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8 장 유전적 변이의 기원

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8 장 유전적 변이의 기원 - PowerPoint PPT Presentation


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8 장 유전적 변이의 기원. 순서 8.1 유전자와 유전체들 8.2 유전자 돌연변이들 돌연변이의 종류 돌연변이의 예 돌연변이의 표현형적 효과 적응성에 미치는 돌연변이의 효과 8.3 무작위적인 과정으로서의 돌연변이 8.4 재조합과 변이 8.5 핵형의 변화 다배수성 염색체 재배열. 100 종 이상 유전체 DNA 서열 결정 서열비 교 -> 진화의 역사와 과정에 대한 정보 제공 인간은 적어도 300 개의 새로운 돌연변이를 가지고 태어남 -> 부모와 다르게 한다 .

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Presentation Transcript
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순서

8.1 유전자와 유전체들

8.2 유전자 돌연변이들

돌연변이의 종류

돌연변이의 예

돌연변이의 표현형적 효과

적응성에 미치는 돌연변이의 효과

8.3 무작위적인 과정으로서의 돌연변이

8.4 재조합과 변이

8.5 핵형의 변화

다배수성

염색체 재배열

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100종 이상 유전체 DNA서열 결정

서열비교 -> 진화의 역사와 과정에 대한 정보 제공

인간은 적어도 300개의 새로운 돌연변이를 가지고 태어남

-> 부모와 다르게 한다.

이 중 한 두 개는 잠재적으로 해롭고,

적어도 4500 종류의 인간 유전자들이 돌연변이 형태로 있을 때

유전성 질병이나 결함을 일으킴

이 장 돌연변이의 긍정적 측면을 고려, 살펴봄.

돌연변이는 진화의 원인이 아니다.

진화의 필수조건

돌연변이의 근본적 역할은 진화의 원인 분석의 논리적 시발점

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8.1 유전자와 유전체들

생명체들의유전체:

DNA로 구성, 이는 뉴클레오티드염기쌍으로 이루어짐(A,G,C,T)

DNA양은 생명체마다 다양

(도롱뇽 사람의 100배 DNA, 아메바 유전체는 인간보다 200배)

유전자(gene): 보통 RNA로 전사되는 DNA서열 부분, 전사조절자(비전사 영역) 포함

좌위(locus): 특정 유전자가 점유하는 염색체의 자리, 종종 유전자 그 자체 언급

단백질 암호화하는 유전자 수: 애기장대 26000개, 생쥐,인간: 30000개

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Exon

Intron

Control region

Enhancer, repressor

Transcription

Splicing

Alternative splicing : 인간 유전자의 35%

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번역(Translation): mRNA -> 폴리펩티드, 단백질

코돈: 3개의 염기들-> 아미노산 지정

(20개 아미노산 암호화)

현재 22개까지 알려짐

UGA -> Selenocysteine

UAG-> pyrrolysine

3번째 코돈: 비특이적

(Redundancy)

유전자 암호: 모든 생물에 공통적

=> 유전공학의 바탕

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인간유전체: 28% 만 전사/ 5%만 단백질 만듦

  • 45%가 반복서열(repeated sequence)
  • 430 만 개 ( microsatellite)
  • - 직렬반복(tandem repeat)
  • -* SINEs-(short interspersed nuclear elements) /(100-400bp)
  • - *5kb 넘는 긴 산재반복서열
  • - *DNA transposon.
  • 전이과정 형성, 가능
  • 전이인자(transposable elements, Tes): 전이가 가능한 DNA서열들
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유전자군(gene family):

단백질-암호화 유전자들로 서열이 비슷하고

종종 연관 기능을 가지는 유전자들의 집단

  • Ex) 인간의 헤모글로빈 유전자군
  • 하위집단(subfamily)
  • α 그룹 / β그룹
  • 위유전자(pseudogene)
  • 기능적인 유전자들을 닮아있지만,
  • 서열 내부에 정지코돈을 포함하여
  • 전사되지 않는 서열
  • 유전자군들은 오랜
  • 시간을 거쳐 다양하게 분화한 반복된
  • 서열들의 실례
  • 포유동물 후각수용체
  • => 1000가지 기능적 구성원포함

(하위집단)

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8.2 유전자 돌연변이들

  • 돌연변이(mutation):
  • 유전자, 염색체의 변화과정
  • 변화된 상태의 유전자, 염색체
  • 분자유전학 발달 전: 형태, 생존성, 행동, 유전되는 일부 다른 특징: 표현형적 효과
  • 대립유전자(allele)들의 한 형태가 다른 형태로 바꾸니 유전자의 변화
  • 분자생물학적: DNA서열 변화
  • 단상형(haplotype):
  • 상동적인 서열에서 하나 또는 그 이상이 돌연변이로 달라진 특정 DNA서열
  • 유전적 표식자(genetic marker)
  • 염색체나 유전자들의 특정부위 인식할 때 사용하는 추적 가능한 돌연변이들
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생식세포에서 발생한 돌연변이만이 유전.

보통 세포분열 과정에서 일어남.

난자보다 정자를 통해 다섯 배나 더 많은 새로운 돌연변이들이 집단 내로 도입

(Makova and Li, 2002)

진화생물학자

돌연변이는적응의 과정이 아닌 수리되지 못한 손상의 결과(17장 참조)

돌연변이 집단(cluster) 출현-> 중요한 진화적 결론 초래(Woodruff et al., 1996)

치환(substitution): 자연선택/유전적 부동으로 돌연변이 고정

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돌연변이의 종류

염기쌍 치환(base pair substitution): 단일염기쌍 치환

염기전이(transition):퓨린<-> 퓨린,

염기전환(transversion): 퓨린<->피리미딘

동의 돌연변이 (synonymous mutation): 변이 후 아미노산 서열 영향 없음

비동의돌연변이 (nonsysnonymous mutation: 변이 후 아미노산 서열 영향 있음

틀이동돌연변이(frameshift mutation): 삽입, 결실로 인한 변이

- 크게 바뀌면 대부분 비기능

복제미끄러짐현상:

Repeat 수변화

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재조합 시 발생하는 서열변화

  • 재조합:
  • 감수분열시 상동염색체상에서 발생하는 DNA서열들의 정확한 재배열에 근거
  • 유전자 전환의 원인(진균에서 연구)
  • 대립유전자 비율 1:1 -> 1:3으로달라진비율로 배우자 만듦.(수리 중 삽입)
  • 불균등교차(unequal crossing over, unequal exchange)- 중복지역이 어긋나게 쌍을 형성

진핵세포: 비기능적 서열들이 극단적으로 많은 수로 존재

-> 많은 유전자군 탄생, 기능적 유전자 진화, 전체 DNA 진화에 중요작용(19장 참조)

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전이인자들에 의한 변화

  • 전이인자:
  • - 유전체 여러 곳 중 어느 곳으로도 이동가능 사본 제작
  • 자신이 있던 곳 근처의 다른 유전자 실어나르기

- Insertion sequence

- Transposon

- retroelement

Class II

-No RNA intermediate

-Cut and Paste using

transposase enzyme

Transposon

전위(transposition)을 일으키는 효소

암호화하는 유전자 포함(A)

Retroelement

  • Class I
  • RNA -> DNA
  • Similar to Retrovirus

다른기능적유전자들도 같이 암호화

(SINEs, LINEs)

LTR: long terminal repeat

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전이인자들에 의한 변화

  • 암호화 부위 내로 삽입->틀이동 변환이나 이어 맞추기 패턴 변화 -> 단백질 기능 바꿈
  • 조절 영역 내부나 그 근처로 삽입시 유전자 발현을 바꾸거나 방해함
  • 숙주 유전자의 돌연변이 증가시킴.
  • 역전사효소 암호화하는 TE-> RNA 전사체에 대한 사본까지 유전체에 삽입
  • 전이와 불균등 교차로 TE들은 숫자가 늘고 => 유전체의 크기 증가

전이인자 사본들 사이의 재조합은

결실이나 역위를 일으킬 수 있다.

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돌연변이의 예

유전학자: 초파리/대장균 모델 연구-> 돌연변이 성질/원인 알아냄

단일염기쌍 치환: 겸상 적혈구 빈혈증,

1개 아미노산 변이: 4세 소년의 사춘기 징후

* 낭포성섬유증(cystic fibrosis)- 나트륨 채널 단백질을 암호화하는 유전자 변이

3bp 결실-> 단백질 내 아미노산 손실,

Arginine-> 중지코돈 전환

Splicing 변화 -> mRNA에서 엑손 손실…..

->500가지 이상의 서로 다른 염기쌍치환 보고

* 색소성망막염(retinitis pigmentosa):

23염색체 중 8개의 염색체상 존재하는 유전자들에서 발생하는 돌연변이(Avise, 1998)

* 혈우병, 헌팅턴병….

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돌연변이의 예

저밀도지질단백질(L이)유전자의 5번 엑손 결여-> 불균등 교차

돌연변이는 이롭기보다는 해롭다.

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돌연변이의 예

이로운 돌연변이-> 종의 유전체들에 통합되어 야생형(wild-type)이 됨.

FOXP2 유전자:

변이시심각한 언어장애 발생

700만년 전,

인간과 침팬지 분기 이후 인간 계통에서 2번의 nonsynonymous substitution

-> 빠른 속도의 단백질 진화(9000만 년 전, 쥐의 경우 1번 치환 발생)

-> 치환이 20만 년 전 이후에 일어남 -> 언어진화에 중요한 단계 제안(장&파보)

(nonsynonymous)

(synonymous)

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돌연변이율

반복 돌연변이(recurrent mutation): 특정돌연변이의 기원 반복

돌연변이율: 세대 또는 단위시간 마다 유전자 사본당 독립적 기원의 수로 표현

DNA서열 직접 추적-> 염기쌍당 발생하는 것.

돌연변이율의 측정

직접적 방법: 실험실 생물에서 발생하는 돌연변이 수 세기

간접적 방법: 상동유전자들사이에서의 염기쌍 차이들의 수에 기초한 것

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돌연변이율

  • 유전자마다 다양, 부분도 다양
  • 표현형적 효과: 10-6~10-5비율로 돌연변이
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돌연변이율

인간 유전체에서의 돌연변이율 세대당 약 4.8 * 10-9/bp (Lynch et al., 1999)

복귀돌연변이(back mutation) back to wildtype:

정방향돌연변이보다 적은 비율 발생, (회복 보다 기능 불활성화 원인)

대장균200세대 이로운 돌연변이 발생 -> 심각한 돌연변이 보상(Moore et al, 2000)

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돌연변이율의진화적 연관성

반수체의인간 유전체 3.2 * 109bp

돌연변이율세대당 4.8 * 10-9/bp

평균접합자, 약 317개의 새로운 돌연변이 가짐.

2.5%의 전사 유전자 중 7개 돌연변이 표현 -> 표현형적 특징들에 영향(Lynch et al.,1999)

50만명의 인간 집단-> 80만개의 새로운 돌연변이/세대

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돌연변이율의진화적 연관성

알에서 성체로 살아남는 생존성에 영향을 미치는 돌연변이 축적:

2번 염색체/ 0.15돌연변이율 (Mukai, 1972)

초파리의 돌연변이가 높으며 세대 당 1-2%까지 생존도 감소(Lynch et al., 1999)

인간: 생존도,생식률 감소시키는

새로운 돌연변이들을 접합자당

약 1.6번 겪음

노랑초파리의 성체까지 생존율에 영향을 미치는

자발적 돌연변이들의 축적에 따른 영향

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돌연변이율의진화적 연관성

유전자,염색체 부위 별다양하며, 환경적 요소에 영향을 받음.

돌연변이원(mutagen, 돌연변이를 유발하는 물질)

쥐에서의 돌연변이율

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돌연변이율의진화적 연관성

연속적으로 달라지는 형질의 유전

다유전자적(polygenic)

돌연변이 분산(mutational variance)

- 각세대에서 새로운 돌연변이에 의해

증가된 집단 내 변이

특정 돌연변이: 드문 사건

전체 유전체내에서

새로운 유전적 변이가

기원하는 비율은

다유전자적 특징들을 가진 개체에서는

상당한 것

순환돌연변이가 아닌 다른 요인이

대립유전자 빈도에 강한 영향

진화적 변화 일으킴.

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돌연변이율의표현형적 효과

하나의돌연변이 -> 하나 , 그 이상의 표현형적 특징 변화 시킴

(ex: 크기, 색깔, 효소활성의 정도)-> 생존, 생식에 영향을 미칠 수 있다.(11장)

DNA서열 돌연변이: 영향 없음 -> 극적인 것까지 다양

마스터 조절 유전자(20장)

발생 경로에서 다른 유전자들의 발현 조절

호메오돌연변이(homeotic mutation)

: 체절이다른 체절로 발생, 지시

강모 수 평균 0.9개 변화

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돌연변이율의표현형적 효과

마스터 조절 유전자(20장)

발생 경로에서 다른 유전자들의 발현 조절

호메오돌연변이(homeotic mutation)

: 체절이다른 체절로 발생, 지시

Ex) 촉수다리 유전자 합체에서의 돌연변이: 촉수발달 자리에 다리가 생기도록

Pax6: 눈의 발달에 필요한 약 2500개 유전자 발현-> 돌연 변이시 눈의 소실, 눈 형성 부전 초래

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돌연변이율의표현형적 효과

우성(dominance): 이형접합성조건에서 다른 대립유전자와 짝을 이룰 때

표현형에 미치는 대립유전자의 효과

우성 A1은 이형접합성일 때 (A1A2) 동형접합성(A1A1)과 같은 표현형 A2: 열성(recessive)

부가적(additive): 이형접합체의 표현형이 정확하게 동형접합체들 사이의 중간

기능상실 돌연변이(Loss-of-function mutation) :유전자 산물 활성 감소

우성 돌연변이(dominant mutation): 유전자 활성 증가

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적응성에 미치는 돌연변이의 효과

돌연변이의 평균적인, 또는 순수한 효과는 유해하다.

  • 돌연변이의 적응적 결과:
  • - 환경,유전적 조성에 의존적
  • Ex) 새로운돌연변이 적응도 감소
  • 비경쟁적인 조건에서 10배 높음
  • 다면발현적(pleiotropic)
  • 하나이상의 특징에 영향
  • Ex)초파리 채색 돌연변이
  • -> 생식에 영향

대장균과 효모에서의 적응성에 영향을 미치는

새로운 돌연변이의 효과에 대한

누적적인 빈도 분포

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적응성에 미치는 돌연변이의 효과

미생물을 이용한 이로운 돌연변이 발생 증명(Dykhuizen, 1990…)

대장균 집단의 적응도 증가 20,000세대 추적(Richard Lenski)

lacZ유전자 결여 대장균

젖당 분해 ?

Ebg유전자의 변이

-> lactose 분해

대사기능 회복

-> 돌연변이와 선택은

협동적으로 복잡한 적응

(Barry Hall, 1982)

이로운 돌연변이

-> 적응성 증가

-> 자연선택의결과

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돌연변이의 한계

  • 발달기초를 바꾸지 못한다: 날개 있는 말(X)
  • 다유전자적(polygenic)-> 진화의 속도나 방향 제한하지 않을 수 있다.
  • Ex)구리 저항성의 세대 차이는 좌위가 서로 달라졌음을 나타낸다.(Cohan, 1984)
  • 드문 돌연변이의 공급이 적응에 대한 종의 능력 제한 가능.

박테리오파지 계통의 φX174와 S13집단: 높은 온도에서 숙주세균에 적응

자연적 진화가 제한된 수의 경로만을 이용하여, 이로운 돌연변이의 종류들에 의해 제한

(Wichman et al., 2000)

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8.3 무작위적인 과정으로서의 돌연변이

어떤 것이 돌연변이를 겪을 지 예상할 수 없다.

환경은 적응적 돌연변이를 유발하지 않는다.(이로울지, 해로울지 모른다.)

적응적 돌연변이 ->신라마르크적 생각

=>무작위돌연변이 후 자연선택 적응 실험 후 사라짐(Joshua & Esther Lederberg, 1952)

복제평판법(replica plating)

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8.4 재조합과 변이

집단 내 존재하는 대다수의 유전적 변이: 재조합을 통해 발생

진핵생물유전적 변이

유전적으로 다른 배우자들의 수정

초파리집단 염색체효과 연구(Spassky et al., 1958):

10개 상동염색체 선택-> 모든 교배 수행 -> 자연집단보다 40%이상의 변이 관찰

합성 치사성(synthetic lethal)

2. 유전적 변이를 증가 혹은 감소시킬 수 있다. (복잡한 영향) (그림 8.12참조)

유전자는 다음 세대로 전달되지만 유전자형들은 그렇지 않다.

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8.4 핵형의 변화

핵형(karyotype): 염색체요소: 수, 크기, 모양, 내부배열

염색체 주요 부위의 소실: 개체 생존성 감소

이수체(aneuploid), 염색체 조성이 균형 잡혀 있지 않을 때: 죽음, 발생 실패

(염색체 21번 3개: 다운증후군….)

염색체 구조 중복, 결실: 유전물질의 양 변화

다배수성(polyploidy): 전체염색체 세트의 수가 변화하는 것

염색체재배열

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8.4 핵형의 변화 - 다배수성

다배수체형성

감수분열시숫자 줄이기 실패

염색체가 줄어들지 않은

배우자 생김

유전물질 감소되지 않은 배우자

와 수정: 3N

식물, 송어, 나무 개구리

배수성 과정에서 생김

동질배수체(Autopolyploid):

비감소성 배우자들끼리 수정

이질배수체(allopolyploid):

매우 가까운 종들 사이의 잡종화

불균형 패턴:생식력 감소될 수 있다.

자손이 거의 생기지 않음

정배수성(euploid):

정상적으로분리되는 두 쌍으로 배열

생식력: 정상 혹은 거의 정상

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8.4 핵형의 변화 – 염색체 재배열

염색체 구조 변화: 다른 종류의 핵형 변화

염색체의 절단, 조각 연결-> 새로운 모양 형성

감수분열 분리 패턴에 영향

생존력있는 배우자 비율 영향

동형핵형(homokaryotype)

이형핵형(heterokaryotype)

역위(inversion) – 위치 뒤집어짐

유전자 순서의 재배열은

동원체를포함하는 경우 협동원체성(pericentric)

동원체비포함평동원체성(paracentric)

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8.4 핵형의 변화 – 전좌

A chromosome translocation is a chromosome abnormality caused by rearrangement of parts between nonhomologous chromosomes.

상호전좌(reciprocal translocation)

높은비율로 이수성 배우자 만듦

전좌에 관한 다형현상은 자연집단에서는 드물다.

예외: 미란다 초파리 Y염색체: 가깝게 연관된 종들의 상염색체 중 하나와 부분적 상동 조각 포함

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8.4 핵형의 변화 – 절단과 융합

말부 동원체형(acrocentric): 동원체가한쪽 끝에 위치함

중부 동원체형(metacentric): 동원체가 중앙쯤에 위치

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8.4 핵형의 변화 – 염색체 수의 변화

포유류 n=3~42(Lande, 1979)

같은 속의 사슴( 46 vs. 8)

핵형의진화-> 다른 과정 필요

상호전좌의 자연발생률

10-4~10-3