돌연변이 ()
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내용 요약
돌연변이는 유전자를 이루는 염기서열의 변화로 유전정보가 변하면서 유전형질이 달라지는 변이현상이다. 단백질 생성은 코돈의 염기쌍 순서 조합에 따라 만들어진 아미노산에 의해 좌우된다. 코돈의 염기쌍 순서가 원래와 달라지면 만들어지는 아미노산이 달라지는데, 이때 단백질에도 변화가 생겨 돌연변이가 나타난다. 돌연변이의 원인은 DNA의 염기서열이 복제되는 과정에서 발생하는 오류에 따른 자연적 현상과 방사선이나 화학물질 노출 등 외부요인이 있다. 돌연변이는 질병 진단 및 치료 분야에서 매우 중요한 지표로 작용한다. 우리나라에서도 이러한 점을 고려하여 회귀유전질환의 돌연변이 정보를 수집하여 데이터베이스를 구축했다.
정의
유전자를 이루는 염기서열의 변화로 유전정보가 변하면서 유전형질이 달라지는 변이현상.
개설
DNA 이중나선 구조가 밝혀지면서 유전정보가 복제 · 전사 · 번역되어 최종적으로 단백질이 생성되는 과정이 밝혀졌다. 단백질 생성은 세 개의 염기쌍으로 이루어진 코돈(codon)이라는 유전부호에 좌우된다.
코돈의 염기쌍 순서 조합에 따라 20개의 아미노산이 만들어지고, 아미노산의 조합에 따라 단백질이 형성된다. 따라서 염기쌍의 순서가 원래와 달라지면 만들어지는 아미노산이 달라지고, 결과적으로는 단백질에도 변화가 생긴다. 이렇게 유전형질이 이전과는 달라지는 현상을 돌연변이라고 한다.
연원 및 변천
1866년에 발표된 멘델(Gregor Mendel)의 유전법칙은 별다른 관심을 끌지 못하다가 1900년에 드 브리스(Hugo de Vries), 코렌스(Karl Correns), 체르막(Erich von Tschermak) 등의 독립적 연구를 통해 재발견되었다.
네덜란드의 드 브리스는 달맞이꽃을 대상으로 돌연변이 연구를 진행하여 ‘돌연변이설(Die Mutations-theorie)’을 발표하였다. 드 브리스의 돌연변이설은 현대적 개념과는 차이가 있지만 다윈의 자연선택설에서 미처 설명하지 못한 종의 출현을 설명할 수 있는 가능성을 제시했다는 점에서 돌연변이에 기초한 진화론에 크게 기여했다.
1910년에 미국의 유전학자 모건(Thomas Morgan)은 흰눈 초파리의 발견을 계기로 초파리 돌연변이를 유전자와 관련지어 설명해냈고, 유전자가 염색체에 존재한다는 ‘염색체설’을 제시하였다. 1928년에 모건의 제자인 뮬러(Hermann Muller)는 X-선을 쬐어 초파리의 돌연변이를 유도할 수 있다는 사실을 밝혀내어 인공적으로도 돌연변이를 유도할 수 있음을 보여주었다.
돌연변이에 대한 이해가 획기적으로 커진 것은 1953년 왓슨(James Watson)과 크릭(Francis Crick)이 DNA 이중나선구조를 발견하면서부터이다. 이를 통해 유전정보가 전달되는 메커니즘이 확립되면서 어떤 과정을 통해 돌연변이가 발생하는지 이해할 수 있게 되었다. 현재 돌연변이에 대한 과학적 이해는 잘 확립되어 있는 상태이며, 진화론에서 유전학에 이르는 생물학 분야에서 매우 중요한 위치를 차지하고 있다.
내용
DNA 분자는 기본단위인 뉴클레오티드(nucleotide) 분자들이 길게 늘어선 모양인데, 뉴클레오티드 분자는 당, 인산, 염기로 이루어져 있다. 이 때 당은 뉴클레오티드의 뼈대를 이루고 있으며, 인산은 그런 당과 당을 연결함으로써 뉴클레오티드 사슬을 형성한다. 결국, 당과 인산은 DNA 이중나선의 뼈대를 이룬다. 나머지 염기는 두 개의 DNA 분자가 이중나선구조를 이루도록 하는 연결부위로 작용한다.
염기는 모두 4가지로 아데닌(A)과 티민(T), 시토신(C)과 구아닌(G)이 서로 선택적으로만 반응한다. 이것은 곧 일단 원판인 DNA의 염기서열이 정해지면, 복사본 DNA의 염기서열도 결정됨을 뜻한다. 이런 방식으로 원판 DNA의 염기배열은 그 순서 그대로 복사본 DNA, mRNA, tRNA로 차례대로 복사 · 전사 · 번역되어서 단백질의 구성요소인 아미노산을 만들어낸다.
아미노산은 코돈이라는 세 쌍의 염기쌍에 의해 생성된다. 만약에 DNA 염기배열이 흐트러지거나, 염기 중 일부가 바뀌면 코돈의 유전정보에 오류가 발생해서 생성된 아미노산에도 문제가 생긴다.
예를 들어, TAG GGC ATA ACG ATT로 판독되는 유전자의 경우 첫 번째 코돈인 TAG 앞에 A가 첨가되면 전체 유전자의 판독 구조는 ATA GGG CAT AAC GAT T로 바뀌게 될 것이고, 따라서 생성되는 아미노산도 달라진다. 이렇게 되면 아미노산의 조합으로 만들어지는 최종산물인 단백질에도 변화가 불가피한데, 이는 곧 새로운 변이의 출현을 의미한다.
돌연변이의 원인으로는 자연적 현상과 더불어 방사선이나 화학물질 등 외부요인을 들 수 있다. 이 때 자연적 현상이란 DNA의 염기서열이 복제되는 과정에서 발생하는 오류에 따른 것으로 피부나 털이 하얗게 되는 백색증이나 혈우병 등은 이로 말미암은 것이다.
총 23쌍의 염색체에서 21번 염색체가 3개인 다운증후군이나 여성 성염색체(XX)에서 X 염색체 하나가 부족해서 나타나는 터너증후군 등도 마찬가지이다. 반면에, 방사선이나 화학물질 등 외부요인에 따른 돌연변이도 있다. 체르노빌(Chernobyl)이나 후쿠시마(Fukushima) 원전 사고에서 방출된 방사성물질에 피폭이 되거나 발암물질에 노출되는 경우에도 돌연변이가 발생할 수 있다.
대부분의 돌연변이는 개체에게 해로운 경우가 대부분이지만 아주 드물게 생존에 유리한 돌연변이가 나타나기도 한다. 이런 돌연변이는 자연환경에 유리하게 작용할 것이고, 따라서 진화에도 유리할 수 있다.
현황
현재 유전자와 질병의 상관관계를 밝히기 위한 노력이 커지고 있다. 브르카(BRCA) 유전자와 유방암의 관계가 대표적 사례인데, 브르카 유전자에 돌연변이가 있는 환자는 전체 유방암 환자의 5∼10%에 이르는 것으로 밝혀졌다. 이는 브르카 유전자와 유방암의 상관관계가 존재하며, 따라서 브르카 유전자의 돌연변이 조사는 유방암을 예방할 수 있다는 것을 의미한다.
브르카 유전자 사례에서 드러나듯, 돌연변이는 질병 진단 및 치료 분야에서 매우 중요한 지표로 작용한다. 우리나라에서도 이러한 점을 고려하여 희귀유전질환의 돌연변이 정보를 수집하여 데이터베이스를 구축했다.
참고문헌
『열광의 탐구』(프랜시스 크릭, 김영사, 2011)
