멘델의 유전학과 경주용 비들기의 개량

멘델 유전학 멘델은 모라비아 브룬에 있는 아우구스티누스회 성직자의 일원으로, 수도원 정원을 거닐면서 중요한 유전 법칙을 우연히 발견하게 된, 수도복을 입은 친절한 노인으로 종종 표현된다.   <멘델과 완두콩을 지배했던 정원> 1. 멘델의 교배 멘델은 서로 다른 완두 품종을 교배하고 그 결과를 관찰하여 통계학적으로 분석하였다. 완두는 쉽게 구할 수 있고 재배하기가 쉬워서, 멘델은 34종류의 순종을 구할 수 있다. 그는 일곱 개의 형질을 취하여 연구를 시작하였는데, 그 각각은 두 가지씩의 변이를 가지고 있었다. <멘델의 연구에 사용한 완두의 7가지 대립형질> 1. 종자 모양 : 둥글거나 주름진 것 2. 종자 색 : 황색이거나 녹색 3. 종피 색 : 백색이거나 회색 4. 미성숙 깍지 색 : 녹색이거나 황색 5. 깍지 모양 : 부풀거나 압축된 모양 6. 꽃 위치 : 축 둘레 혹은 정단 7. 줄기 길이 : 짧거나(23∼46㎝) 긴 것(183∼213㎝) 하나의 깍지 속에 들어 있는 완두 각각은 자신의 유전자형과 표현형을 갖는 새로운 개체이다. 한 개체의 유전자형(genotype)은 유전자의 조합이고, 표현형(phenotype)은 관찰될 수 있는 형질의 조합이다. 따라서 단순히 완두를 조사함으로써 자손의 표현형을 쉽게 알 수 있다. 대부분의 완두는 그대로 놔 두면 자가수정을 한다. 두 식물 또는 두 변종을 인공적으로 교배시키기 위해서는 우선 완두의 꽃을 열고 화분을 생산하는 꽃밥을 제거하고, 다음에 붓으로 외래 화분을 암술머리에 발라 주는 것이 필요했다.   <꽃의 구조> 멘델의 연구 방법은 하나의 특징만이 서로 다른 두 종류의 순종 완두를 교배하는 것이었다. 원래의 어버이를 P라고 부르며 첫 세대의 자손을 F1이라고 한다. F1 식물간의 인공적 교배나 자가수정을 통하여 생긴 자손을 F2라고 부른다. 2. 우성의 원리 멘델이 P1을 교배하였을 때, 당시의 융합설과는 달리 어떤 변이도 혼합되어 나타나지 않았다. 황색 종자의 식물과 녹색 종자의 식물을 교배시켰을 때 F1은 중간색이 아니라 모두 황색 종자였다. 멘델은 F1 세대에서 나타나는 형질을 우성(dominant) 형질이라고 불렀고, 나타나지 않는 형질을 열성(recessive) 형질이라고 불렀다. 멘델은 그 다음에 F1 식물을 자가수정시켰다. 그리하였더니 F1의 자손(F2 세대) 중 1/4은 녹색이고 3/4은 황색이었다. 열성형질이 다시 나타났던 것이다. 계속적인 실험을 발견한 중요한 사실로, 두 종류의 황색 완두가 있다는 것을 알아내었다.. 즉, 원래의 어버이와 같은 순종 완두는 오직 황색 종자만 맺고, 다른 종류의 완두는 자가수정을 시켰을 때 황색과 녹색 종자가 같이 들어 있는 완두 깍지를 맺는다는 것이다. 하지만 녹색 완두를 재배하여 자가수정시키면 항상 녹색 완두를 맺었다. 멘델은 한 개체에 있어서 어떤 형질을 결정하는 유전인자는 두 개이며, 각각은 어버이에게서 오고, 그 둘은 서로 대립이 되는 변이체로 존재한다고 생각했다. 멘델이 인자라고 불렀던 것은 후에 유전자(gene)라고 불리게 되었고, 변이체는 대립유전자(allele)로 불려지게 되었다. 따라서 한 개체에서 각 유전자는 두 개의 대립유전자로 나타난다. 만약 두 대립유전자가 서로 같으면 그 개체를 그 유전자에 대하여 동형접합성(homozygous)이라고 하며, 서로 다르면 이형접합성(heterozygous)이라고 한다. 멘델은 F2 세대에는 동형접합성 황색 완두와 이형접합성 황색 완두가 있으며, 그들이 성숙하여 종자를 얻기 전에는 둘 사이의 차이를 식별할 수 없다는 것을 알았다. 그는 F3 세대가 필요하다는 것을 알고 후대검정(progeny testing)이라는 과정을 행하였다. 그러나 이형접합성인 것은 두 종류의 완두를 맺는다. 그는 F2 세대의 황색 완두를 심어 그들이 맺는 깍지를 까서 어떤 식물이 순종인가를 결정하였다. 그는 F2 세대는 1/3은 순종(동형접합성)이고 다른 2/3은 그렇지 않은 이형접합성이라는 것을 발견하였다. 후대 검정 결과 모든 경우에서 F2의 1/4은 우성형이고 순종이었으며, 1/2은 우성형이나 잡종을 나타냈고, 1/4는 열성형이고 순종을 나타냈다. 멘델은 이를 분석하는 데 수학 부호를 사용하면 도움이 될 것이라 생각했다. 그는 A를 우성형을 결정하는 대립유전자로, a를 열성형을 결정하는 대립유전자로 표시하였다. 잡종인 F1과 모든 비순종 식물은 두 대립유전자를 모두 가져야 하므로 Aa로 나타내었다.   <대립유전자의 추적> 멘델은 잡종 Aa 경우에 A가 어버이 중 어느 한쪽에서, 그리고 a는 나머지 한쪽 어버이에서 온다고 생각했다. 대문자는 우성을 나타내고, 소문자는 열성을 나타내는데, 이것은 Aa 개체는 A를 갖는 어버이와 외형이 똑같다는 것을 의미한다. 순종 우성형은 부모 각각으로부터 두 개의 A 대립유전자를 하나씩 받았으므로 AA로 나타낼 수 있다. 똑같은 방식으로 순종 열성형은 a 대립유전자를 어버이 각각으로부터 받았고 aa로 나타낸다.     멘델의 유전 법칙 1. 멘델의 제1법칙 ( 대립유전자의 분리 ) 분리의 법칙(law of segregation)에서 멘델의 가장 근본적인 원리는 각 유전 형질이 한 쌍의 대립유전자에 의하여 만들어지고 그 대립유전자는 화분과 밑씨(혹은 정자와 난자)가 감수분열을 통하여 형성될 때 분리된다는 것이다. 멘델은 이형접합자가 생식할 때 그 배우자는 두 형태이며 같은 비율일 것임을 최초로 깨달은 사람이다. 그는 이형접합성 식물이 자가수정할 때 A의 밑씨와 a의 밑씨를 절반씩 만들 것이라 생각했다. 또한 A의 화분과 a의 화분을 절반씩 만들 것이라 생각했다. 수정된 전체 밑씨 중 aa가 나타날 확률은 1/2 × 1/2 = 1/4이다. 같은 논리가 AA인 F2 자손에도 적용된다. 그러나 멘델의 F2 자손 중 절반이 Aa이었다. 그 이유는 다음과 같이 설명될 수 있다. Aa 접합자는 Aa×Aa의 교배에서 두 가지 방법으로 만들어 질 수 있다. 즉, a 화분이 A 밑씨와 수정하거나 A 화분이 a 밑씨와 수정할 수 있다. 첫 번째 조합이 일어날 확률은 1/2 × 1/2 = 1/4이다. 마찬가지로 두 번째 조합이 일어날 확률도 1/4이다. 이 교배에서 Aa 접합자가 만들어질 수 있는 다른 방법은 없으며 그 두 사건은 독립적이다. 따라서 이 교배에서 접합자가 Aa 이형접합자일 가능성은 1/4 + 1/4 = 1/2이다. 20세기 초에 퍼네트(Reginald Crandall Punett)라는 멘델의 추종자가 이러한 관계를 도표로 나타내었다.   <퍼네트의 사각도표> 위 그림은 두 개의 황색 F1 개체 간의 교배를 퍼네트의 사각 도표로 나타낸 것이다. 이 도표는 모든 것을 A와 a로 나타내는 대신에 주어진 특성을 외자로 나타내면 더 편리하다는 것을 보여 준다. 대문자는 우성을 나타내는데, Y는 황색(yellow)을 나타낸다. 소문자는 열성을 나타내며, 이 경우 y는 녹색(green)을 나타낸다. 각각의 작은 사각형은 각 사건이 동시에 일어난다는 것을 의미한다. 그림에 나타난 바와 같이 하나의 어버이에게서 온 배우자는 왼쪽에, 다른 어버이에게서 온 배우자는 위에 쓰여져 있다. 사각형 안에 쓰여진 기호는 가능한 접합자를 나타낸다. Yy인 사각형은 두 개인데, F2 자손 중에서 Yy 개체를 모두 계산하기 위해서는 이것을 합해야 한다. 2. 멘델의 제2법칙 ( 독립적 분리 ) 독립의 법칙(law of independent assortment)은 한 형질에 영향을 주는 한 쌍의 대립유전자는 다른 형질에 영향을 주는 대립유전자와 독립적으로 동시에 유전될 수 있다는 법칙이다. 멘델은 황색의 둥근 종자를 맺는 순종과 녹색의 주름진 종자를 교배시키기로 결정하였다. F1은 모두 둥글고 황색이었다. P1 : YYRR × yyrr F1 : 모두 YyRr 여기에서 R와 r은 둥글고 주름진 유전자의 두 대립유전자를 표시하며, Y와 y는 황색과 녹색 유전자의 대립유전자를 나타낸다. 앞에서 우리는 대립유전자를 특정한 형태의 유전자로 정의하였다. 각 유전자는 특정한 좌위(locus)에 존재한다. 좌위라는 개념은 각 유전자가 염색체 상의 특정한 장소를 차지하고 있다는 것을 알게 됨으로써 생겨난 것이다. 이제 멘델이 양성잡종(dihybrid), 즉 두 가지 특성이 서로 다른 식물을 교배시켰을 때 F2 세대에서 어떤 일이 일어났는지 알아보자.   <대립유전자의 독립적인 분리> F1×F1(RrYy×RrYy)의 자손인 F2에서 멘델은 556개의 완두를 수확하여 이를 네 종류로 분류하였다.(R_와 Y_는 개체는 우성이지만 두 번째 대립유전자는 모른다는 것을 의미한다.) 315(둥글고 황색) R_Y_ 101(주름지고 황색) rrY_ 108(둥글고 녹색) R_yy 32(주름지고 녹색) rryy 133개는 모두 주름지고 140개는 모두 녹색이다. 이들 숫자는 556의 1/4인 139에 근접한다. 이 결과는 멘델의 제1법칙을 따르며, 두 특성을 결정하는 대립유전자는 서로 독립적으로 유전된다는 것을 보여 준다. 멘델은 예상했던 수와 관찰된 수가 서로 일치하는 것을 확인하고 이들 완두 중에서 순종과 잡종을 가리기로 마음먹었다. 그는 RR가 1/4, Rr가 1/2, rr가 1/4, YY가 1/4, Yy가 1/2, yy가 1/4일 것으로 예상하였다. 이 결과도 예상치와 일치하였다. 그러나 멘델은 독립의 법칙이 같은 염색체 상에 존재하지 않는 유전자에만 적용된다는 사실은 알지 못했다. 만약 R와 Y가 같은 염색체 상에 존재하면 그들은 서로 연관(linkage)되어 있다고 말하며, 멘델의 독립의 법칙은 이러한 좌위에는 적용되지 않는다. 우연하게도 멘델이 교배실험에 사용한 유전자는 어느 것도 서로 연관되지 않았다.   멘델의 검정 교배 멘델은 F2 세대의 개체를 자가수정시켜, F3 세대의 표현형을 관찰함으로서, 우성 표현형을 나타내는 F2의 유전자형을 결정할 수 있었다. 또한 우성개체의 유전자형을 확실히 알 수 있는 더욱 단순한 실험 방법을 개발하였는데, 그것이 검정교배(test cross)이다. 이것은 우성 표현형이지만 유전자형은 모르는 개체를 동형접합성 순종인 열성 개체와 교배시키는 것이다. 예를 들어 어떤 종자의 표현형이 둥글면 그 유전자형은 RR나 Rr일 것이며 이 종자를 주름진 동형접합성 열성개체(rr)와 교배시키면 유전자형을 알 수 있다. 만약 유전자형이 RR이면 그 교배는 RR×rr이며, 그 자손은 모두 Rr이므로 모두 둥글다. 만약 유전자형이 Rr이면 그 교배는 Rr×rr로 표시되며, 자손의 표현형 중 1/2은 둥글고, 1/2는 주름진 것이다. 이 검정교배의 원리는 아래 그림으로 알 수 있다. 멘델의 업적은 1900년까지 무시되었다. 그 해 서로 다른 나라의 세 명의 생물학자들이 유전법칙을 해결하려고 옛 문헌을 조사하다가 멘델의 논문을 접하게 되었다. 그들은 즉시 그 중요성을 인식하였다.     멘델의 검정 교배 멘델의 원리는 매우 기본적인 것이어서 어떤 식물이나 동물에도 적용될 수 있다. 그의 분석 방법은 자손을 많이 낳는 종에 특히 잘 적용된다. 그러나 두세 명의자녀를 낳는 사람의 경우에서는 한 번의 교배로 믿을 수 있는 결론에 도달한다는 것은 불가능하다. 이러한 문제를 가계분석(pedigree analysis)을 통해 해결할 수 있다. 가계도는 어떤 유전형질의 전달 과정을 여러 세대에 걸쳐서 조사하고 도표로 나타낸 것이다. 가계 도에서 사각형이나 원을 검게 표시하는 것은 문제의 형질이 나타나는 것을 의미한다. 다음 그림의 가계도는 가상적인 유전병이다.   가계를 분석하기 위한 첫 번째 단계는 그 형질이 우성인지 열성인지를 결정하는 것이다. 한 개체가 열성형질을 발현하기 위해서는 동형접합자이어야 하나, 우성형질을 발현하기 위해서는 이형접합자여도 된다. 더욱 중요한 것은 어버이 중 어느 한족이라도 우성형질을 발현해야 자식도 우성형질을 발현할 수 있다는 것이다. 이 예로 유전병은 병에 걸린 어린이의 부모가 그 형질을 가지고 있지 않은 것으로 봐서 우성 대립유전자에 의하여 생기는 것이라 할 수 없다. 그것은 열성이어야 한다. 만약 이 형질이 이 가족에서 왜 그렇게 보편적인가 의아스러우면, 병에 걸린 어린이들의 양친이 서로 친척간이어서 둘이 공통 조상에서 대립유전자를 받았다고 생각해 보자(이중선은 근친혼을 의미한다.) 이 가계에서 유전병 대립유전자는 제1세대의두 개체 중 하나에서 나타나서, 이형접합성 상태로 숨겨진 채 다음 세대로 전달된다. 두 이형접합자간의 근친혼 결과 1/4의 비율로 동형접합성 아이가 생겨나게 되었음에 틀림없다. 실제로 희귀한 유전병은 대부분 근친혼의 산물이며 이러한 이유로 법으로 근친혼을 금지하는 것이다.   멘델 이후의 유전학 멘델이 그의 실험을 성공적으로 이끌 수 있었던 것은 표현형이 분명하게 구별되는 극적인 효과를 보이는 유전인자만을 연구 대상으로 삼았기 때문이다. 그러나 가시적으로 나타나는 유전적 변이는 발달과 유전자 발현의 복잡성 때문에 표현형 수준에서는 그렇게 간단하지 않다. 멘델은 우연히 이것들을 피해 갔다. 그러면 멘델의 실험 결과와는 달리 표현형 비율이 완벽하게 3:1이나 9:3:3:1로 나타나지 않는 복잡한 상황을 고려해 보자. 그들 복잡성을 분류해 보면 다음과 같다. ① 멘델이 완두의 대립유전자에서 관찰한 단순하고 완전한 우성과는 달리 여러 다른 형태로 우성이 나타나는 우성관계(dominance relationship) ② 하나의 개체에서는 유전자 하나에 대하여 두 개의 대립유전자만을 지닐 수 있을지라도 두 개 이상의 대립유전자가 교배에 관련될지도 모르는 복대립유전자(multiple allele) ③ 하나의 유전자 발현이 다른 별개의 유전자 발현에 의해 영향을 받는 유전자 상호작용(gene interaction) ④ 환경 요인이나 개체의 연령과 같은 비유전적 인자에 의해 유전자의 발현이 조절되는 조건 유전자발현(conditional gene ｅxpression) ⑤ 어떤 형질의 발현이 하나 이상의 유전자 활동에 의해 지배받는 다인자 유전자(polygenic inheritance) ⑥ 별개의 유전자들이 같은 염색체에 서로 연결되어 위치하는 연관(linkage) 이러한 상황 모두가 멘델의 법칙에 의해 생기는 이상적인 비율에 심각한 영향을 미칠 것이라고 추측할 수 있다. 그러나 이것이 법칙 자체에 영향을 주지는 않는다. 본질적으로 핵 내에 존재하는 모든 유전자는 분리와 독립의 법칙에 따른다.