대립 유전자

3. 표현형으로 이어지는 대립 유전자

많은 경우, 유전자좌에서 두 대립 유전자 사이의 유전형 상호 작용은 두 개의 동형 접합 표현형 중 이형 접합체가 가장 유사한 것에 따라 우성 또는 열성으로 설명될 수 있다. 이형 접합체가 동형 접합체 중 하나와 구별할 수 없는 경우, 발현된 대립 유전자는 우성 표현형이라고 하고^[18][19] 다른 대립 유전자는 열성이라고 한다. 우성의 정도와 패턴은 유전자좌에 따라 다르다. 이러한 유형의 상호 작용은 멘델에 의해 처음 공식적으로 설명되었다. 그러나 많은 형질이 이 단순한 분류를 무시하며, 표현형은 공동 우성 및 다유전자 유전에 의해 모델링된다.^[20]

야생형 대립 유전자라는 용어는 초파리(''Drosophila melanogaster'')와 같은 유기체의 야생 개체군에서 볼 수 있는 전형적인 표현형 특성에 기여하는 것으로 생각되는 대립 유전자를 설명하는 데 때때로 사용된다. 이러한 야생형 대립 유전자는 역사적으로 열성, 희귀, 빈번하게 유해한 표현형을 초래하는 돌연변이 대립 유전자와 대조적으로 우성, 공통 및 정상 표현형으로 이어지는 것으로 간주되었다. 이전에는 대부분의 개체가 대부분의 유전자 좌위에서 야생형 대립 유전자에 대해 동형 접합이고, 임의의 대안적인 돌연변이 대립 유전자가 소수의 영향을 받는 개체에서 종종 유전 질환으로 동형 접합 형태로 발견된다고 생각했다. 돌연변이 대립 유전자에 대한 보인자의 이형 접합 형태로 더 자주 발생한다. 이제 대부분 또는 모든 유전자 좌위는 다중 대립 형질을 갖는 고도로 다형성이며, 그 빈도는 개체군마다 다르며, 상당한 양의 유전적 변이가 명백한 표현형 차이를 일으키지 않는 대립 형질의 형태로 숨겨져 있다는 것이 인정된다.

4. 복대립 유전

복대립 유전은 하나의 형질을 결정하는 데 3개 이상의 대립유전자가 관여하고, 이 중 2개의 대립유전자에 의해 개체의 형질이 결정되는 현상을 말한다. ABO식 혈액형은 복대립 유전의 대표적인 예시이다. O, A, B와 같은 대립유전자(3개의 대립유전자)가 모여 하나의 형질, 즉 A형(AA, AO), B형(BB, BO), O형(OO), AB형(AB)이라는 형질을 나타낸다. 혈액형 외에도 나팔꽃의 잎이나 초파리의 눈 색깔 등도 복대립 유전 형질에 해당한다.

5. 유전자형 빈도

이배체 집단에서 대립 유전자의 빈도는 해당 유전자형의 빈도를 예측하는 데 사용될 수 있으며, 이는 하디-바인베르크 원리를 통해 가능하다. 두 개의 대립 유전자가 있는 경우, 다음 공식이 성립한다.

:$p\; +\; q=1\; \backslash ,$

:$p^2\; +\; 2pq\; +\; q^2=1\; \backslash ,$

여기서 ''p''는 한 대립 유전자의 빈도이고, ''q''는 다른 대립 유전자의 빈도이며, 이 둘의 합은 반드시 1이 된다. ''p''²는 첫 번째 대립 유전자에 대해 동형접합인 개체의 비율, 2''pq''는 이형접합인 개체의 비율, ''q''²는 다른 대립 유전자에 대해 동형접합인 개체의 비율이다. 만약 첫 번째 대립 유전자가 두 번째 대립 유전자에 대해 우성이라면, 우성 표현형을 보이는 집단의 비율은 ''p''² + 2''pq''이고, 열성 표현형을 보이는 집단의 비율은 ''q''²이다.

세 개의 대립 유전자가 있는 경우에는 다음과 같은 공식이 성립한다.

:$p\; +\; q\; +\; r\; =\; 1\; \backslash ,$

:$p^2\; +\; q^2\; +\; r^2\; +\; 2pq\; +\; 2pr\; +\; 2qr\; =\; 1.\; \backslash ,$

이배체 유전자좌에서 여러 개의 대립 유전자가 있는 경우, 가능한 유전자형 수(G)는 대립 유전자 수(a)에 따라 다음 식으로 나타낼 수 있다.

:$G=\; \backslash frac\{a(a+1)\}\{2\}.$

6. 이배체

이배체는 배우자의 염색체 수가 기본 수의 두 배인 세포나 개체이다. 대부분의 고등 동식물이 이에 해당한다. 한 쌍의 배우자가 서로 자신의 두 벌(2 copies) 중 절반인 한 벌(1 copy)을 제공한다.

대부분의 진핵생물은 부모로부터 각각 한 세트의 게놈을 배우자를 통해 받아 총 두 세트의 게놈을 갖는다. 이는 즉, 각 개체가 각 유전자좌에 대해 두 개의 유전자를 가지고 있음을 의미한다. 이때, 같은 유전자좌를 차지하는 개별 유전자를 대립유전자라고 한다. 또한, 부모로부터 같은 대립유전자를 물려받은 상태를 호모접합이라고 하고, 다른 대립유전자를 물려받은 상태를 헤테로접합이라고 한다. 호모접합인 개체를 호모접합체, 헤테로접합인 개체를 헤테로접합체라고 한다.

7. 대립유전자의 분류

뮬러(Muller)는 초파리 유전학 연구를 바탕으로 대립유전자를 다음과 같이 분류했다.^[18]

이 분류법은 현재에도 유전학의 많은 분야에서 사용되고 있다. 최근에는 유전자 산물의 분자 활성에 주목하여 기능 상실형 대립유전자(loss of function allele) 또는 기능 획득형 대립유전자(gain of function allele)와 같은 분류도 사용된다.^[19]

8. 유전자형과 표현형

개체가 가지고 있는 대립 유전자의 조합을 유전자형(genotype^영어)이라고 한다. 이에 반해, 겉으로 나타나는 형질을 표현형(phenotype^영어)이라고 한다. 대립 유전자는 야생형 대립 유전자와의 이형접합체 표현형에 따라 우성 대립 유전자 또는 열성 대립 유전자로 나눌 수 있다(많은 고등학교 교과서에 나오는 반우성이라는 용어는 실제로는 거의 사용되지 않고, 우성의 한 형태로 해석된다).^[18][19] 어떤 대립 유전자와 야생형 대립 유전자와의 이형접합체가 야생형 대립 유전자의 동형접합체와 다른 표현형을 보일 때, 이 대립 유전자를 우성 대립 유전자라고 부르는 경우가 있다. 마찬가지로, 야생형 대립 유전자와의 이형접합체가 야생형과 같은 표현형을 보이는 것은 열성 대립 유전자이다. 그러나 우성과 열성의 차이는 관찰 대상으로 하는 표현형에 따라 다르기 때문에, 절대적인 분류는 아니다. 예를 들어, 초파리( ''Drosophila melanogaster'')의 Notch 변이(Notch mutation)는 야생형 대립 유전자와의 이형접합에서 날개 형태 이상(날개 가장자리 일부가 톱니 모양으로 없어짐)을 보이고, 동형접합은 배아 치사를 일으키지만, 이 경우 날개 형태 이상의 표현형은 우성이지만, 배아 치사는 열성이다. 구 교육 과정에서는 멘델의 법칙 중 하나로 "우성의 법칙"이 가르쳐졌지만(신 교육 과정에서는 사라짐), 위에서 설명한 대로 표현형에서의 대립 유전자의 우성·열성의 구별은 매우 애매한 것이며, 다른 선진국의 생물 교육에서는 다루지 않는다.^[20]

야생형 대립유전자라는 용어는 초파리( ''Drosophila melanogaster'')와 같은 유기체의 야생 개체군에서 볼 수 있는 전형적인 표현형 특성에 기여하는 것으로 생각되는 대립유전자를 설명하는 데 때때로 사용된다. 이러한 야생형 대립유전자는 역사적으로 열성, 희귀, 빈번하게 유해한 표현형을 초래하는 돌연변이 대립유전자와 대조적으로 우성, 공통 및 정상 표현형으로 이어지는 것으로 간주되었다. 이전에는 대부분의 개체가 대부분의 유전자 좌위에서 야생형 대립유전자에 대해 동형접합이고, 임의의 대안적인 돌연변이 대립유전자가 소수의 영향을 받는 개체에서 종종 유전 질환으로 동형접합 형태로 발견된다고 생각했다. 돌연변이 대립유전자에 대한 보인자의 이형접합 형태로 더 자주 발생한다. 이제 대부분의 또는 모든 유전자 좌위는 다중 대립형질을 갖는 고도로 다형성이며, 그 빈도는 개체군마다 다르며, 상당한 양의 유전적 변이가 명백한 표현형 차이를 일으키지 않는 대립형질의 형태로 숨겨져 있다는 것이 인정된다.

일반적으로 생물의 개체군 또는 종은 다양한 개체들 사이에서 각 유전자좌에 여러 개의 대립 유전자를 포함한다. 유전자좌에서의 대립 유전자 변이는 존재하는 대립 유전자의 수(다형성) 또는 개체군에서 이형접합자의 비율로 측정할 수 있다. 무효 대립 유전자는 발현되지 않거나 발현된 단백질이 비활성이기 때문에 유전자의 정상적인 기능이 없는 유전자 변이체이다.

예를 들어, 인간의 ABO 혈액형 탄수화물 항원에 대한 유전자좌에서 고전적인 유전학은 수혈의 적합성을 결정하는 세 가지 대립 유전자 I^A, I^B 및 i를 인식한다. 어떤 개인도 여섯 가지 가능한 유전자형(I^AI^A, I^Ai, I^BI^B, I^Bi, I^AI^B 및 ii) 중 하나를 가지며, 이는 네 가지 가능한 표현형 중 하나를 생성한다. "A형"(I^AI^A 동형접합 및 I^Ai 이형접합 유전자형에 의해 생성됨), "B형"(I^BI^B 동형접합 및 I^Bi 이형접합 유전자형에 의해 생성됨), I^AI^B 이형접합 유전자형에 의해 생성되는 "AB형" 및 ii 동형접합 유전자형에 의해 생성되는 "O형"이다. (현재 A, B 및 O 대립 유전자 각각은 사실 동일한 특성을 가진 단백질을 생성하는 서로 다른 DNA 서열을 가진 여러 대립 유전자의 한 종류인 것으로 알려져 있습니다. ABO 유전자좌에는 70개 이상의 대립 유전자가 알려져 있습니다. 따라서 "A형" 혈액을 가진 개인은 AO 이형접합자, AA 동형접합자 또는 두 가지 다른 "A" 대립 유전자를 가진 AA 이형접합자일 수 있습니다.)

9. 유전 질환과 대립유전자

단일 유전자 형질에 대해 두 개의 열성 대립 유전자를 상속받으면 여러 가지 유전 질환이 발생한다. 열성 유전 질환에는 알비니즘, 낭포성 섬유증, 갈락토스혈증, 페닐케톤뇨증(PKU), 타이-삭스병이 포함된다. 다른 질환들도 열성 대립 유전자 때문에 발생하지만, 유전자 자리가 X 염색체에 위치하여 남성은 하나의 사본만 가지고 있기 때문에(즉, 반성접합체임), 여성보다 남성에게서 더 자주 나타난다. 적록색맹과 취약 X 증후군이 그 예이다.

헌팅턴병과 같은 다른 질환들은 개인이 단 하나의 우성 대립 유전자만 상속받을 때 발생한다.

10. 후생유전학과 에피앨릴

유전형질은 일반적으로 유전자의 대립유전자 관점에서 연구되지만, DNA 메틸화와 같은 후생유전학적 표지는 특정 종에서 특정 유전체 영역에 유전될 수 있으며, 이 과정을 세대를 거친 후생유전적 유전이라고 한다.^[11] 이러한 유전 가능한 표지를 (뉴클레오티드 서열에 의해 정의되는) 전통적인 대립유전자와 구분하기 위해 '에피앨릴(epiallele)'이라는 용어를 사용한다.^[11] 마우스와 인간에게서 발견된 특정 유형의 에피앨릴인 불안정 에피앨릴(metastable epiallele)은 유사분열적으로 유전될 수 있는 후생유전적 상태의 확률적(확률론적) 확립을 특징으로 한다.^[12][13]

11. 이디오모프 (Idiomorph)

그리스어 'morphos'(형태)와 'idio'(독특한, 유일한)에서 유래한 "idiomorph"(이디오모프)는, 서로 다른 균주에서 동일한 자리에 존재하지만 서열 유사성이 없고 공통적인 계통 발생적 관계를 공유하지 않는 것으로 추정되는 서열을 나타내기 위해 1990년에 "allele"(대립 유전자) 대신 도입되었다. 이디오모프는 주로 균학의 유전 연구에서 사용된다.^[14][15]

12. 예시

멘델의 『식물잡종에 대한 실험』에 나오는 완두를 예로 들면, 콩의 색깔, 덩굴의 길이, 주름의 유무와 같은 형질에 대응하는 유전자좌가 존재하며, 각 형질에 대해 "주름이 있다" 또는 "주름이 없다"와 같이 서로 다른 특성을 나타내는 유전자들이 존재한다. 이들은 대립유전자 관계에 있다고 할 수 있다.

인간의 알코올 대사 경로에서는 ALDH2(알데히드 탈수소효소)가 중요한 역할을 한다. ALDH2에는 ALDH2*1과 ALDH2*2 두 가지 대립유전자가 존재한다. 이 둘의 차이는 12염색체에 있는 ALDH2 유전자의 엑손 12의 변이에 기인한다. 487번째 아미노산 코돈이 GAA(글루탐산)이면 ALDH2*1, AAA(라이신)이면 ALDH2*2가 만들어진다. ALDH2*1 대립유전자에서 만들어지는 효소는 활성이 높고, ALDH2*2는 활성이 약하다. ALDH2*2 동형접합자는 알코올에 매우 약하다.

인간의 알데히드 탈수소효소에는 ALDH1도 있지만, ALDH1은 9번 염색체에 있어 12번 염색체에 있는 ALDH2와는 유전자좌가 다르다. 따라서 ALDH1과 ALDH2는 대립유전자라고 부르지 않는다.

참조

_[1] 서적 Molecular and Genome Evolution Sinauer Associates, Inc. 2016
_[2] 저널 dbSNP: a database of single nucleotide polymorphisms 2000-01-01
_[3] 서적 Statistical Human Genetics 2012
_[4] 저널 The nature of diversity and diversification at the ABO locus 2003-10-01
_[5] 저널 Extensive polymorphism of ABO blood group gene: three major lineages of the alleles for the common ABO phenotypes 1996-06-01
_[6] 웹사이트 Genes and genetics: the language of scientific discovery http://public.oed.co[...] Oxford English Dictionary 2013
_[7] 간행물 The facts of heredity in the light of Mendel’s discovery 1902
_[8] 저널 ASPsiRNA: A Resource of ASP-siRNAs Having Therapeutic Potential for Human Genetic Disorders and Algorithm for Prediction of Their Inhibitory Efficacy 2017-09-01
_[9] 웹사이트 Allele https://www.genome.g[...] 2021-07-03
_[10] 서적 Genetics A Conceptual Approach Macmillan 2020
_[11] 저널 Understanding transgenerational epigenetic inheritance via the gametes in mammals 2012-01-31
_[12] 저널 Metastable epialleles in mammals 2002-07-01
_[13] 저널 Maternal methyl supplements increase offspring DNA methylation at Axin Fused. 2006-09-01
_[14] 저널 Isolation of Neurospora crassa a mating type mutants by repeat induced point (RIP) mutation
_[15] 저널 Mating type and mating strategies in ''Neurospora''
_[16] 특허 노크아웃 비인간 동물 https://researchmap.[...] 2004-06-03
_[17] 저널 The encyclopedia of molecular biology
_[18] 저널 ASPsiRNA: A Resource of ASP-siRNAs Having Therapeutic Potential for Human Genetic Disorders and Algorithm for Prediction of Their Inhibitory Efficacy https://academic.oup[...] 2017-09-01
_[19] 서적 Essential genetics: A genomics perspective Jones & Bartlett Publishers 2005
_[20] 웹인용 Allele https://www.genome.g[...] 2022-01-22