인류 유전학을 연구하기 위한 새로운 도구들

-. 다른 사람들은 동일한 DNA 부위에서 DNA 서열의 다양성을 보일 수 있다.

1860년대 중반 Mendel이 수행한 교배 실험은 1980년대 초반까지도 고등생물의 유전적 분석을 위한 주된 방법으로 사용되어 왔다. 초파리와 옥수수 같은 고등생물은 상대적으로 빠른 시간 내에 많은 자손을 생산하고 유지하기 쉽기 때문에 우선하여 사용되는 모델 생물이었다. 많은 시간과 비용이 들어감에도 불구하고 유전학자들은 생쥐와 쥐, 그리고 다른 동물들의 교배 실험도 역시 수행하였다. 이런 실험을 인간은 대상으로 수행하는 것은 윤리적인 문제로 금지하기 때문에, 인류유전학을 연구하기 위한 다른 방법을 고안해야만 했다. 비록 테이-샥스 질병처럼 선천적인 대사 작용의 결함, 또는 색맹과 같은 특정 형질을 가계도와 연관 지어 많은 정보를 얻을 수 있었지만, 인간의 유전적 연구는 다른 많은 생물 시스템에 비해 속도가 느렸다.

인류유전학을 연구하기 위해서는 새로운 방법이 필요했다. 이를 해결할 방법으로 DNA 재조합 기술이 떠올랐다. 인간의 상동염색체들은 매우 비슷하지만, 보통 전체 염기쌍의 0.2~0.5% 정도가 서로 다르다. 2종류의 DNA 서열의 차이 또는 다형성(polymorphism)이 유전적 연구에 특별한 관심을 끌었다.

1. 단일염기 다형성(single nucleotide polymorphism) : 전체 개체군에서 적어도 1% 정도가 특정 DNA 위치의 단일염기가 다른 염기로 바뀌었을 때, 이것을 단일염기 다형성 또는 SNP이라 한다. 30억 염기쌍으로 이루어진 인간 유전체는 100~300 염기마다 대략 1개 정도의 SNP가 존재한다. SNP는 암호화 부위뿐만 아니라 비암호화 부위에서도 존재한다. SNP가 단백질 암호화 부위에서 존재하더라도, SNP는 보통 세포의 기능에 영향을 끼치지 않는다. 왜냐하면 이러한 염기의 변화가 아미노산의 변화로 나타나지 않거나, 아미노산이 변하더라도 단백질의 기능에 영향을 끼치지 않기 때문이다. 현재까지 약 3백만 개의 인간 SNP들이 알려져 있으며, 여러 공공 또는 사적인 자료은행에 목록이 정리되어 있다.

2. 직렬반복 다형성(tandem repeat polymorphism) : 상동염색체의 특정 위치에 1~100 bp 정도의 DNA 염기서열이 연속적으로 반복되는데, 직렬반복 다형성은 이러한 직렬반복의 횟수가 다를 때 발생한다. 이러한 반복은 진핵생물, 세균, 고세균의 염색체에 모두 존재한다. 직렬반복 다형성에는 두 가지 유형이 있다. 첫 번째 유형인 미소부수체는 1~6 bp 길이의 반복서열이 5~100번 또는 그 이상 연속적으로 반복된다. 이러한 반복서열은 인간 그리고 다른 척추동물의 유전체에 여기저기 산재하여 있으며, 단백질-암호화 부위와 단백질-비암호화 부위에 모두 존재한다. 두 번째 유형인 소부수체는 7~100 bp 길이의 반복서열이 5~100번 불완전하게 반복된다. 인간과 척추동물의 유전체에 수백에서 수천 개의 소부수체가 존재하는데, 각자 그들의 고유한 반복 단위를 가지고 있다.

-. 제한효소 절편 길이 다형성은 인간 그리고 다른 생명체의 유전적 분석을 용이하게 한다.

SNP는 때때로 두 상동염색체 중 하나에서 제한효소 절단 부위를 만들거나 없앤다. 그 결과 제한효소는 두 상동염색체의 상응하는 부위를 다른 크기의 절편으로 자른다. 제한효소 절편 길이 다형성이라고 부르는 이 절편들은 한 세대에서 다음 세대로 전달되는 물리적인 형질로 추적이 가능하다. 인간의 헤모글로빈에서 베타글로빈 사슬을 암호화하는 유전자는 임상에 중요하게 적용되고 있다. Glu-6가 Val-6로 전환된 돌연변이는 겸상적혈구 빈혈증의 원인이 되는데, 이 돌연변이로 인해 제한효소인 Ddel의 절단 부위가 없어진다. 이러한 변화는 한 세대에서 다음 세대로 겸상적혈구 빈혈증을 유발하는 유전자가 전달되는지를 추적할 수 있게 한다.

1980년에 David Botstein(데이비드 보스타인), Ronald W.Davis(로널드 데이비스), Mark Skolnick(마크 스콜닉)은 RFLPs가 이것과 밀접하게 연관된 유전자를 확인하는 표지자로 사용될 수 있다고 제안하였다; 즉, 감수분열에 의해 상동염색체가 분리되어 난자 또는 정자세포로 들어갈 때, 유전자를 추적하기 위한 수단으로 이 유전자와 함께 나타나는 RFLP를 사용할 수 있다고 제안하였다. 이렇게 특정 유전자와 RFLP가 밀접하게 연관되어 있다면, RFLP를 조사함으로써 관심 있는 유전자를 찾을 수 있다. 하나의 SNP는 일반적으로 단지 2개의 RFLP 변형만을 생성하기 때문에, 점돌연변이의 결과로 생긴 RFLP는 대립 유전자를 추적하는 데 제한이 있다. 다행히도 직렬반복 다형성은 이러한 단점이 없다. 그러므로 2개의 제한효소 절단 부위 사이에 위치하는 미소부수체 또는 소부수체는 이들과 밀접하게 연관된 유전자를 추적하는 데 도움이 된다. 이러한 접근 방법은 베타글로빈 유전자에서 설명한 것과 비슷하다. 그러나 특정 유전자 서열에 결합하는 탐침을 사용하는 것 대신, Southern 블롯 분석(Southern blot analysis)에 사용하는 탐침은 미소부수체 또는 소부수체에 결합하는 것을 사용한다. 개개인을 동정할 수 있는 DNA 지문을 얻기 위해, 연구자들은 직렬반복 다형성도 또한 이용한다.