CHROMOSOMES 생물학개론 12주차 강의 염색체 CHROMOSOMES 생물학개론 12주차 강의 It is difficult to come up with a single definition of life.

염색체 염색체의 구조, 인공염색체 염색체와 유전자간의 연관성 교차빈도와 연관지도 염색체와 성 결정 성 결정 메커니즘의 다양성, 사람의 성 결정 성 연관 유전, X-염색체 불활성화 염색체 이상 염색체 숫자의 이상: 배수체, 이수체 염색체 구조의 이상: 결실, 중복, 역위, 전좌

염색체란? 현미경으로 보이는 염색되는 물질 끊이지 않고 길게 연결된 DNA, RNA, 단백질 복합체 각 종은 특정 수의 염색체를 가진다 염색체 수가 많다고 복잡한 것 아니고, 염색체 수가 비슷 하다고 종간의 근접성을 보이는 것은 아님 모기: 6개 메뚜기, 벼, 소나무 : 24개 개 : 78개 잉어 : 104개 사람 : 46개

염색체의 구조 이질 염색질 (Heterochromatin): 반복서열이 많고 단단히 감긴 DNA. 염색이 진하게 (dark) 진정 염색질 (Euchromatin): 단일서열이 더 많고 더 느슨하게 감겨 있음. 염색이 밝게 (light). 진정 염색질은 단백질을 암호화하는 유전자가 많고 느슨한 꼬임 덕분에 정보를 이용하기 쉽다. 동원체와 말단소립(telomere)는 이질염색체의 일종

동원체 (Centromere) 반복적인 DNA 서열로 구성 자매염색분체가 결합되어 있는 부위 염색체에 있는 방추사 부착부위 그러나 동원체 자체에 방추사가 붙는 것이 아니라 동원체 + 단백질이 결합된 키네토코어 (Kinetochore)에 붙는 것임

염색체 구성 DNA를 복제하고 분열하기 위해 필요한 염색체의 최소 구성단위 : 텔로미어 (telomere, 말단소립) DNA의 복제가 시작되는 복제시점 동원체 이를 알아내기 위해 과학자들은 어떻게 연구를 했나?

염색체 구성 원리의 연구 염색체는 어떻게 구성되는가? 기존 염색체에서 부위별로 줄여가며 연구 DNA 조각에 새로운 부위를 더해가며 연구 텔로미어의 연구: 기존 염색체에서 텔로미어 제거  염색체 말단이 이어지는 현상 염색체 중간에 telomere 서열 삽입  그곳에서 텔로미어 형성

인공염색체 인공염색체 : 세포내에서 독립된 염색체로서 기능을 하고 염색체의 기본적 구조를 가진 재조합 DNA분자 텔로미어, 동원체, 복제시점을 가지고 인공 염색체 만듬 세포분열시 성공적으로 분열

1800년대 후반의 논란 유전정보를 관장하는 것은 핵인가 세포질인가? 세포질파: Morgan, Pflugger, Bischoff 난할을 하기 전 빗살 해파리의 세포질을 제거하였을 때 비정상적인 발생이 일어난다. 핵파: Wilson, Boveri, Hertwig Boveri의 polyspermic 성게알의 실험 Morgan은 심지어 핵을 제거한 난자에 다른 종의 정자를 수정시키면 난자 제공 종을 닮은 개체가 나올 것이라고 주장

Boveri (1862-1915) 1902년 Boveri and Sutton: 염색체가 형질을 유전시킨다 보베리 : 성게의 알로 연구 정자의 핵과 난자의 핵안의 유전물질이 뒤섞이지 않는다  각각의 염색체가 새로운 자손의 염색체를 형성하는데 똑같은 양으로 기여한다고 주장 이외에도 생식세포 형성시 염색체의 수가 감소한다는 것과 염색체와 발생의 관계 규명

핵 vs. 세포질? Nettie Stevens : Morgan의 학생 암컷 초파리는 XX, 수컷 초파리는 XO나 XY 성은 염색체에 의해 결정된다 Morgan의 반대: 염색체는 성이 결정하는 것이다. 후에 자신의 실험에서 성별에 연관된 유전 형질을 발견한 후 받아들임

염색체와 유전 초파리의 형질의 수 vs. 염색체의 수(4쌍) 형질의 수가 염색체의 수를 훨씬 초과. 그렇다면? 멘델의 행운 : 하나의 염색체 안에 여러가지 형질을 결정하는 여러가지 유전자가 들어있을 것이다 (연관) 같은 염색체에 들어있는 형질들은 독립적으로 분리되지 않고 함께 유전된다 멘델의 행운 : 멘델이 연구했던 7가지 형질은 각각 다른 염색체에 들어있던 형질임. 만일 그 중에 연관된 형질이 있었다면 아마 실험을 제대로 하지 못했을 듯

연관 linkage 연관 : 2개 이상의 비대립 유전자가 동일 염색체상에 존재하여 동일하게 행동하는 것 베이트슨과 퍼넷의 실험 : 두가지 형질을 가진 양성잡종의 교배시 예측한 결과 (9:3:3:1)와는 다른 비율로 나왔다 (3:1)  마치 단성 잡종처럼

모건의 형질 연관 연관된 형질들을 연구한 결과 형질들이 총 네가지의 그룹으로 연결되어짐을 발견 같은 그룹의 형질들은 양성잡종 교배에서 독립의 법칙을 따르지 않고 함께 유전 함께 유전된다  같은 염색체상에 연관되어 있다 실제로도 초파리의 염색체는 4 쌍

연관 지도 연관지도 : 염색체에서 유전자의 순서와 간격을 나타낸 그림 유전자 교차 빈도와 유전자 사이 거리의 상관관계 이용 교차 빈도가 높으면 거리가 멀다

연관지도 만드는 방법 초기의 인간 유전자 연관 지도 작성은 염색체와 특정 유전자를 연결하는 것부터 특정한 형질과 특정한 염색체 이상을 가진 사람들을 연구 가능한 많은 가계에서 같은 형질을 관찰한다면 유전자의 연관성을 확립할 수 있다. 인간은 초파리처럼 많은 자손을 낳지 않기 때문에 특정 유전병을 갖는 집안의 가계도를 조사해서 작성

염색체와 성 결정 대부분의 경우, 상염색체 외의 성을 결정하는 성염색체를 갖는다. 이형성 : 두 개의 다른 성 염색체를 갖는 것 (예: XY) 동형성 : 두개의 같은 성 염색체를 갖는 것 (예: XX) 포유류의 경우, 수컷은 전부 이형성 그러나 새, 나방, 나비의 경우, 암컷이 이형성

성 결정 메커니즘의 예 상염색체와 X 염색체의 비율 환경에 의한 결정 초파리와 메뚜기 등 곤충의 예: 메뚜기 : XX 암컷 /XO 수컷 초파리 : XX 암컷/XXY 암컷/XY 수컷/XO 생식능력 없는 수컷 환경에 의한 결정 거북이 : 부화될 때의 온도에 의해 결정 슬리퍼 꽃양산조개 : 크기와 위치에 따라 성 변화 일부 어류의 경우, 집단 내의 수컷은 오직 하나. 그 수컷이 죽으면 다른 암컷이 수컷으로 변한다.

성 결정 메커니즘의 예 전체적인 염색체 수로 결정: 개미와 벌 등, 단위생식을 할 수 있는 생명체의 경우, 수정란은 암컷으로, 비수정란은 그대로 수컷으로 자란다. 특정 염색체를 가졌느냐 안 가졌느냐? 포유류의 경우: Y염색체를 가지면 무조건 남성. (정상적인 Y 염색체인 경우에 한해서…)

Y 염색체 두 개의 그룹으로 나뉨 X 염색체 유전자의 서열과 유사한 부분과 Y 염색체 고유의 유전자 부분 유사한 부분이 있기 때문에 간혹 교차가 일어나기도 함. 교차로 인한 질병도 있음…

성 결정 유전자 (SRY) 발견하게 된 동기: 비정상적인 XXY(남성), XY(여성)을 통해 Y 가 남성을 결정 확인 XX 남성: X 안에 Y의 조각이 들어있음을 확인 XY 여성: Y 안에 특정 부위가 손실 Sex determining Region of the Y (SRY) Y 염색체에 포함된 성 결정 유전자로, SRY가 있으면 남성으로 발생하고, SRY가 없으면 여성으로 발생한다.

SRY SRY가 발현되면 (SRY 유전자가 암호화하는 단백질이 만들어지면) 남성의 정소 형성에 관련된 여러 유전자들이 활성화  미발육 정소에서 남성 호르몬 (테스토스테론) 분비  다른 유전자 활성 유방조직이 수축하고 남성기관 발달 미발육 여성 기관을 없애는 단백질을 가진 유전자를 활성화하여 남성으로 발생

염색체형과 성별 인간의 경우 Y 염색체를 가지면 남성으로 발생 XXY, XY, XYY 남성 / XX, XO 여성 하지만 SRY 유전자의 발현으로 인해 분비된 남성 호르몬에 대한 수용체가 없으면 SRY가 있어도 여성으로 발생. 이때 미발육 정소는 남아있게 됨

성염색체에 존재하는 유전자들의 유전 성별에 따라 유전자 발현이 다를 수 있다. 남성의 X 에 있는 유전자는 대립인자가 없기 때문에 X가 그대로 발현. 여성의 경우는 대립이 있어서 영향을 받을 수 있다. 즉 우성, 열성에 따라 발현여부가 결정. 남성의 X 에 있는 유전자는 hemizygous (반접합자)이고, 남성은 X연관 유전자 질병의 보인자가 될 수 없다. (예: 혈우병, 색맹)

X 염색체 불활성화 남성은 X 하나이고 여성은 X 둘. Y염색체에서 발현되는 유전자의 수는 극히 적고 X염색체에는 많은 유전자가 있기 때문에 발생하면서 둘 중 하나의 X염색체를 불활성화 시킴 둘 중 어느 것(부계, 모계)이 불활성화 될지는 알 수 없음  랜덤하게 일어남 딸세포에서는 동일한 불활성화 패턴

X 염색체 불활성화 불활성화를 시키는 방법은 둘 중 하나를 응축된 상태로 보존시키는 것임(바소체) 여성 XX의 경우 : 둘 중 하나가 불활성화 여성 XO의 경우 : 불활성화 없음 남성 XY의 경우 : 불활성화 없음 남성 XXY의 경우 : 하나가 불활성화

X 염색체 불활성화 X 염색체 불활성화는 랜덤하게 일어나기 때문에 삼색 고양이의 클론을 할 경우, 클론으로 태어난 고양이는 본체와 무늬 패턴이 다름 칼리코 고양이의 주황색 무늬는 검은색 대립 유전자가 있는 염색체가 불활성화. 발생초기에 X 염색체 불활성화 큰 무늬. 발생 후기에 X 염색체 불활성화가 일어나면 더 작은 무늬와 삼색얼룩 무늬가 생긴다. 색맹 보인자 쌍둥이의 경우, X 불활성화로 인해 한쪽은 색맹으로 태어나는 경우도 있음.

염색체 이상 배수성 (polyploid): 감수분열 과정에서 오류가 생기면 여분의 염색체 세트를 갖는 배우자가 만들어 질 수 있다 Triploidy: 동물은 생존 어려움. 식물은 가능한 경우가 있다. 그러나 생존이 가능해도 생식세포를 만들지 못함  씨없는 수박에 이용 같은 배수체라도 짝수의 배수체의 경우에는 상동염색체끼리 쌍을 이룰 수 있기 때문에 생식세포를 만들 수 있는 경우도 있음 예: 밀은 7개의 염색체쌍, 파스타용 밀 4배체/ 제빵용 밀 6배체

이수성 이수체 (aneuploid): 세포에 염색체가 정상보다 많거나 부족한 경우 Monosomy: 하나 모자라는 경우 Trisomy: 하나 남는 경우 다운 증후군은 21번째 염색체의 trisomy가 원인 (총 46+1의 염색체) 왜 이수성이 일어나는가? 주로 감수분열과정에서 염색체가 비분리 (nondisjuction)로 일어난다.

이수체 상염색체의 이수체 vs.성염색체의 이수체 성염색체의 이수체일 경우에는 불임이라도 정신지체는 없는 경우가 대부분  왜? 성염색체에는 지능을 결정하는 유전자가 없기 때문에. 상염색체 이수체의 경우, 염색체에 지능을 결정하는 유전자가 있는 경우가 많기 때문에 지능에 문제가 있을 수도…

Trisomy in Human (삼염색체성 환자) the incidence of trisomics 13 (Patau's Syndrome) is about 1/12,000 Trisomic 21 is also called Down's Syndrome (1/700 in newborns). 정도의 차이가 있을 수 있 다. 예, 정신적인 손상이 심한 경우도 있다 하지 만 대학에서 수학할 정도의 능력이 되기도 한다. Trisomic 18 is called Edward's Syndrome (1/6000 in newborns). 즉 21번 염색체의 이상을 임신중 검사를 통해서 알 수는 있지만 심각성을 예측하지는 못한다. 50%가 생후 1년 안에 사망 또는 심장질환을 , 또 40대에 알츠하이머 병을 얻기도. 실험적 증거를 보면 21다운신드롬 확율은 엄마의 나이가 많을 수록 급격히 증가한다 30세 이하여성 1/3000, 48세 정도의 여성은 1/9명 정도 로 심각. 이런걸 보면 난자가 수정되어 분열할때 비분리가 일어날 확률이 커진다고 생각할 수 있다. 실제로는 이 21다운 신드롬의 40%가 이수체 정자 때문에 생긴다.

성염색체의 이수체 XO 터너 증후군 (Turner syndrome): 99% 태어나기 전에 사망, 1%는 2000명 중 1명꼴로 생존. 성적발달이 늦어짐, 정상적 지적능력, 호르몬 보충으로 살아갈 수 있음. 임신은 불가능 XXX: 약 1000명에서 2000명당 1명 큰 키 비정상적 월경

성염색체의 이수체 XXY 클라인펠터 증후군: 털이 적고 손발이 길고, 유방조직이 발달. 1/500 에서 1/2000 확률. 정신지체는 아니다. XYY 제이콥스 증후군: 공격적이고 폭력적이라는 가설이 있었으나 반드시 그렇지는 않다. 96%의 경우 완전 정상, 큰키, 심한 여드름, 약간의 언어 장애및 난독증 대략 1/1000의 확률

염색체 재배열 (chromosome rearrangement) 역위 (Inversion): 염색체 일부분이 잘려서 거꾸로 다시 들어감 전좌 (Translocation): 비상동 염색체가 부분적으로 바뀌거나 서로 결합한다. 로버트슨형 전좌 (Robertsonian translocation): 두 개의 비상동염색체의 짧은 팔이 각각 잘려서 남아있는 긴 팔이 결합되어 큰 염색체를 만든다. 상호전좌 (Reciprocal translocation): 두 개의 비상동염색체 사이에서 염색체 일부분이 교환된다.

염색체 재배열이 생식세포에 미치는 영향 이형성인 사람의 경우 역위가 일어나더라도 다른 대립 유전자는 정상이므로 건강할 수 있다. 감수분열과정에서 역위가 일어난 염색체와 정상인 상동 염색체 사이에서 교차가 일어나면 유전자 결실 또는 중복의 가능성이 증가, 생식기능에 문제. 전좌보인자: 상호 전좌가 두개의 비상동염색체 사이에 일어나도 유전자가 손상되지 않아 결과적으로 그 염색체를 가진 사람이 건강할 수 있다. 하지만 생식세포에서 문제가 있을 수 있음

태아의 염색체 이상 진단 핵형(Karyotype) 노란국화에서 얻은 콜히친- 방추사에 영향을 끼쳐 감수분열을 중지. 과거에는 핵형 세포 사진등 컴퓨터를 이용해서 밴드팬턴을 데이타베이스와 비교