염색체

염색체 CHROMOSOMES 생물학개론 12주차 강의

염색체 • 염색체의 구조, 인공염색체 • 염색체와 유전자간의 연관성 • 교차빈도와 연관지도 • 염색체와 성 결정 • 성 결정 메커니즘의 다양성, 사람의 성 결정 • 성 연관 유전, X-염색체 불활성화 • 염색체 이상 • 염색체 숫자의 이상: 배수체, 이수체 • 염색체 구조의 이상: 결실, 중복, 역위, 전좌

염색체란? • 현미경으로 보이는 염색되는 물질 • 끊이지 않고 길게 연결된 DNA, RNA, 단백질 복합체 • 각 종은 특정 수의 염색체를 가진다 • 염색체 수가 많다고 복잡한 것 아니고, 염색체 수가 비슷하다고 종간의 근접성을 보이는 것은 아님 • 모기: 6개 • 메뚜기, 벼, 소나무 : 24개 • 개 : 78개 • 잉어 : 104개 • 사람 : 46개

염색체의 구조 • 이질 염색질 (Heterochromatin): 반복서열이 많고 단단히 감긴 DNA. 염색이 진하게 (dark) • 진정 염색질 (Euchromatin): 단일서열이 더 많고 더 느슨하게 감겨 있음. 염색이 밝게 (light). • 진정 염색질은 단백질을 암호화하는 유전자가 많고 느슨한 꼬임 덕분에 정보를 이용하기 쉽다. • 동원체와 말단소립(telomere)는 이질염색체의 일종

동원체 (Centromere) • 반복적인 DNA 서열로 구성 • 자매염색분체가 결합되어 있는 부위 • 염색체에 있는 방추사 부착부위 • 그러나 동원체 자체에 방추사가 붙는 것이 아니라 동원체 + 단백질이 결합된 키네토코어 (Kinetochore)에 붙는 것임

염색체 구성 • DNA를 복제하고 분열하기 위해 필요한 염색체의 최소 구성단위 : • 텔로미어 (telomere, 말단소립) • DNA의 복제가 시작되는 복제시점 • 동원체 • 이를 알아내기 위해 과학자들은 어떻게 연구를 했나?

염색체 구성 원리의 연구 • 염색체는 어떻게 구성되는가? • 기존 염색체에서 부위별로 줄여가며 연구 • DNA 조각에 새로운 부위를 더해가며 연구 • 텔로미어의 연구: • 기존 염색체에서 텔로미어 제거  염색체 말단이 이어지는 현상 • 염색체 중간에 telomere 서열 삽입  그곳에서 텔로미어 형성

인공염색체 • 인공염색체 : 세포내에서 독립된 염색체로서 기능을 하고 염색체의 기본적 구조를 가진 재조합 DNA분자 • 텔로미어, 동원체, 복제시점을 가지고 인공 염색체 만듬 • 세포분열시 성공적으로 분열

1800년대 후반의 논란 • 유전정보를 관장하는 것은 핵인가 세포질인가? • 세포질파: Morgan, Pflugger, Bischoff • 난할을 하기 전 빗살 해파리의 세포질을 제거하였을 때 비정상적인 발생이 일어난다. • 핵파: Wilson, Boveri, Hertwig • Boveri의 polyspermic 성게알의 실험

Boveri (1862-1915) • 1902년 Boveri and Sutton: 염색체가 형질을 유전시킨다 • 보베리 : 성게의 알로 연구 • 정자의 핵과 난자의 핵안의 유전물질이 뒤섞이지 않는다  각각의 염색체가 새로운 자손의 염색체를 형성하는데 똑같은 양으로 기여한다고 주장 • 이외에도 생식세포 형성시 염색체의 수가 감소한다는 것과 염색체와 발생의 관계 규명

핵 vs. 세포질? • Nettie Stevens : Morgan의 학생 • 암컷 초파리는 XX, 수컷 초파리는 XO나 XY • 성은 염색체에 의해 결정된다 • Morgan의 반대: 염색체는 성이 결정하는 것이다. 후에 자신의 실험에서 성별에 연관된 유전 형질을 발견한 후 받아들임

염색체와 유전 • 초파리의 형질의 수 vs. 염색체의 수(4쌍) • 형질의 수가 염색체의 수를 훨씬 초과. • 그렇다면? • 하나의 염색체 안에 여러가지 형질을 결정하는 여러가지 유전자가 들어있을 것이다 (연관) • 같은 염색체에 들어있는 형질들은 독립적으로 분리되지 않고 함께 유전된다 • 멘델의 행운 : • 멘델이 연구했던 7가지 형질은 각각 다른 염색체에 들어있던 형질임. 만일 그 중에 연관된 형질이 있었다면 아마 실험을 제대로 하지 못했을 듯

연관 linkage • 연관 : 2개 이상의 비대립 유전자가 동일 염색체상에 존재하여 동일하게 행동하는 것 • 베이트슨과 퍼넷의 실험 : 두가지 형질을 가진 양성잡종의 교배시 예측한 결과 (9:3:3:1)와는 다른 비율로 나왔다 (3:1)  마치 단성 잡종처럼

모건의 형질 연관 • 연관된 형질들을 연구한 결과 형질들이 총 네가지의 그룹으로 연결되어짐을 발견 • 같은 그룹의 형질들은 양성잡종 교배에서 독립의 법칙을 따르지 않고 함께 유전 • 함께 유전된다  같은 염색체상에 연관되어 있다 • 실제로도 초파리의 염색체는 4 쌍

연관 지도 연관지도 : 염색체에서 유전자의 순서와 간격을 나타낸 그림 유전자 교차 빈도와 유전자 사이 거리의 상관관계 이용 교차 빈도가 높으면 거리가 멀다

연관지도 만드는 방법 • 초기의 인간 유전자 연관 지도 작성은 염색체와 특정 유전자를 연결하는 것부터 • 특정한 형질과 특정한 염색체 이상을 가진 사람들을 연구 • 가능한 많은 가계에서 같은 형질을 관찰한다면 유전자의 연관성을 확립할 수 있다. • 인간은 초파리처럼 많은 자손을 낳지 않기 때문에 특정 유전병을 갖는 집안의 가계도를 조사해서 작성

염색체와 성 결정 • 대부분의 경우, 상염색체 외의 성을 결정하는 성염색체를 갖는다. • 이형성 : 두 개의 다른 성 염색체를 갖는 것 (예: XY) • 동형성 : 두개의 같은 성 염색체를 갖는 것 (예: XX) • 포유류의 경우, 수컷은 전부 이형성 • 그러나 새, 나방, 나비의 경우, 암컷이 이형성

성 결정 메커니즘의 예 • 상염색체와 X 염색체의 비율 • 초파리와 메뚜기 등 곤충의 예: • 메뚜기 : XX 암컷 /XO 수컷 • 초파리 : XX 암컷/XXY 암컷/XY 수컷/XO 생식능력 없는 수컷 • 환경에 의한 결정 • 거북이 : 부화될 때의 온도에 의해 결정 • 슬리퍼 꽃양산조개 : 크기와 위치에 따라 성 변화 • 일부 어류의 경우, 집단 내의 수컷은 오직 하나. 그 수컷이 죽으면 다른 암컷이 수컷으로 변한다.

성 결정 메커니즘의 예 • 전체적인 염색체 수로 결정: • 개미와 벌 등, 단위생식을 할 수 있는 생명체의 경우, 수정란은 암컷으로, 비수정란은 그대로 수컷으로 자란다. • 특정 염색체를 가졌느냐 안 가졌느냐? • 포유류의 경우: Y염색체를 가지면 무조건 남성. (정상적인 Y 염색체인 경우에 한해서…)

Y 염색체 • 두 개의 그룹으로 나뉨 • X 염색체 유전자의 서열과 유사한 부분과 Y 염색체 고유의 유전자 부분 • 유사한 부분이 있기 때문에 간혹 교차가 일어나기도 함. • 교차로 인한 질병도 있음…

성 결정 유전자 (SRY) • 발견하게 된 동기: • 비정상적인 XXY(남성), XY(여성)을 통해 Y 가 남성을 결정 확인 • XX 남성: X 안에 Y의 조각이 들어있음을 확인 • XY 여성: Y 안에 특정 부위가 손실 • Sex determining Region of the Y (SRY) • Y 염색체에 포함된 성 결정 유전자로, SRY가 있으면 남성으로 발생하고, SRY가 없으면 여성으로 발생한다.

SRY • SRY가 발현되면 (SRY 유전자가 암호화하는 단백질이 만들어지면) 남성의 정소 형성에 관련된 여러 유전자들이 활성화  미발육 정소에서 남성 호르몬 (테스토스테론) 분비  다른 유전자 활성 • 유방조직이 수축하고 남성기관 발달 • 미발육 여성 기관을 없애는 단백질을 가진 유전자를 활성화하여 남성으로 발생

염색체형과 성별 • 인간의 경우 Y 염색체를 가지면 남성으로 발생 • XXY, XY, XYY 남성 / XX, XO 여성 • 하지만 SRY 유전자의 발현으로 인해 분비된 남성 호르몬에 대한 수용체가 없으면 SRY가 있어도 여성으로 발생. 이때 미발육 정소는 남아있게 됨

성염색체에 존재하는 유전자들의 유전 • 성별에 따라 유전자 발현이 다를 수 있다. • 남성의 X 에 있는 유전자는 대립인자가 없기 때문에 X가 그대로 발현. • 여성의 경우는 대립이 있어서 영향을 받을 수 있다. 즉 우성, 열성에 따라 발현여부가 결정. • 남성의 X 에 있는 유전자는 hemizygous (반접합자)이고, 남성은 X연관 유전자 질병의 보인자가 될 수 없다. (예: 혈우병, 색맹)

X 염색체 불활성화 • 남성은 X 하나이고 여성은 X 둘. • Y염색체에서 발현되는 유전자의 수는 극히 적고 X염색체에는 많은 유전자가 있기 때문에 발생하면서 둘 중 하나의 X염색체를 불활성화 시킴 • 둘 중 어느 것(부계, 모계)이 불활성화 될지는 알 수 없음  랜덤하게 일어남 • 딸세포에서는 동일한 불활성화 패턴

X 염색체 불활성화 • 불활성화를 시키는 방법은 둘 중 하나를 응축된 상태로 보존시키는 것임(바소체) • 포인트는 딱 하나의 X만을 남겨두는 것 • 여성 XX의 경우 : 둘 중 하나가 불활성화 • 여성 XO의 경우 : 불활성화 없음 • 남성 XY의 경우 : 불활성화 없음 • 남성 XXY의 경우 : 하나가 불활성화

X 염색체 불활성화 • X 염색체 불활성화는 랜덤하게 일어나기 때문에 삼색 고양이의 클론을 할 경우, 클론으로 태어난 고양이는 본체와 무늬 패턴이 다름 • 칼리코 고양이의 주황색 무늬는 검은색 대립 유전자가 있는 염색체가 불활성화. 발생초기에 X 염색체 불활성화 큰 무늬. • 발생 후기에 X 염색체 불활성화가 일어나면 더 작은 무늬와 삼색얼룩 무늬가 생긴다. • 색맹 보인자 쌍둥이의 경우, X 불활성화로 인해 한쪽은 색맹으로 태어나는 경우도 있음.

염색체 이상 • 배수성 (polyploid): 감수분열 과정에서 오류가 생기면 여분의 염색체 세트를 갖는 배우자가 만들어 질 수 있다 • Triploidy: 동물은 생존 어려움. 식물은 가능한 경우가 있다. 그러나 생존이 가능해도 생식세포를 만들지 못함  씨없는 수박에 이용 • 같은 배수체라도 짝수의 배수체의 경우에는 상동염색체끼리 쌍을 이룰 수 있기 때문에 생식세포를 만들 수 있는 경우도 있음 • 예: 밀은 7개의 염색체쌍, • 파스타용 밀 4배체/ 제빵용 밀 6배체

이수성 • 이수체 (aneuploid): 세포에 염색체가 정상보다 많거나 부족한 경우 • Monosomy: 하나 모자라는 경우 • Trisomy: 하나 남는 경우 • 다운 증후군은 21번째 염색체의 trisomy가 원인 (총 46+1의 염색체) • 왜 이수성이 일어나는가? • 주로 감수분열과정에서 염색체가 비분리 (nondisjuction)로 일어난다.

이수체 • 상염색체의 이수체 vs.성염색체의 이수체 • 성염색체의 이수체일 경우에는 불임이라도 정신지체는 없는 경우가 대부분  왜? 성염색체에는 지능을 결정하는 유전자가 없기 때문에. • 상염색체 이수체의 경우, 염색체에 지능을 결정하는 유전자가 있는 경우가 많기 때문에 지능에 문제가 있을 수도…

Trisomy in Human (삼염색체성 환자) • the incidence of trisomics 13 (Patau's Syndrome) is about 1/12,000 • Trisomic 21 is also called Down's Syndrome (1/700 in newborns). 정도의 차이가 있을 수 있다. 예, 정신적인 손상이 심한 경우도 있다 하지만 대학에서 수학할 정도의 능력이 되기도 한다. • Trisomic 18 is called Edward's Syndrome (1/6000 in newborns).

성염색체의 이수체 • XO 터너 증후군 (Turner syndrome): • 99% 태어나기 전에 사망, 1%는 2000명 중 1명꼴로 생존. • 성적발달이 늦어짐, 정상적 지적능력, 호르몬 보충으로 살아갈 수 있음. 임신은 불가능 • XXX: • 약 1000명에서 2000명당 1명 • 큰 키 비정상적 월경

성염색체의 이수체 • XXY 클라인펠터 증후군: • 털이 적고 손발이 길고, 유방조직이 발달. 1/500 에서 1/2000 확률. 정신지체는 아니다. • XYY 제이콥스 증후군: • 공격적이고 폭력적이라는 가설이 있었으나 반드시 그렇지는 않다. • 96%의 경우 완전 정상, 큰키, 심한 여드름, 약간의 언어 장애및 난독증 • 대략 1/1000의 확률

염색체 재배열 (chromosome rearrangement) • 역위 (Inversion): 염색체 일부분이 잘려서 거꾸로 다시 들어감 • 전좌 (Translocation): 비상동 염색체가 부분적으로 바뀌거나 서로 결합한다. • 로버트슨형 전좌 (Robertsonian translocation): 두 개의 비상동염색체의 짧은 팔이 각각 잘려서 남아있는 긴 팔이 결합되어 큰 염색체를 만든다. • 상호전좌 (Reciprocal translocation): 두 개의 비상동염색체 사이에서 염색체 일부분이 교환된다.

염색체 재배열이 생식세포에 미치는 영향 • 이형성인 사람의 경우 역위가 일어나더라도 다른 대립 유전자는 정상이므로 건강할 수 있다. • 감수분열과정에서 역위가 일어난 염색체와 정상인 상동 염색체 사이에서 교차가 일어나면 유전자 결실 또는 중복의 가능성이 증가, 생식기능에 문제. • 전좌보인자: 상호 전좌가 두개의 비상동염색체 사이에 일어나도 유전자가 손상되지 않아 결과적으로 그 염색체를 가진 사람이 건강할 수 있다. 하지만 생식세포에서 문제가 있을 수 있음

태아의 염색체 이상 진단 • 핵형(Karyotype) • 노란국화에서 얻은 콜히친- 방추사에 영향을 끼쳐 감수분열을 중지. • 과거에는 핵형 세포 사진등 • 컴퓨터를 이용해서 밴드팬턴을 데이타베이스와 비교

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