다. 돌연변이(Mutation)가 발생해도 그 효과가 질병 발생에 직접적으로 연결되지 않을 수 있으며, 돌연변이(Mutation)의 효과는 다양한 환경 요인에 의해 영향을 받을 수 있다.
참고자료
- 〈돌연변이〉, 《사이트명》
- 〈돌연변이〉, 《동물학백과》
- 〈돌연변이〉, 《두산백과명》
- 〈돌연변이〉, 《미생물학백과》
- 〈돌연변이〉, 《분자·세포생물학백과》
- 〈돌연변이〉, 《식물학백과》
- k-모락, 〈돌연변이(Mutation)의 정의와 발생원인 및 장·단점〉, 《티스토리》, 2023-05-24
같이 보기
