DNA Mutation - 돌연변이의 종류

 

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돌연변이(Mutation): 세포의 DNA를 구성하는 nucleotide가 바뀌는 현상

DNA에서의 돌연변이는 결국 암호화되는 단백질 구조에 기능에 영향을 미치거나, 세포내의 다양한 역할을 하는 RNA의 구조, 기능에 영향을 미쳐 기능의 변화가 유발시킨다. 따라서 생체는 돌연변이를 방지하고 복구하는 기작도 갖추게 되었다.

 

돌연변이는 크게 체세포 돌연변이(Somatic mutation), 생식세포 돌연변이(Germline mutation)로 구분된다.

체세포 돌연변이는 암유전자 형성 등의 예가 있으며, 해당 세포에만 영향을 주기 때문에 자손에게는 유전되지 않지만, 난자 및 정자에 해당하는 생식세포 돌연변이는 자손에게 유전되므로 종의 유전적 풀(pool)에 영향을 미칠 수 있다.

 

 

 

 

 

유전적 변이는 크게 점 돌연변이와 염색체 수준의 돌연변이로 구분된다.

 

* Point Mutation (점돌연변이)

DNA의 단일 nucleotide의 돌연변이로 치환(Substitution), 삽입 결실(Insertion, Deletion - 줄여서 InDel) 등이 있다.

3개의 염기서열로 아미노산이 인식되는 3염기조(Triplet codon)을 고려할 때, 염기의 치환보다는 삽입 및 결실(InDel)에 의한 격자이동(Frame shift) 돌연변이가 더 치명적인 경우가 많다. InDel이 일어나면 그 이후 나머지 모든 coding sequence의 reading frame이 바뀌게 되버려, 돌연변이 서열 뒤로 만들어지는 단백질 서열이 모두 바뀌게 되어버린다.

 

 

1) 치환 돌연변이 (Substitution mutation)

  (Image 출처: http://evolution.berkeley.edu/evolibrary/article/0_0_0/mutations_03)

 

단일염기의 치환으로 하나의 nucleotide가 다른 nucleotide로 바뀐다.

퓨린(Purine: A, G)계열 안에서의 변이, 혹은 피리미딘(Pyrimidine: T, C)계열 안에서의 변이는 transition, 서로다른 계열간의 변이(치환)은 transversion이라고 한다.

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 - Slience mumutation

염기의 3염기조 (triplet codon)가 돌연변이 전후로 똑같은 아미노산을 암호화하는 경우, 차후 발현되는 단백질의 서열변화에 영향을 끼치지 않는다. 따라서 다른 돌연변이보다 자주 일어나며, 진화의 속도가 신속한 특징을 갖고 있다. 특히 Wobble base의 치환인 경우 많은 경우 동일한 tRNA에 의해 인식되어 침묵돌연변이의 발생빈도가 높다. 하지만 그렇지 않은경우 Codon bias에 의해 약간의 발현(expression)에 있어서 영향을 줄 수 있다.

 

 - Missense mutation
돌연변이 이후 다른 아미노산으로 암호화 되는 경우를 말하며, 차후 발현되는 단백질의 서열 변화에 영향을 끼치기 때문에 문제를 야기할 수 있다.

 

Missense mutation중에 대표적으로, β-헤모글로빈 6번째 코돈이 GAG → GTG로 transversion 치환에 의한 겸상적혈구 빈혈증(sickle cell anemia)가 있다. 산성인 글루탐산(GAG: Glu)이 비극성 아미노산인 발린(GTG: Val)으로 치환되어 산소운반이 약화되어 빈혈을 유발하고, 낫모양의 적혈구의 엉킴이 발생하여 혈관폐색으로 인한 통증 및 조직손상이 유발될 수 있다.

하지만 태아의 경우 산소친화도가 높은 HbF(2ααββ)를 발현하기 때문에, β-글로빈이 발현되지 않아 겸상적혈구 빈혈증이 유발되지 않는다. 또한 겸상적혈구는 말라리아 원충의 감염에 내성이 높아 아프리카 지역에서 이 변이의 빈도가 높게 나타난다.

 

 - Nonsense mutation

Nucleotide 변이로 나타나는 아미노산이 stop codon인 경우에 해당된다. 실제 발현하는 단백질 서열보다 짧은 서열을 만들 기 때문에 치명적인 돌연변이다.

2) 삽입 및 결실 돌연변이 (InDel mutation)

InDel에 의해 격자이동(Frame shift)이 유발되어, 변이 직후에 번역되는 모든 아미노산이 달라지기 때문에 매우 치명적이다. 하지만 3배수의 염기가 삽입되거나 결실되는 경우에 격자이동이 발생하지 않아, 상대적으로 덜 치명적인 InDel 돌연변이가 일어날 수 있다.

 

 

 

 

 

* 염색체 수준의 돌연변이

염색체에 포함된 많은 유전자들이 결실, 중복, 역위, 전자 등이 발생되는 현상. 다수의 유전자들에 영향을 주기 때문에 점 돌연변이보다 치명도가 높다.

 

 - 결실 (Deletion)

염색체의 일부(하나 이상의 유전자 포함)가 제거가 되어 염색체 수준의 길이가 짧아지는 현상이다. 하나 이상의 유전자가 결실로 인해 소실되어 형질의 변화가 발생한다.

 

 

 

 (image 출처: https://en.wikipedia.org/wiki/Gene_duplication)

 

 - 중복(Duplication)

감수분열과정에서 상동염색체 사이에서 염색체의 일부가 비분리 되면서 결실과 중복이 발생할 수 있다. (Copy number variation 등)

 

 - 역위(Inversion)

염색체의 특정 부분이 뒤집히는 현상으로, 프로모터와 조절부위 전체가 역위된 경우에는 정상적으로 단백질이 생성될 수도 있지만, 구조유전자만 역위가 발생하면 Antisense RNA가 발생할 수 있다.

 

 - 전좌(Translocation)

염색체의 분리 오류로, 상동염색체 간에서 교차가 이뤄져야 하지만 다른 염색체간의 교차로 인해 발생하는 변이.

대표적으로, 다운증후군은 난모세포의 감수분열 과정에서 분리 오류를 가지는 난자와 정상정자가 수정하여 3배수의 21번 염색체를 가지는 경우이다. 정신박약, 안면기형, 불임 등의 치명적인 증상을 포함한 개체로 태어난다.