유전적 재조합

유전적 재조합

 

수정 이전에 일어나는 감수분열에 의해 종의 유전자는 전격적으로 뒤섞여 재배열될 수 있다. 감수분열이 새로운 유전적 재조합을 가능하게 하는 세 가지 기작을 정리해 보자.

 

첫째, 2n 에서 n 으로 염색체수를 줄임으로써 두 게놈의 통합(종의 배수체 염색체의 회복)이 가능해진다. 부모와 유전적으로 다르다면 유전자의 새로운 조합이 그 자손에서 나타날 수 있다.

 

둘째, 미래의 부모가 될 생물의 몸 안에서는 무작위적 분배과정에 의해 그 부모로부터 받은 게놈들의 모든 가능한 조합을 갖는 배우자가 생겨난다.

 

셋째, 모계와 부계의 상동염색체 사이에서 일어나는 교차는 유전적 재조합을 증대시킨다. 무작위적 분배는 순수한 모계와 부계의 염색체가 아닌 그들이 서로 짜집기로 염색체들에서 일어나는 것이다. 따라서 일생동안 남자 몸에서 만들어지는 수십억 마리의 정자중에서(그리고 여성의 생식기간 동안 성숙하는 수백 개의 난자 중에서), 어느 두 마리의 정자도 정확하게 같은 유전자를 가지지 않는다고 결론짓는 것이 타당하다고 생각한다.

 

 

교차

교차는 2개의 비자매염색분체의 상응부위 사이에서 이루어진다. 각 염색분체는 한 분자의 DNA를 포함하므로, 색분체의 교차는 실제로 인접하는 두 DNA 분자의 교환이라는 문제가 된다.

교차는 매우 정확하게 이루어지므로 결과적으로 만들어지는 염색분체는 어느 유전자도 잃지(또는 얻지) 않는다. 사실상 교차는 충분히 정확하게 이루어져서, 한 유전자내에서 교차가 일어나는 경우에 교차점에서 하나의 뉴클레오티드도 잃어서는(또는 얻어서는) 안 되는 것이다. 그렇지 않으면 구조이동(frameshift)이 일어나게 되고, 그 결과로 유전자의 산물은 결함을 갖거나 전혀 산물이 생기지 않을 수도 있다.

교차는 어떻게 해서 비자매염색분체 사이에서 한 뉴클레오티드의 손실이나 첨가 없이 이루어질 수 있는 것일까? 이를 설명하는 한 기작의 실험적 증거를 가지고 있으며, 다음의 몇 가지 단계를 기본 가정으로 한다.

1. 한 비자매염색분체의 DNA “duplex 1”,는 두 가닥이 함께 잘린다.

 

2. 효소는 각 가닥의 5' 말단에서부터 분해를 해나가고, 결국 단일 가닥의 DNA로 된 두 개의 긴 3' 꼬리를 남기게 된다. 이들은 그런 기능을 위해 특수화된 단백질들이 이 꼬리부분을 안정화시키는 것 같다.

 

3. 단일 가닥의 꼬리 중의 하나는 스스로를 비자매염색분체(“duplex 2”)의 이중나선 중에 두 가닥이 분리된 부분으로 삽입해 들어간다.

 

4. 침입해 들어간 DNA 가닥이 염기쌍을 이룰 수 있는 상보적인 뉴클레오티드 서열을 찾으면, 염기들은 서로 쌍을 이룬다.

 

5. duplex 2의 옮겨진 DNA 가닥은 duplex1의 다른 3′ 꼬리와 염기쌍을 이룬다.

 

6. duplex 2의 DNA 가닥을 주형으로 하여 합성됨으로써 5′→3′ 방향으로의 duplex 1 분해에 의해 생긴 틈을 메우게 된다.

 

7. 각 DNA 가닥이 잘리고, 한 duplex 에서 잘린 말단은 교환되어 다른 duplex의 잘린 말단에 공유결합을 한다(리가아제에 의해 연결된다). 첫번째 가닥이 두번째 가닥의 상보적 부위에 대한 “조사”를 함으로써 이들은 더욱 정확하게 짝을 이룬다.

 

새로운 DNA 분자의 일부분에서는 원래 분자의 뉴클레오티드가 다른 분자의 뉴클레오티드와 쌍을 이룬다. 그러나 전혀 문제될 것이 없다. 부드러운 이중나선을 이루어야 한다는 필요성 때문에 어떤 뉴클레오티드의 첨가나 손실없이 교환이 이루어질 수 있다. DNA 각 가닥의 전체 뉴클레오티드수와 상보성(A-T, C-G)이 보존되는한, 이러한 “heteroduplex” 부위(수백 개의 염기쌍이 포함되기도 한다)는 어떠한 유전적문제를 갖지 않는다.

한 염색분체에 손상된 돌연변이) DNA가 포함된 경우에서 복잡한 교차과정에서 유전자가 변화되는 중대한 상황이 생길 수 있다. duplex 1에서 절단이 돌연변이 부위에서 일어나면, 손상되거나 부정확한 뉴클레오티드는 분해되어 없어질 수 있다. 손상되지 않은 duplex 2를 주형으로 하며 틈을 메우는 과정에서 duplex 1의 손상은 수선 (repair)될 수 있다. 유전적 재조합 기작이 매우 복잡한 이유는 아마도 이것이 돌연변이를 수선하는 중요한 기작이 될 수도 있기 때문일 것이다.