핵형
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1. 개요
핵형은 생물의 염색체의 수, 크기, 형태, 밴딩 패턴 등 세포유전학적 특성을 총칭하는 용어이다. 핵형 관찰은 염색체를 염색하여 현미경으로 관찰하는 방식으로 이루어지며, G-밴딩, R-밴딩, FISH 등의 다양한 기술이 사용된다. 핵형은 종의 진화 연구와 염색체 이상 진단에 중요한 정보를 제공하며, 인간의 경우 성별, 생식 세포와 체세포 간의 차이, 개체군 간의 변이 등을 나타낸다. 염색체 수의 변화, 구조적 이상, 다형성 등 핵형의 다양한 변이는 질병과 진화 연구에 중요한 단서를 제공한다.
2. 핵형 관찰
핵형 연구는 염색을 통해 가능해진다. 보통 김자 염색과 같은 염료를 사용하며,[8] 세포 분열 중인 세포를 콜히친 용액으로 처리한 후 염색한다.[8] 김자 염색이 정확하게 부착되려면 모든 염색체 단백질을 소화시키고 제거해야 한다. 인간의 경우, 백혈구가 주로 사용되는데, 이는 쉽게 분열을 유도하고 조직 배양에서 성장할 수 있기 때문이다.[9] 때로는 분열하지 않는 간기 세포를 관찰하여 태어나지 않은 태아의 성별을 예측하기도 한다. (양수 천자 및 바르 소체 참조)[9]
염색체는 특정 염료로 처리하면 띠 모양의 패턴을 나타내는데, 이 고유한 패턴은 염색체를 식별하고 염색체 이상을 진단하는 데 사용된다. 다양한 염색체 처리법은 G-밴드, R-밴드, C-밴드, Q-밴드, T-밴드, NOR-밴드 등 다양한 띠 패턴을 생성한다.[9]
세포유전학은 염색체의 여러 측면을 시각화하기 위해 다양한 기술을 사용한다:[9]
고전적 핵형에서는 염료를 사용하여 염색체 띠를 염색하며, 흔히 짐사 ''(G-밴딩)'', 드물게 메파크린(퀴나크린)을 사용한다. 짐사는 DNA의 인산기에 특이적이며, 퀴나크린은 아데닌-티민이 풍부한 부위에 결합한다. 각 염색체는 특징적인 밴딩 패턴을 가지며, 이를 통해 염색체를 식별할 수 있다.
핵형은 염색체의 단완(p)이 위에, 장완(q)이 아래에 오도록 정렬된다. 다르게 염색된 영역과 하위 영역에는 염색체 팔의 근위부에서 원위부까지 숫자가 지정된다. 예를 들어, 고양이 울음 증후군은 5번 염색체의 단완 결실(46,XX,5p-)로 표기하며, 중요한 영역은 p15.2의 결실(46,XX,del(5)(p15.2))이다.[60]
다중 색상 FISH와 스펙트럼 핵형 분석은 서로 다른 색상으로 생물체의 모든 염색체 쌍을 동시에 시각화하는 분자 세포 유전학 기술이다. 형광 표지 프로브를 이용하여 염색체 특이적 DNA를 표지하고, 형광 현미경으로 캡처 및 분석한다. mFISH 이미지의 경우, 각 형광 물질 조합은 이미지 분석 소프트웨어에서 유사 색상으로 대체되어 염색체 재배열을 분석할 수 있다.[61] 스펙트럼 핵형 분석의 경우, 이미지 처리 소프트웨어는 스펙트럼적으로 다른 각 조합에 유사 색상을 할당하여 개별적으로 색칠된 염색체를 시각화한다.[62] 다중 색상 FISH는 암세포 및 기타 질병 상태에서 구조적 염색체 이상을 식별하는 데 사용된다.
핵형은 일반적으로 다음과 같은 여섯 가지 특징을 기준으로 관찰하고 비교한다.[10]
# 염색체의 절대 크기 차이: 같은 과(family) 내 속(genera)에서도 염색체 크기는 최대 20배까지 차이가 날 수 있다. 예를 들어 콩과 식물인 ''Lotus tenuis''와 ''Vicia faba''는 모두 6쌍의 염색체를 갖지만, ''V. faba''의 염색체가 훨씬 크다. 이는 DNA 복제량의 차이 때문으로 추정된다.
# 동원체 위치의 차이: 전좌에 의해 발생한다.
# 염색체의 상대적 크기 차이: 불균등한 길이의 분절 교환으로 인해 발생한다.
# 염색체의 기본 수 차이: 연속적인 불균등 전좌(전위 가설) 또는 융합을 통해 발생한다. 인간은 유인원보다 염색체 쌍이 하나 적은데, 인간의 2번 염색체는 두 개의 조상 염색체가 융합하여 발생했으며, 원래 두 염색체의 많은 유전자는 다른 염색체로 전좌되었다.
# 위성체의 수와 위치 차이: 위성체는 가는 실에 의해 염색체에 부착된 작은 덩어리이다.
# GC 함량(구아닌-시토신 쌍 대 아데닌-티민)의 정도 및 분포 차이: 핵형이 연구되는 중기에는 DNA가 응축되지만, GC 함량이 높은 DNA는 덜 응축되어 진정염색질로 나타나는 경향이 있다. GC가 풍부한 DNA는 코딩 DNA를 더 많이 포함하고 전사적으로 활성일 가능성이 높다.[12] 김자 염색에서 더 밝게 나타나며,[11] 진정염색질 영역에는 더 많은 구아닌-시토신 쌍이 포함되어 있다(즉, 더 높은 GC 함량). 김자 염색을 사용하는 염색 기술을 G 밴딩이라고 하며, "G-밴드"를 생성한다.[11]
핵형에 대한 전체 설명은 염색체의 수, 유형, 모양, 밴딩뿐만 아니라 기타 세포유전학적 정보를 포함할 수 있다.
핵형 변이는 다음의 경우에 발견될 수 있다.
# 성별 간
# 생식 계열과 체세포 사이 (생식 세포와 신체의 나머지 부분)
# 개체군 구성원 간 (염색체 다형성)
# 지리적 전문화
# 모자이크 또는 기타 비정상적인 개체[70]
2. 1. 염색 방법
핵형 연구는 염색을 통해 가능해진다. 보통 김자 염색과 같은 염료를 사용하며,[8] 세포 분열 중인 세포를 콜히친 용액으로 처리한 후 염색한다.[8] 김자 염색이 정확하게 부착되려면 모든 염색체 단백질을 소화시키고 제거해야 한다. 인간의 경우, 백혈구가 주로 사용되는데, 이는 쉽게 분열을 유도하고 조직 배양에서 성장할 수 있기 때문이다.[9] 때로는 분열하지 않는 간기 세포를 관찰하여 태어나지 않은 태아의 성별을 예측하기도 한다. (양수 천자 및 바르 소체 참조)[9]
염색체는 특정 염료로 처리하면 띠 모양의 패턴을 나타내는데, 이 고유한 패턴은 염색체를 식별하고 염색체 이상을 진단하는 데 사용된다. 다양한 염색체 처리법은 G-밴드, R-밴드, C-밴드, Q-밴드, T-밴드, NOR-밴드 등 다양한 띠 패턴을 생성한다.[9]
세포유전학은 염색체의 여러 측면을 시각화하기 위해 다양한 기술을 사용한다:[9]
고전적 핵형에서는 염료를 사용하여 염색체 띠를 염색하며, 흔히 짐사 ''(G-밴딩)'', 드물게 메파크린(퀴나크린)을 사용한다. 짐사는 DNA의 인산기에 특이적이며, 퀴나크린은 아데닌-티민이 풍부한 부위에 결합한다. 각 염색체는 특징적인 밴딩 패턴을 가지며, 이를 통해 염색체를 식별할 수 있다.
핵형은 염색체의 단완(p)이 위에, 장완(q)이 아래에 오도록 정렬된다. 다르게 염색된 영역과 하위 영역에는 염색체 팔의 근위부에서 원위부까지 숫자가 지정된다. 예를 들어, 고양이 울음 증후군은 5번 염색체의 단완 결실(46,XX,5p-)로 표기하며, 중요한 영역은 p15.2의 결실(46,XX,del(5)(p15.2))이다.[60]
다중 색상 FISH와 스펙트럼 핵형 분석은 서로 다른 색상으로 생물체의 모든 염색체 쌍을 동시에 시각화하는 분자 세포 유전학 기술이다. 형광 표지 프로브를 이용하여 염색체 특이적 DNA를 표지하고, 형광 현미경으로 캡처 및 분석한다. mFISH 이미지의 경우, 각 형광 물질 조합은 이미지 분석 소프트웨어에서 유사 색상으로 대체되어 염색체 재배열을 분석할 수 있다.[61] 스펙트럼 핵형 분석의 경우, 이미지 처리 소프트웨어는 스펙트럼적으로 다른 각 조합에 유사 색상을 할당하여 개별적으로 색칠된 염색체를 시각화한다.[62] 다중 색상 FISH는 암세포 및 기타 질병 상태에서 구조적 염색체 이상을 식별하는 데 사용된다.
2. 2. 핵형 관찰의 특징
핵형은 일반적으로 다음과 같은 여섯 가지 특징을 기준으로 관찰하고 비교한다.[10]
# 염색체의 절대 크기 차이: 같은 과(family) 내 속(genera)에서도 염색체 크기는 최대 20배까지 차이가 날 수 있다. 예를 들어 콩과 식물인 ''Lotus tenuis''와 ''Vicia faba''는 모두 6쌍의 염색체를 갖지만, ''V. faba''의 염색체가 훨씬 크다. 이는 DNA 복제량의 차이 때문으로 추정된다.
# 동원체 위치의 차이: 전좌에 의해 발생한다.
# 염색체의 상대적 크기 차이: 불균등한 길이의 분절 교환으로 인해 발생한다.
# 염색체의 기본 수 차이: 연속적인 불균등 전좌(전위 가설) 또는 융합을 통해 발생한다. 인간은 유인원보다 염색체 쌍이 하나 적은데, 인간의 2번 염색체는 두 개의 조상 염색체가 융합하여 발생했으며, 원래 두 염색체의 많은 유전자는 다른 염색체로 전좌되었다.
# 위성체의 수와 위치 차이: 위성체는 가는 실에 의해 염색체에 부착된 작은 덩어리이다.
# GC 함량(구아닌-시토신 쌍 대 아데닌-티민)의 정도 및 분포 차이: 핵형이 연구되는 중기에는 DNA가 응축되지만, GC 함량이 높은 DNA는 덜 응축되어 진정염색질로 나타나는 경향이 있다. GC가 풍부한 DNA는 코딩 DNA를 더 많이 포함하고 전사적으로 활성일 가능성이 높다.[12] 김자 염색에서 더 밝게 나타나며,[11] 진정염색질 영역에는 더 많은 구아닌-시토신 쌍이 포함되어 있다(즉, 더 높은 GC 함량). 김자 염색을 사용하는 염색 기술을 G 밴딩이라고 하며, "G-밴드"를 생성한다.[11]
핵형에 대한 전체 설명은 염색체의 수, 유형, 모양, 밴딩뿐만 아니라 기타 세포유전학적 정보를 포함할 수 있다.
핵형 변이는 다음의 경우에 발견될 수 있다.
# 성별 간
# 생식 계열과 체세포 사이 (생식 세포와 신체의 나머지 부분)
# 개체군 구성원 간 (염색체 다형성)
# 지리적 전문화
# 모자이크 또는 기타 비정상적인 개체[70]
3. 인간 핵형
이 섹션에 표시된 현미경 핵형과 개략적인 핵형은 모두 표준 염색체 레이아웃을 가지고 있으며, 트립신으로 처리한 후(염색체를 부분적으로 소화) 염색하고 기엠자 염색으로 염색했을 때 염색체의 모습인 G 밴딩에서 볼 수 있는 어둡고 밝은 영역을 표시한다. 어두운 영역에 비해 밝은 영역은 일반적으로 전사적으로 더 활성화되어 코딩 DNA 대 비코딩 DNA의 비율이 더 높고 GC 함량이 더 높다.[12]
현미경 핵형과 개략적인 핵형은 모두 정상적인 인간 이배체 핵형을 보여준다. 이는 인간 신체의 정상적인 세포 내 게놈의 전형적인 구성이며, 22쌍의 상염색체와 한 쌍의 성염색체(성염색체)를 포함한다. 인간의 이배성에 대한 주요 예외는 23개의 짝을 이루지 않은 염색체를 가진 반수체인 생식세포 (정자 및 난자)이며, 이러한 배수성은 이 핵형에 표시되지 않는다. 현미경 핵형은 그레이스케일로 변환되는 반면, 개략적인 핵형은 기엠자 염색에서 일반적으로 볼 수 있는 보라색 색조를 보여준다(DNA를 보라색으로 염색하는 Azure B 성분 때문입니다).[13]
이 섹션의 개략적인 핵형은 이상적인 핵형을 그래픽으로 표현한 것이다. 각 염색체 쌍에 대해 왼쪽의 눈금은 백만 염기쌍 단위의 길이를 나타내고 오른쪽의 눈금은 밴드 및 하위 밴드의 지정을 나타낸다. 이러한 밴드 및 하위 밴드는 국제 인간 세포 유전체 명명법 시스템에서 염색체 이상의 위치를 설명하는 데 사용된다. 각 염색체 행은 동원체 수준에서 수직으로 정렬된다.
3. 1. 인간 염색체 그룹
사람의 염색체는 핵형의 특징인 크기, 동원체의 위치, 때로는 염색체 위성(2차 협착 부위에서 먼 분절)의 존재를 기반으로 하여 다음과 같은 그룹으로 분류된다.[14]
| 그룹 | 염색체 | 특징 |
|---|---|---|
| A | 1–3 | 크고, 중부 또는 아중부 |
| B | 4-5 | 크고, 아중부 |
| C | 6–12, X | 중간 크기, 아중부 |
| D | 13–15 | 중간 크기, 말단동원체, 위성 |
| E | 16–18 | 작고, 중부 또는 아중부 |
| F | 19–20 | 매우 작고, 중부 |
| G | 21–22, Y | 매우 작고, 말단동원체 (및 21, 22는 위성을 가짐) |
사람 게놈은 세포 핵 내부 대 미토콘드리아 내부의 위치뿐만 아니라 쌍 형성, 성별 차이에 따라 다음과 같이 분류될 수 있다.
- 22쌍의 상동 염색체 상염색체 (1번에서 22번까지의 염색체).
- 두 개의 성 염색체: 여성의 가장 일반적인 핵형은 두 개의 X 염색체를 포함하며 46,XX로 표시되고, 남성은 일반적으로 X와 Y 염색체를 모두 가지고 있으며 46,XY로 표시된다. 그러나 약 0.018%의 인간은 성 염색체의 변이로 인해 간성이다.[15]
- 인간 미토콘드리아 게놈.
3. 2. 핵형 분석도 (Karyogram)
3. 3. 복제 수 (Copy number)
개략적인 핵형 분석도는 일반적으로 세포 상태의 G0기(복제 세포 주기 외부)에 해당하는 DNA 복제 수를 나타내며, 이는 세포의 가장 일반적인 상태이다. 이 상태(세포 주기의 G1기)에서 각 세포는 각 종류의 자가 염색체 2개(2n)를 가지며, 각 염색체는 각 유전자 좌위의 사본 1개를 가지고 있어 각 유전자 좌위에 대한 총 복제 수는 2개(2c)가 된다.[16]
개략적인 핵형 분석도의 중앙 상단에는 세포 주기의 S기에서 발생하는 DNA 복제를 거친 후의 염색체 3쌍이 표시되어 있다. 이 간격에는 G2기 및 중기가 포함된다. 이 간격 동안에도 여전히 2n이지만 각 염색체는 각 유전자 좌위의 사본 2개를 가지며, 각 자매 염색 분체(염색체 팔)는 중심체에서 연결되어 총 4c가 된다.[16] 미세 사진 핵형 분석도의 염색체도 이 상태에 있으며, 일반적으로 중기에 미세 사진 촬영되지만 이 단계 동안 각 염색체의 두 사본이 서로 매우 가까이 있어 이미지 해상도가 충분히 높지 않으면 하나로 보인다. 실제 G0 및 G1기 동안 핵 DNA는 크로마틴으로 분산되어 미세 사진에서도 시각적으로 구별 가능한 염색체를 나타내지 않는다.
인간 세포당 인간 미토콘드리아 게놈의 복제 수는 0(적혈구)[17]에서 최대 1,500,000개(난모세포)까지 다양하며, 주로 세포당 미토콘드리아 수에 따라 달라진다.[18]
4. 핵형의 다양성과 진화
DNA 복제와 전사는 진핵생물에서 매우 표준화되어 있지만, 핵형은 매우 다양하기 때문에 그렇지 않다. 종 간에 염색체 수와 세부적인 조직에서 차이가 있는데, 이는 동일한 염색질 고분자로 구성되었음에도 불구하고 나타난다. 이러한 변이는 진화 세포학 연구의 기초를 제공한다.
어떤 경우에는 종 내에서도 상당한 변이가 존재한다. Godfrey와 Masters는 한 논평에서 다음과 같이 결론 내렸다.
핵형에 대해 기술적인 수준에서는 많은 것이 알려져 있으며, 핵형 조직의 변화가 많은 종의 진화 과정에 영향을 미쳤다는 것은 분명하지만, 일반적인 중요성이 무엇인지는 매우 불분명하다.
== 발생 과정에서의 변화 ==
일부 유기체는 일반적인 유전자 억제 대신, 헤테로크로마틴의 대규모 제거 또는 핵형에 대한 다른 종류의 가시적인 조정을 수행한다.[21]
- 염색체 제거: 많은 sciarid 파리와 같은 일부 종에서는 발생 과정에서 전체 염색체가 제거된다.[21]
- 크로마틴 축소: 이 과정은 일부 요각류와 ''Ascaris suum''과 같은 선충류에서 발견되며, 염색체의 일부가 특정 세포에서 제거된다. 이 과정은 새로운 텔로미어가 구성되고 특정 헤테로크로마틴 영역이 손실되는 신중하게 조직된 게놈 재배열이다.[22][23] ''A. suum''에서 모든 체세포 전구체는 크로마틴 축소를 겪는다.[24]
- X 염색체 비활성화: 포유류의 초기 발달 동안 하나의 X 염색체의 비활성화가 일어난다 (바르 소체 및 용량 보상 참조). 태반 포유류의 경우, 두 개의 X 염색체 사이에서 비활성화가 무작위로 발생하므로 포유류 암컷은 X 염색체와 관련하여 모자이크이다. 유대류의 경우, 항상 부계 X 염색체가 비활성화된다. 인간 여성의 경우 약 15%의 체세포가 비활성화를 벗어나고,[25] 비활성화된 X 염색체에 영향을 받는 유전자 수는 세포마다 다르다: 섬유아세포 세포에서 바르 소체에 있는 유전자 중 약 25%가 비활성화를 벗어난다.[26]
== 염색체 수의 변화 ==
쿠르트 베니르슈케와 도리스 워스터가 연구한 고라니는 근연종 간 염색체 수 변이의 좋은 예시이다. 중국고라니(''Muntiacus reevesi'')는 이배체 수가 46개이며 모두 말단동원체 염색체이다. 반면, 근연종인 인도고라니(''Muntiacus muntjak'')는 암컷이 6개, 수컷이 7개의 염색체를 가진다.[27] 이는 연구자들에게 큰 놀라움을 안겨주었으며, 처음에는 조직 배양의 문제로 생각하여 수년간 발표를 미루기도 했다.[77]
핵형 내 염색체 수는 종에 따라 매우 다양하다. 가장 적은 수는 선충류 ''Parascaris univalens'' (n=1)과 개미 ''Myrmecia pilosula''에서 기록되었다.[28] 가장 많은 수는 양치류 ''Ophioglossum'' (평균 1262개)에서 발견된다.[29] 동물 중에서는 짧은코철갑상어 ''Acipenser brevirostrum''가 372개로 가장 많은 염색체를 가진다.[30] B 염색체나 이수성과 같이, 집단 내에서도 염색체 수 변이가 나타날 수 있다.
핵형의 기본수(''FN'')는 한 벌의 염색체에서 보이는 주요 염색체 팔의 수를 의미하며, FN ≤ 2 × 2n이다.[31][32] 인간은 5쌍의 말단동원체 염색체(13번, 14번, 15번, 21번, 22번)를 가지므로 FN=82이다.(인간의 Y 염색체 또한 말단동원체이다). 핵형의 기본 상염색체 수(''FNa'' 또는 ''AN'')는 상염색체 한 벌당 보이는 주요 염색체 팔의 수이다.[34][35]
배수성은 세포 내 완전한 염색체 세트의 수를 의미하며, 다배수성은 세포 내에 두 세트 이상의 상동 염색체가 있는 경우를 말한다. 이는 주로 식물에서 흔하게 나타나며, Stebbins에 따르면 식물 진화에 중요한 영향을 미쳤다.[36][37][38][39] 벼과 식물의 경우 평균 70%가 다배체이다.[40] 하등 식물에서도 다배수성이 흔하며, 일부 양치류는 현화식물보다 훨씬 높은 다배수성 수준을 보인다. 동물에서는 다배수성이 덜 흔하지만, 일부 그룹에서는 중요하다.[41]
진배수성은 관련 종에서 단일 기본 수의 배수로만 구성된 다배수 계열을 의미한다. 반수-이배체는 한 성은 이배체이고 다른 성은 반수체인 경우로, 벌목 등에서 흔하다. 내부 다배수성은 성체 세포 분화 조직에서 세포가 유사 분열을 멈추고 세포 핵이 원래 체세포 염색체 수보다 많은 경우를 말한다.[42] ''내부 순환''(내부 유사 분열 또는 내부 복제)에서 '휴지기' 핵 내 염색체는 재복제를 거치며, 딸 염색체는 ''손상되지 않은'' 핵막 내부에서 분리된다.[43] 이 과정은 생합성에 활발한 조직의 생산성을 높이기 위한 발달 전략일 수 있다.[44] 이 현상은 진핵생물계 전반에 걸쳐 발생하며, 분화 및 형태 형성에 기여한다.[45]
이수성은 세포 내 염색체 수가 해당 종의 전형적인 수가 아닌 상태로, 염색체 이상을 일으킨다. 다운 증후군과 터너 증후군이 그 예이다. 이수성은 밀접하게 관련된 종 사이에서도 발생할 수 있다. 식물에서는 ''크레피스'' 속과 ''크로커스'' 속에서, 영장류에서는 유인원 (24x2)과 인간 (23x2) 사이에서 그 예시를 찾을 수 있다. 인간 염색체 2는 조상 염색체의 융합으로 형성되어 염색체 수를 감소시켰다.[47]
== 염색체 다형성 (Chromosomal polymorphism) ==
어떤 종은 다양한 염색체 구조 형태에 대해 다형성을 띤다.[48] 구조적 변이는 서로 다른 개체에서 서로 다른 수의 염색체와 관련될 수 있으며, 이는 무당벌레의 일종인 ''Chilocorus stigma'', 사마귀의 일종인 ''Ameles''속,[49] 그리고 유럽 땃쥐 ''Sorex araneus''에서 나타난다.[50] 연체동물 ''Thais lapillus''(개고둥)의 경우, 브르타뉴 해안에서 두 가지 염색체 형태가 서로 다른 서식지에 적응한다는 증거가 있다.[51]
== 종의 계통수 (Species trees) ==
다사염색체를 가진 곤충의 염색체 밴딩을 자세히 연구하면 밀접하게 관련된 종들 간의 관계를 알 수 있다. 햄프턴 L. 칼슨은 하와이 초파리의 염색체 밴딩을 연구하여 이를 밝혀냈다.[52]
하와이 제도는 하와이 열대 우림에서 하와이 열대 고산 관목지대에 이르기까지 다양한 환경을 가지고 있으며, 약 800종의 하와이 초파리가 서식한다. 이들은 Drosophila와 Scaptomyza 두 속으로 분류되며, 초파리과에 속한다.[52]
칼슨은 '그림날개' 집단의 다사 염색체 밴딩을 통해 유전자 배열을 분석하고, 염색체 역위와 같은 염색체 재배열을 이용하여 종의 계통수를 밝혔다. 그 결과, 오래된 섬에서 새로운 섬으로 종이 이동하는 경향이 나타났으며, K-Ar 연대 측정을 통해 섬의 연대를 추정했다. 가장 오래된 섬은 쿠레 환초로 3000만 년 전으로 거슬러 올라가며, 태평양 판이 열점 위를 이동하면서 생성된 하와이-엠페러 해산 열도는 백악기까지 거슬러 올라간다.[52]
하와이의 토착 ''Drosophila''와 ''Scaptomyza'' 종은 약 2천만 년 전 단일 조상 종에서 유래한 것으로 보이며, 이후 적응 방산을 통해 다양한 생태적 지위를 차지하게 되었다.[53][54][55][56] 하와이 제도에는 이와 유사한 적응 방산을 겪은 다른 동물과 식물도 존재한다.[57][58]
4. 1. 발생 과정에서의 변화
일부 유기체는 일반적인 유전자 억제 대신, 헤테로크로마틴의 대규모 제거 또는 핵형에 대한 다른 종류의 가시적인 조정을 수행한다.[21]- 염색체 제거: 많은 sciarid 파리와 같은 일부 종에서는 발생 과정에서 전체 염색체가 제거된다.[21]
- 크로마틴 축소: 이 과정은 일부 요각류와 ''Ascaris suum''과 같은 선충류에서 발견되며, 염색체의 일부가 특정 세포에서 제거된다. 이 과정은 새로운 텔로미어가 구성되고 특정 헤테로크로마틴 영역이 손실되는 신중하게 조직된 게놈 재배열이다.[22][23] ''A. suum''에서 모든 체세포 전구체는 크로마틴 축소를 겪는다.[24]
- X 염색체 비활성화: 포유류의 초기 발달 동안 하나의 X 염색체의 비활성화가 일어난다 (바르 소체 및 용량 보상 참조). 태반 포유류의 경우, 두 개의 X 염색체 사이에서 비활성화가 무작위로 발생하므로 포유류 암컷은 X 염색체와 관련하여 모자이크이다. 유대류의 경우, 항상 부계 X 염색체가 비활성화된다. 인간 여성의 경우 약 15%의 체세포가 비활성화를 벗어나고,[25] 비활성화된 X 염색체에 영향을 받는 유전자 수는 세포마다 다르다: 섬유아세포 세포에서 바르 소체에 있는 유전자 중 약 25%가 비활성화를 벗어난다.[26]
4. 2. 염색체 수의 변화
쿠르트 베니르슈케와 도리스 워스터가 연구한 고라니는 근연종 간 염색체 수 변이의 좋은 예시이다. 중국고라니(''Muntiacus reevesi'')는 이배체 수가 46개이며 모두 말단동원체 염색체이다. 반면, 근연종인 인도고라니(''Muntiacus muntjak'')는 암컷이 6개, 수컷이 7개의 염색체를 가진다.[27] 이는 연구자들에게 큰 놀라움을 안겨주었으며, 처음에는 조직 배양의 문제로 생각하여 수년간 발표를 미루기도 했다.[77]핵형 내 염색체 수는 종에 따라 매우 다양하다. 가장 적은 수는 선충류 ''Parascaris univalens'' (n=1)과 개미 ''Myrmecia pilosula''에서 기록되었다.[28] 가장 많은 수는 양치류 ''Ophioglossum'' (평균 1262개)에서 발견된다.[29] 동물 중에서는 짧은코철갑상어 ''Acipenser brevirostrum''가 372개로 가장 많은 염색체를 가진다.[30] B 염색체나 이수성과 같이, 집단 내에서도 염색체 수 변이가 나타날 수 있다.
핵형의 기본수(''FN'')는 한 벌의 염색체에서 보이는 주요 염색체 팔의 수를 의미하며, FN ≤ 2 × 2n이다.[31][32] 인간은 5쌍의 말단동원체 염색체(13번, 14번, 15번, 21번, 22번)를 가지므로 FN=82이다.(인간의 Y 염색체 또한 말단동원체이다). 핵형의 기본 상염색체 수(''FNa'' 또는 ''AN'')는 상염색체 한 벌당 보이는 주요 염색체 팔의 수이다.[34][35]
배수성은 세포 내 완전한 염색체 세트의 수를 의미하며, 다배수성은 세포 내에 두 세트 이상의 상동 염색체가 있는 경우를 말한다. 이는 주로 식물에서 흔하게 나타나며, Stebbins에 따르면 식물 진화에 중요한 영향을 미쳤다.[36][37][38][39] 벼과 식물의 경우 평균 70%가 다배체이다.[40] 하등 식물에서도 다배수성이 흔하며, 일부 양치류는 현화식물보다 훨씬 높은 다배수성 수준을 보인다. 동물에서는 다배수성이 덜 흔하지만, 일부 그룹에서는 중요하다.[41]
진배수성은 관련 종에서 단일 기본 수의 배수로만 구성된 다배수 계열을 의미한다. 반수-이배체는 한 성은 이배체이고 다른 성은 반수체인 경우로, 벌목 등에서 흔하다. 내부 다배수성은 성체 세포 분화 조직에서 세포가 유사 분열을 멈추고 세포 핵이 원래 체세포 염색체 수보다 많은 경우를 말한다.[42] ''내부 순환''(내부 유사 분열 또는 내부 복제)에서 '휴지기' 핵 내 염색체는 재복제를 거치며, 딸 염색체는 ''손상되지 않은'' 핵막 내부에서 분리된다.[43] 이 과정은 생합성에 활발한 조직의 생산성을 높이기 위한 발달 전략일 수 있다.[44] 이 현상은 진핵생물계 전반에 걸쳐 발생하며, 분화 및 형태 형성에 기여한다.[45]
이수성은 세포 내 염색체 수가 해당 종의 전형적인 수가 아닌 상태로, 염색체 이상을 일으킨다. 다운 증후군과 터너 증후군이 그 예이다. 이수성은 밀접하게 관련된 종 사이에서도 발생할 수 있다. 식물에서는 ''크레피스'' 속과 ''크로커스'' 속에서, 영장류에서는 유인원 (24x2)과 인간 (23x2) 사이에서 그 예시를 찾을 수 있다. 인간 염색체 2는 조상 염색체의 융합으로 형성되어 염색체 수를 감소시켰다.[47]
4. 3. 염색체 다형성 (Chromosomal polymorphism)
어떤 종은 다양한 염색체 구조 형태에 대해 다형성을 띤다.[48] 구조적 변이는 서로 다른 개체에서 서로 다른 수의 염색체와 관련될 수 있으며, 이는 무당벌레의 일종인 ''Chilocorus stigma'', 사마귀의 일종인 ''Ameles''속,[49] 그리고 유럽 땃쥐 ''Sorex araneus''에서 나타난다.[50] 연체동물 ''Thais lapillus''(개고둥)의 경우, 브르타뉴 해안에서 두 가지 염색체 형태가 서로 다른 서식지에 적응한다는 증거가 있다.[51]4. 4. 종의 계통수 (Species trees)
다사염색체를 가진 곤충의 염색체 밴딩을 자세히 연구하면 밀접하게 관련된 종들 간의 관계를 알 수 있다. 햄프턴 L. 칼슨은 하와이 초파리의 염색체 밴딩을 연구하여 이를 밝혀냈다.[52]하와이 제도는 하와이 열대 우림에서 하와이 열대 고산 관목지대에 이르기까지 다양한 환경을 가지고 있으며, 약 800종의 하와이 초파리가 서식한다. 이들은 Drosophila와 Scaptomyza 두 속으로 분류되며, 초파리과에 속한다.[52]
칼슨은 '그림날개' 집단의 다사 염색체 밴딩을 통해 유전자 배열을 분석하고, 염색체 역위와 같은 염색체 재배열을 이용하여 종의 계통수를 밝혔다. 그 결과, 오래된 섬에서 새로운 섬으로 종이 이동하는 경향이 나타났으며, K-Ar 연대 측정을 통해 섬의 연대를 추정했다. 가장 오래된 섬은 쿠레 환초로 3000만 년 전으로 거슬러 올라가며, 태평양 판이 열점 위를 이동하면서 생성된 하와이-엠페러 해산 열도는 백악기까지 거슬러 올라간다.[52]
하와이의 토착 ''Drosophila''와 ''Scaptomyza'' 종은 약 2천만 년 전 단일 조상 종에서 유래한 것으로 보이며, 이후 적응 방산을 통해 다양한 생태적 지위를 차지하게 되었다.[53][54][55][56] 하와이 제도에는 이와 유사한 적응 방산을 겪은 다른 동물과 식물도 존재한다.[57][58]
5. 염색체 이상
염색체 이상은 염색체의 추가 또는 결손과 같은 수적 이상과 유도 염색체, 전좌, 역위, 대규모 결실 또는 중복과 같은 구조적 이상으로 나눌 수 있다. 이수성이라고도 알려진 수적 이상은 종종 감수 분열 중 비분리 현상의 결과로 발생하며, 이는 생식 세포 형성 과정에서 나타난다. 염색체의 세 개의 사본이 보통의 두 개의 사본 대신 존재하는 트리소미는 흔한 수적 이상이다. 구조적 이상은 종종 상동 재조합의 오류로 인해 발생한다. 두 종류의 이상 모두 생식 세포에서 발생할 수 있으며, 따라서 영향을 받은 사람의 신체의 모든 세포에 존재하거나, 체세포 분열 동안 발생하여 일부 정상 세포와 일부 비정상 세포를 가진 유전적 모자이크 개체를 만들 수 있다.
(통상 유산 또는 사산, 극히 드물게 출생 예가 있으나 출생 직후 사망, 69,XXX(여아))]
5. 1. 인간 염색체 이상의 예
인간에게 질병을 유발하는 염색체 이상은 다음과 같다.- 터너 증후군은 단일 X 염색체(45,X 또는 45,X0)에서 발생한다.
(성염색체 XO)
- 클라인펠터 증후군은 가장 흔한 남성 염색체 질환으로, 47,XXY라고도 하며, 추가 '''X''' 염색체로 인해 발생한다.
(성염색체 XXY)
- 에드워드 증후군은 18번 염색체의 트리소미(세 개 복제)로 인해 발생한다.
- 흔한 염색체 질환인 다운 증후군은 21번 염색체의 트리소미로 인해 발생한다.
- 파타우 증후군은 13번 염색체의 트리소미로 인해 발생한다.
- 9번 삼염색체증은 4번째로 흔한 삼염색체증으로 여겨지며, 완전한 삼염색체증이 아닌 9p 삼염색체 증후군 또는 모자이크 9번 삼염색체증과 같은 형태로 장수하는 영향을 받은 개체가 많다. 이들은 종종 꽤 잘 기능하지만, 말에 어려움을 겪는 경향이 있다.
- 8번 삼염색체증과 16번 삼염색체증도 기록되어 있지만, 일반적으로 출생까지 생존하지 못한다.
일부 질환은 염색체의 일부만 손실되어 발생하며, 여기에는 다음이 포함된다.
- 고양이 울음 증후군은 5번 염색체의 단축된 단완에서 발생한다. 이름은 아기의 특징적인 울음소리에서 유래되었으며, 이는 후두의 비정상적인 형성에 의해 발생한다.
(5번 염색체의 단완 부분 결실, 여성)
- 1p36 결손 증후군은 1번 염색체의 단완 일부 손실로 인해 발생한다.
- 안젤만 증후군 - 50%의 경우 15번 염색체의 장완 일부가 결손된다. 모계 유전자의 결손은 각인 장애의 예이다.
- 프라더-윌리 증후군 - 50%의 경우 15번 염색체의 장완 일부가 결손된다. 부계 유전자의 결손은 각인 장애의 예이다.
- 염색체 이상은 유전적으로 정상인 개인의 암 세포에서도 발생할 수 있다. 잘 기록된 예로는 필라델피아 염색체가 있으며, 이는 만성 골수성 백혈병과 덜 자주 급성 림프구성 백혈병과 관련된 전좌 돌연변이이다.
(슈퍼 여성, 성염색체 XXX)
(슈퍼 남성)
(통상 유산 또는 사산, 극히 드물게 출생 예가 있으나 출생 직후 사망, 69,XXX(여아))
6. 핵형 연구의 역사
염색체는 1842년 카를 빌헬름 폰 나겔리에 의해 식물 세포에서 처음 관찰되었다. 동물(도롱뇽) 세포에서의 염색체의 행동은 1882년 미토시스를 발견한 발터 플레밍에 의해 기술되었다.[65][66][67][68] 이 이름은 1888년 하인리히 폰 발데이어에 의해 만들어졌다.[69] 핵형이라는 용어는 그리고리 레비츠키에 의해 처음 사용되었다.
인간 핵형에 대한 연구는 한스 폰 비니바터가 정원 세포에서 47개, 난원 세포에서 48개의 염색체를 보고하면서 시작되었다.[72] 1922년 페인터는 처음에는 46개를 주장했다가, 이후 48개를 주장하며 인간이 XX/XY 시스템을 가지고 있다고 정확하게 주장했다.[73][74]
조 힌 치오와 앨버트 레반은 조직 배양에서 세포를 사용하고, 저장성 용액으로 전처리하여 팽창시키고, 콜히친 용액으로 분열을 중기에서 멈추는 등의 새로운 기술을 사용하여 염색체 수가 46개임을 발견했다.[75] 이 연구는 1956년에 출판되었다.[76][77] 다른 유인원은 48개의 염색체를 가지고 있지만, 인간 염색체 2는 두 개의 조상 유인원 염색체가 융합된 결과이다.[78][79]
7. 한국의 핵형 연구 및 활용
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