대립유전자(Allele)

3일 전
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정의

대립유전자(allele)는 같은 위치(유전자 좌, locus)에 존재하는 유전자의 서로 다른 형태를 말한다. 달리 말하면, 쌍으로 존재하는 염색체에서 같은 위치에서 마주 보고 있으면서 서로 다른 형질을 나타내는 DNA 염기 서열을 뜻한다. 이 대립유전자로 인해 사람은 서로 다른 특성을 갖게 됩니다. 때때로 다른 대립유전자를 갖더라도 눈으로 보이는 특성에는 차이가 없을 수도 있다.

각각의 대립유전자는 동일한 형질을 결정하지만 염기서열이나 발현 방식이 조금씩 다르기 때문에 유전형(genotype)과 표현형(phenotype)의 다양성을 만들어 낸다. 본 포스팅에서는 대립유전자의 기본 개념과 유형, 멘델 법칙과의 관계, 인구유전학적 시각 등을 살펴본다.

대립유전자의 구조적 다양성

대립유전자는 DNA 염기서열의 변이로부터 생긴다. 변이는 단일염기 다형성(SNP), 작은 삽입‧결실(indel) 또는 큰 구간의 삽입‧결실 등 다양한 형태로 나타난다. 위키백과는 “대립유전자가 DNA 분자의 특정 위치에서 염기서열의 변이형”이며, 이러한 변이는 단일염기 변이뿐만 아니라 수천 개 염기가 삽입되거나 삭제되는 경우도 포함한다고 설명한다. 대부분의 대립유전자는 개체의 특징에 거의 영향을 주지 않지만, 어떤 대립유전자는 항생제 내성, 발달 이상, 인간의 유전질환과 같이 눈에 띄는 표현형 차이를 초래한다.

대립유전자가 존재하려면 개체가 이배체(diploid)일 필요가 있다. 인간을 비롯한 거의 모든 다세포 생물은 두 세트의 염색체를 가지며, 따라서 동일한 유전자 좌에 각각 다른 버전의 유전자를 두 개 갖는다. 두 대립유전자가 같으면 동형접합, 서로 다르면 이형접합이라고 한다. 이형접합 여부에 따라 표현형이 달라질 수 있다.

우성·열성 및 다양한 우성 관계

우성과 열성

멘델은 이형접합체가 두 동형접합체 중 하나의 표현형과 같으면 그 대립유전자를 우성(dominant), 반대 대립유전자를 열성(recessive)이라고 정의하였다. 위키백과 한국어판은 “대립유전자 사이의 유전형 상호 작용은 이형접합체가 두 동형접합체 중 어느 쪽과 유사한지에 따라 우성 또는 열성으로 설명될 수 있다”고 설명한다. 우성과 열성의 정도와 패턴은 유전자 좌마다 다르며, 멘델의 단순한 분류를 따르지 않는 형질도 많다.

불완전 우성(부분 우성)과 공동 우성

불완전 우성(incomplete dominance)에서는 이형접합체가 두 동형접합 부모 사이의 중간 표현형을 나타낸다. 예를 들어 빨간 꽃(A₁A₁)과 흰 꽃(A₂A₂)을 교배하면 분홍색 꽃(A₁A₂)이 나타나는 경우가 이에 해당한다.

반면 공동 우성(codominance)에서는 두 대립유전자의 표현형이 동시에 나타난다. Scitable의 ‘Genetic Dominance’ 글은 공동우성의 예로 ABO 혈액형을 들며, A형 대립유전자와 B형 대립유전자가 모두 발현되어 AB형 혈액형이 나타난다고 설명한다. 아래 표는 ABO 시스템의 대립유전자와 표현형의 관계를 정리한 것이다.

과우성(overdominance)과 대립유전자 계열

때로는 이형접합체가 두 부모의 표현형 범위를 넘어서는 과우성을 나타내기도 한다. 예를 들어 겸상 적혈구 빈혈을 일으키는 대립유전자는 정상적(SS)인 사람과 겸상형(ss)인 사람 모두보다 말라리아에 더 강한 Ss 이형접합체가 유리해 과우성이 유지된다. 또 한 유전자 좌에 여러 개의 대립유전자가 존재할 수 있으며, 우성·열성 관계가 대립유전자 계열(dominance series)로 서열화될 수 있다. 완두콩의 개화 시기 유전자(Lf)에는 네 가지 대립유전자가 존재하며, 각 대립유전자는 다음과 같이 우성 서열을 가진다: Lfᵈ > Lf > lf > lfᵃ. 이처럼 여러 대립유전자가 존재하는 경우를 복대립 유전이라고 한다. 한국어 위키백과는 ABO 혈액형을 대표적인 예로 들며, 세 가지 대립유전자(Iᴬ, Iᴮ, i)가 조합되어 네 가지 혈액형(A, B, AB, O)을 결정한다고 설명한다.

멘델의 법칙과 대립유전자

멘델은 완두콩을 이용한 실험을 통해 대립유전자의 거동을 설명하는 세 가지 기본 법칙을 제시하였다. 이 중 대립유전자와 직접 관련되는 법칙은 다음과 같다.

분리의 법칙(Law of Segregation)

생식세포가 형성될 때 한 개체의 두 대립유전자는 분리되어 각 배우자(gamete)에는 단 하나의 대립유전자만 들어간다. Biology Online은 이를 “두 개의 유전적 요소(대립유전자)가 생식세포 형성 과정에서 분리되어 각 배우자에 하나의 대립유전자가 포함된다”는 내용으로 정의한다. 이러한 분리는 감수분열 과정에서 상동 염색체의 분리로 이해할 수 있다.

독립의 법칙(Principle of Independent Assortment)

서로 다른 유전자 좌의 대립유전자는 감수분열 동안 독립적으로 분리된다. Scitable의 ‘principle of independent assortment’ 정의에 따르면, 서로 다른 유전자들은 생식세포가 형성될 때 독립적으로 분리되며, 이는 멘델이 두 가지 형질을 동시에 관찰한 이중교배(dihybrid cross)에서 발견했다. 감수분열 과정에서 상동 염색체들이 무작위로 분리되고 재조합(recombination)이 일어나기 때문에 하나의 유전자의 대립유전자가 어떤 것인지가 다른 유전자의 대립유전자 선택에 영향을 주지 않는다. 단, 같은 염색체에서 가까운 위치에 있는 유전자는 연관되어 독립의 법칙에서 예외가 발생한다.

인구 유전학과 대립유전자 빈도

대립유전자 빈도(allele frequency)는 인구 집단에서 특정 대립유전자의 비율을 나타내는 개념이다. Scitable은 “대립유전자의 빈도는 관심 있는 대립유전자가 관찰되는 횟수를 동일한 유전자 좌에 존재하는 전체 대립유전자의 수로 나누어 계산한다”고 설명하며, 이는 유전적 다양성을 반영한다고 밝힌다. 빈도 변화는 돌연변이나 유전적 표류(genetic drift), 자연선택 등이 작용한 결과일 수 있다.

하디-바인베르크 원리는 두 가지 대립유전자가 있을 때 p + q = 1, p² + 2pq + q² = 1과 같은 관계로 유전자형과 대립유전자 빈도를 연결한다. 위키백과 한국어판은 p가 하나의 대립유전자 빈도, q가 다른 대립유전자 빈도라면 p²은 첫 번째 대립유전자에 대한 동형접합 비율, 2pq는 이형접합 비율, q²은 대체 대립유전자에 대한 동형접합 비율이라고 설명한다. 우성 표현형의 빈도는 p² + 2pq, 열성 표현형의 빈도는 q²로 계산된다.

다양한 유형의 대립유전자

유전학에서는 대립유전자의 기능과 표현형에 따라 여러 유형으로 분류한다.

야생형(wild-type) vs. 돌연변이형(mutant) – 야생형 대립유전자는 자연 개체군에서 흔히 나타나는 일반적인 표현형을 부여한다고 간주되지만, 돌연변이형 대립유전자는 드물거나 해로운 표현형을 만들 수 있다. 현대 연구에 따르면 대부분의 유전자 좌는 다형성이 높으며, 돌연변이형 대립유전자도 인구집단에 상당히 많이 존재한다.
치명적 대립유전자(lethal allele) – 생명 유지에 필수적인 유전자에 돌연변이가 일어나 기능이 손실되면 해당 대립유전자를 두 개 가진 개체는 발생 초기나 성장 중에 죽을 수 있다. 위키백과는 “치명적 대립유전자는 개체의 죽음을 초래하는 대립유전자로서, 성장과 발달에 필수적인 유전자에 돌연변이가 일어날 때 발생한다”고 설명하며, 우성·열성·조건적 등 여러 종류가 있다고 밝힌다. 이런 대립유전자가 관여하는 교배에서는 예상되는 멘델식 비율이 깨져 2:1과 같은 비율이 나타날 수 있다.
무기능 대립유전자(null allele) – null allele은 돌연변이 때문에 해당 유전자 제품이 전혀 생성되지 않거나 비활성화된 대립유전자로 정의된다. 이러한 돌연변이는 전체 유전자 좌가 결실된 것과 동일한 표현형을 나타낼 수 있다. 일부 null allele은 치명적일 수 있지만, 어떤 경우에는 농업적으로 유익한 형질을 만들기도 한다.
우성·열성·공동 우성·불완전 우성 대립유전자 – 앞서 설명한 것처럼 서로 다른 우성 관계를 가지며, 이형접합체에서 어떤 표현형이 나타나는지에 따라 구분된다.

대립유전자의 중요성

대립유전자는 유전적 다양성의 근원이다. 하나의 유전자 좌에 여러 대립유전자가 존재하면 개체군 내 표현형의 스펙트럼이 넓어져 환경 변화에 적응할 가능성이 높아진다. 예를 들어, 겸상 적혈구 빈혈의 경우 정상 대립유전자와 돌연변이 대립유전자의 조합(SS, Ss, ss)이 각각 다른 적응적 효과를 가지며 말라리아 저항성과 관련된 과우성으로 유지된다. 또한 대립유전자 빈도는 멘델의 법칙과 하디-바인베르크 원리를 통해 인구유전학적 모델을 구축하는 데 사용된다.

유전학 연구는 특정 유전형에 대한 표현형 예측, 질병 감수성 평가, 품종 개량 등 다양한 분야에서 대립유전자의 정보를 활용한다. 따라서 대립유전자의 개념을 이해하는 것은 고전유전학은 물론 분자생물학과 인구유전학을 이해하는 데 필수적이다.