염색체 이상

염색체 이상

 

핵형분석은 약 3% 의 임산부에서 어린이의 세포가 비정상적인 염색체를 가지고 있음을 밝혀냈다. 이러한 이상은 흔히 비정상적인 표현형과 관련이 있는 것으로 알려져 있으나, 항상 그런 것만은 아니다. 염색체 이상은 2개의 기준으로 나뉜다. 즉 (1) 염색체수의 변화와 (2) 1개 이상의 염색체의 구조적 변화가 있다.

 

 

이수체

사람에 있어서 염색체수의 이상은 대부분이 염색체 비분리(nondisjunction) 때문이다. 감수분열시 상동염색체는 정상적으로 분리된다. 가끔 드물게 한 쌍의 상동염색체가 분리되지 않는 경우가 있다. 이러한 염색체 비분리의 결과로 하나의 딸세포에 2개의 상동염색체를 갖게 되고 다른 하나는 상동염색체를 갖지 않게 된다.

만일 이런 비정상적인 세포로부터 발생한 정자나 난자가 수정된다면, 접합자에서 염색체수가 증가, 혹은 감소하게 된다. 그러한 결과로 생긴 딸세포를 이수체(aneuploid)라고 한다. 2n-1형의 이수체세포는 거의 보기가 힘든데 아마도 상동염색체 복사본 하나만으로는 생명을 유지할 수 없기 때문인 것 같다. 그러나 2n+1형의 이수체세포는 비교적 생명을 유지할 수 있다.

한때는 신생아의 0.15%가 다운증후군을 나타낸 적이 있었다. 다운증후군(Down syndrome)은 정신박약과 백혈병에 대한 높은 민감성을 포함하는 특징을 가지고 있다. 다운증후군 환자들의 핵형분석은 정상적인 46개의 염색체 대신 47개의 염색체를 가지고 있다는 것이 밝혀졌다. 첨가된 하나의 염색체는 21번 염색체로서 다운증후군의 가장 공통적인 원인은 난자 형성시 모친의 21번 염색체 2개를 모두 받는 염색체 불분리 때문이다. 이러한 다운증후군의 발생률은 연령에 따라 증가하는데 나이가 많은 여성이 젊은 여성보다 다운증후군을 갖는 아이를 낳을 가능성이 높다. 또한 13번 염색체를 3개 갖거나, 18번 염색체를 3개 갖는 경우가 때로는 보여진다. 이러한 이수체는 여러 가지 형태의 심한 기형을 동반한다.

아직까지 그 이유는 모르지만 동일한 상염색체 3개를 갖는 이수체의 경우 대부분 치사된다는 사실이다. 이러한 현상은 두 가지 이유에서 볼 수 있다. 그 하나는 아직까지 어떤 상염색체에서도 3개의 염색체를 갖는 경우가 발견된 적이 없다. 그러나 유산된 태아의 조직에 대한 핵형분석에서 염색체 이상이 약 50% 정도임을 나타내고 있다. 이러한 염색체 이상의 약 절반이 상염색체 3개를 갖는 이수체임이 밝혀졌다.

사람에 있어서 성염색체에 이상을 가지고 태어나는 비율은 적다. 예를 들면 여성의 경우는 단지 하나의 X 염색체만을 갖는 경우가 있다. 그들의 표현형은 어느 정도 비정상적으로 나타나며, 이를 터너증후군(Turner syndrome)이라 한다. 터너증후군의 이상은 다운증후군보다는 덜 심하다. 왜냐하면 정상적인 XX 여성에 있어서도 세포에 단지 하나의 기능을 갖는 X 염색체만이 있기 때문이다. 이러한 X 염색체의 불활성화는 XXX, XXXX, 그리고 심지어는 XXXXX와 같은 염색체 구성에 있어서조차도 그 증상을 나타내지 않을 수도 있으며, 이러한 염색체의 구성은 흔히 여성에서 발견되고 있다. 반면에 정상적인 여성은 불활성화된 X 염색체를 갖기 때문에 이러한 여성들은 나머지 X 염색체가 모두 불활성화된 상태로 갖게 된다. 그들 세포내의 바소체의 수는 X 염색체의 수에서 1을 뺀 수와 같다.

 

XXY와 XXXY 의 핵형을 갖는 개체는 남성으로서 발달하지만 어느 정도 비정상적인표현형을 갖는다. 이러한 증상을 클라인펠터 증후군(Klinefelter syndrome)이라 한다. 표현형적 이상이 심하지 않는 이유는 여성에서 마찬가지로 나머지 X 염색체들이 바아소체로 전환되기 때문이다.

 

 

다배체

때로는 식물에서 드물긴 해도 동물 중에서 다배체(polyploidy)라 하는 염색체의 수적 이상을 발견하게 된다. 식물에 있어서 다배체의 가장 흔한 원인은 암꽃이 감수분열에 의해 난자의 염색체의 수를 감소시키지 못하기 때문이다. 이로 인하여 생긴 이배체 난자가 정상인 정자(n)와 수정하면 자손은 3배체(triploid, 3m)가 된다. 3배체 암컷의 배우자가 다시 정상 수컷 '자와 수정하면 4배체(tetraploid, 4)인 자손이 생긴다. 이러한 염색체의 반수체 (haploid)수의 중복을 가진 세포를 다배체라 한다. 다배체는 식물에서 매우 흔하고 대체로 크기는 크며, 생장력이 매우 강하다. 이러한 이유로 식물 재배자들은 옥수수, 수박, 금잔화, 금어초 등 상업적으로 가치가 있는 종들의 다배체 변이종들을 많이 개발해 왔다. 다배체는 분열중인 세포를 콜히친(colchicine)으로 처리함으로써 유도될 수 있다. 이 약물은 세포내 미세소관의 배열을 파괴시키고, 결과적으로 중복된 염색체는 분열하지 못한다. 몇 일간 콜히친에 노출된 양파세포는 그 안에 1,000개 이상의 염색체를 가지고 있다.

 

 

염색체 구조의 이상

염색체가 절단되어 절단된 부분이 소실되거나 재배열되면 염색체 구조상에 변화가 있게 된다. 염색체의 절단은 감수분열 중에 교차되는 부위에서 일어나고, 그 결과 염색체는 감수분열을 거치는 동안 구조가 손상될 가능성이 매우 높다.

절단된 후 염색체 일부가 소실되어 결실(deletion)을 일으킬 수도 있다. 결실된 부분을 가진 염색체가 상동염색체쌍을 이루게 되면 인접부위에 있는 해당부분의 유전자만 표현형으로 나타나게 된다. 결과적으로 정상염색체에서는 고리(loop)를 이룬다. 이러한 개체는 표현형에 있어 결실된 유전자에 해당하는 만큼의 변화를 일으키므로 염색체가 결실된 것을 알 수 있다. 예를 들면 정상염색체에 있는 열성 대립인자는 자신의 상동염색체상의 우성 대립인자가 결실로 떨어져 나간다면 발현될 수 있다. 사람에서의 여러 종류의 암이 염색체 결실과 관계있거나 이것에 의해 야기되는 것으로 밝혀졌다. 염색체가 절단되어 역위나 전좌가 생길 수도 있다. 역위(inversion)에서는 염색체의 일부가 뒤바뀐다(ABCDE→ADCBE). 역위에서는 모든 유전자가 그대로 존재함으로 표현형에 큰 영향을 일으키는 경우는 드물다. 그러나 역위된 염색체가 인접되거나 감수분열 동안 정상인 상동염색체와 교차를 일으키면 문제가 발생한다. 결함이 있는 염색체(결실 또는 중복)를 가진 생식세포가 생겨나서 불임을 유발하거나 자손에 심한 장애를 일으킬 수 있다. 때때로 한 염색체의 일부가 다른 염색체에 달라붙게 되는데 이것을 전좌(translocation)라 한다. 전좌를 가진 개체는 감수분열에 의해 생긴 배우자의 반이나 그 이상이 결손이나 중복을 가지고 있어서 정상적인 자손을 낳지 못한다. 다운증후군의 일부는 21번 염색체의 일부가 다른 성염색체에 부착되어 생긴다. 비록 이런 개체의 핵형이 21번 염색체를 2개만 가지나 21번 염색체상의 유전자 중 3분의 1은 3배로 존재할 때 다운증후군을 일으키는 유전자군이 있다.

전좌는 정자나 난자가 아닌 체세포에서도 일어난다. 비록 이런 전좌가 다음 세대에 유전적인 결함을 일으키지는 않으나 자신에게는 큰 손상이 되기도 한다. 인간의 암 중에서 꽤 상당수가 특정 전좌와 연관되어 있고, 비록 대부분은 아니라 해도 많은 수의 암이 전좌에 의해 야기된다.

염색체 중복(duplication)은 염색체 일부가 그 염색체의 길이에 첨가되어 여러 번 반복되는 현상이다. 중복은 전좌나 역위가 있은 후에 2차적인 결과로서 일어나는 것을 비롯하여 많은 다른 기전에 의해 유발된다. 이러한 경우에는 감수분열 I 동안에 교차가 2개의 상동염색체상에서 똑같은 부위에서 일어나지는 않는다. 결과적으로 한 염색체는 중복된 부분이 생기고 다른 염색체는 결실된 부분이 생기게 된다. 이러한 현상을 불균등 교차(unequal crossing over)라 한다. 이러한 현상은 아마도 실제 상보적 서열의 비슷한 염기가 신장되는 도중에 잘못되어진 결과로 해석된다. 염색체는 그 내부에 아주 극소수의 변화나 혹은 변화가 없는 많은 부분이 반복되어 있는 많은 서열을 가진다. 재조합 DNA에서 전이(invading)된 가닥(strand)이 가끔 동형접합이나 교차의 과정에서 오류를 범하는 경우가 있다. 분절을 소실한 염색체는 손상이 너무 커서 기능을 나타내지 못한다. 그러나 분절을 얻은 염색체는 요구량보다 더 많은 복사본의 유전자를 가지고 있다. 진핵세포의 진화과정 중 유전자 수의 증가가 이런 기전에 의해 일어났다는 증거들이 많이 있다.