멘델의 유전법칙 : 분리의 법칙

멘델의 유전법칙 : 분리의 법칙

 

1. 멘델 이전의 유전에 대한 믿음

기원전 벽화에 사람들이 인위적으로 한 개체에서 꽃가루를 다른 암술에 옮겨 수분시키는 것을 보면 이미 오래전부터 개체의 특성이 다음 세대로 전달된다고 믿었던 것으로 생각된다. 유전에 대한 지식을 잘 모르는 농부라도 좋은 개체로부터 씨앗을 받아 다음 해에 뿌리면 더 좋은 결과가 나온다는 것을 경험적으로 알고 있다. 과거부터 사람들이 결혼을 할 때 이왕이면 좋은 사람과 짝이 되고자 하는 것도 내면을 들여다 보니 좋은 후손을 얻는 것과 직결된다. 19세기 중엽까지 사람들은 양부모로부터 자식에게 전달되는 물질이 섞여 버린다는 Blending inheritance 설을 믿고 있었다. 하지만 멘델은 완두콩을 실험 재료로 하여 실험한 결과 한 형질을 결정하는 원소 (현재의 유전자)는 세대를 통해 섞이지 않고 전달된다는 Particulate inheritance를 제창하였다. 멘델은 오늘날 모든 유전현상을 설명

하는 기본 법칙을 만들었기 때문에 그를 유전학의 창시자라고 한다. 1865년 43세의 나이에 그레고르 멘델 (Gregor Mendel)은 “식물잡종에 관한 실험 (Experiments on Plant Hybrids)” 제목으로 유전법칙을 발표하였다. 다윈이 ”종의 기원 (On the Origin of Species)”를 발표한 7년 뒤의 일이다. 다윈

 이 멘델의 유전원리를 먼저 알았더라면 진화에 대한 좀 더 확고한 이론을 내 놓을 수 있었을 것이다.

 

2. 멘델이 유전법칙을 성공적으로 만들 수 있었던 이유

 

1) 철저한 실험 정신과 새로운 방법의 적용

① 과학적인 탐구 방법을 철저하게 준수하였다. 관찰하고, 가설을 세워 예측을 하며, 실험을 실시하고 결과를 정리하여 결론을 내리며 이를 이용하여 세로운 가설을 세웠다.

② 여러 형질을 한꺼번에 고려하는 것보다 한번에 하나의 형질을 비교하여 쉬운 접근 방법을 택했다.

③ 순계에 대한 개념을 이해하고 교배 전에 순계를 얻은 후 실험에 임하였다.

④ 멘델은 유전의 원리를 이해하기 위해서는 실험 결과를 철저하게 문서화하고, 양적으로 처리해야 한다는 것을 알고 통계적인 방법을 도입하였다.

⑤ 철저하게 검증 과정을 거쳤다. 실험 결과가 나오면 이를 기초로 하여 새로운 가설을 세우고, 실험 설계를 하여 이를 확인하였다.

⑥ 완두의 색깔, 키 등의 표현형을 이용하기 보다 콩이 보여주는 형질 즉 콩의 색깔, 모양 등을 우선적으로 이용함으로써 좁은 공간에서 더 많은 실험을 수행하였고, 더 많은 자손을 분석할 수 있었다.

 

2) 훌륭한 실험 재료의 선택

① 다른 개체간에 구별이 용이한 많은 대립 형질을 가지고 있다. 멘델은 특히 이 중에서 7가지 대립 형질을 선택하여 연구를 수행하였다. 예) 둥근 씨앗과 주름진 콩, 노란 콩과 녹색의 콩, 긴 줄기와 짧은 줄기, 꽃이 줄기의 끝에 피는 것과 옆에서 피는 것, 자주색과 하얀색의 꽃잎, 편형한 것과 주름진 읽은 콩깍지, 노란색과 녹색인 익지 않은 콩깍지.

② 완두콩은 커서 조작하기가 쉽다.

③ 자가교배와 타가교배가 가능하여 목적하는데로 수정을 시킬 수 있고, 많은 자손을 생산한다.

자가교배는 유전자형이 같은 정핵과 난핵간에 수정이 이루어지게 하는 것이며, 타가교배는 개체가 다른 것에서 온 정핵과 난핵이 만나 수정이 이루어지는 경우다. 완두에서 자가교배는 꽃가루를 붓에 뭍여 자신의 암술부위에 바르므로써 이루어진다. 타가교배를 하기 위해서는 먼저 수술을 베어내고 다른 개체의 꽃가루를 붓에 뭍혀 수분이 이루어지도록 한다.

④ 많은 자손을 낳는다.

⑤ 당시에 여러 완두콩 변이들을 상업적으로 쉽게 얻을 수 있었다.

분리의법칙3

3) 행운의 작용

① 멘델이 연구한 유전자는 동물에서 보이는 성염색체처럼 다른 유전양상을 보이는 염색체에 유전작 있지 않았다.

② 멘델이 선택한 유전자가 각기 다른 염색체에 있거나 같은 염색체라도 멀리 떨어져 있어 독립의 법칙을 세우는데 적절하였다.

 

3. 완두 교배 실험

 

멘델은 하나의 대립 형질을 나타내는 순계를 교배하였을 때 다음 세대에서 한쪽의 특징만 나오고, 이들을 자가 교배하면 부모 세대에 나타났던 두 형질이 다시 나타나는 것을 보았다. 다음은 둥근 콩과 주름진 콩을 교배하여 실제로 얻은 결과를 나타낸 것이다.

 

P 둥근 콩 ⓧ 주름진 콩

 

F1 둥근 콩 (자가교배)

 

F2 둥근 콩 (5,474) : 주름진 콩 (1,850)

 

P는 parent의 P를 따온 것이며, F1은 first filial generation에서, F2는 second filial generation에서 따온 것이다. 멘델은 F1 세대에서 나타나는 것을 우성 (dominant), 나타나지 않는 것을 열성 (recessive), 외형적으로 보이는 특징을 표현형 (phenotype)이라고 명명하였다.

멘델은 F1에서 나타나는 특징이 중간형태가 아닌 한 쪽이 나타났으며, F2에서 우성과 열성이 5,474 : 1,850 = 2.96 : 1 ≒ 3 : 1의 일정한 비율이 나오는 것을 보고 유전자가 섞인다는 blending inheritance 이론을 배격하고, 세대를 통해서도 유전자가 섞이지 않고 전달된다는 particulate inheritance를 주장하였다.

멘델은 암수를 바꾸어 교배 (상호교배, reciprocal cross)를 하여도 같은 결과를 얻었다. 만약 유전자가 인간에게서 처럼 성염색체에 있었다면 다른 결과를 주었을 것이며, 멘델은 상당히 혼란이 빠졌을 것이다. 이런 점에서 보면 행운이 있었다고 볼 수 있다.

 

4. 멘델은 그의 결과를 어떻게 설명하였는가?

 

멘델은 어떤 요소(element)가 배우자를 통해서 양친으로부터 전달된다고 생각하였다. 그가 생각한 요인은 오늘날의 유전자(gene)인데 실제로 유전자란 용어는 1909년 요한슨이 처음 사용하기 시작했다. 멘델은 이러한 요인들이 여러 가지 다른 표현형을 결정하는 다른 형태로 존재한다는 대립인자(allele)라는 개념을 제창하였다. 즉 콩의 모양을 결정하는 유전자가 있으면 이 유전자에는 둥근 것을 결정하는 대립인자와 주름진 것을 결정하는 대립인자가 존재한다는 것이다. 또한 한 개체는 대립인자를 2개 가지고 있다고 주장하였다. 우리는 각 개체는 상동염색체를 가지고 있고 각 염색체에 하나의 대립인자가 있다는 것을 너무 잘 알고 있지만 당시에는 그 누구도 이해하지 못했다. 다음 그림은 한 상동염색체에 우성과 열성이 같이 있는 것을 표시하였다.

분리의법칙4

<그림> 염색체 위의 대립인자의 표시. 대립유전자는 AA, Aa, 혹은 aa가 될 수 있다.

 

멘델은 위와 같은 생각을 문자를 써서 교배 과정에 나타내었다. 부모는 2개의 요소를 가지고 있고 자식에게 각각 하나씩 주므로써 자식은 다시 2개의 요소를 갖는다는 것이다. 이처럼 한 개체가 가지고 있는 2개의 대립인자가 분리되어 자식에게 전달되는 것이 분리의 법칙이다. 콩의 모양에 대한 교배 과정을 문자를 써서 나타내면 다음과 같다. 둥근 모양을 결정짓는 대립인자는 R, 주름진 모양을 결정짓는 대립인자는 r로 표시한다.

 

P         RR            ⓧ          rr

F1                         Rr    (자가교배)

F2     1/4R       R 1/2Rr    1/4rr

 

위에서 처럼 유전자가 어떠한 대립인자로 구성되어 있는가를 나타내는 것이 유전자형(genotype)이라고 한다. RR, rr처럼 같은 문자로 되어 있으면 동형(homozygote), Rr처럼 다른 형태로 되어 있으면 이형(heterozygote) 또는 잡종(hybrid)이라고 한다.

 

5. 분리의 법칙을 어떻게 증명하였는가?

멘델은 F1 개체를 자가교배시키는 대신 열성과 교배 시켰다. 이와같은 교배는 열성인 부모와 교배시키는 결과와 같으므로 역교배(backcross)라고 하지만 일반적으로 열성인 것과 교배하여 유전자형을 알고자하는 것을 검정교배(testcross)라고 한다. 검정교배를 통해 동형의 우성의 표현형을 보이는 개체가 동형인지 혹은 이형인지를 구별할 수 있다. 만약 개체가 2개의 대립인자로 되어 있고 자손을 형성할 때 하나씩 준다면 동형의 우성을 열성과 교배하면 모두 우성이 나오고, 이형의 우성을 열성과 교배하면 우성과 열성 표현형을 갖는 개체가 1 : 1로 나올 것이라고 예측하였다. 멘델은 교배 과정을 통해 이를 증명하였다.

 

1) 동형의 경우

RR ⓧ rr —> 모두가 Rr로 우성의 표현형을 나타냄.

 

2) 이형의 경우

Rr ⓧ rr —> Rr : rr = 1 : 1의 비로 우성과 열성이 나타남.

 

문) 만약 위의 완두 콩 모양에 대한 교배에서 F2의 우성 집단(5474개)을 검정교배하면 동형과 이형이 어떠한 비율로 나타나겠는가? F2에서 1/4RR과 1/2Rr이 나오므로 이 둘만을 비교하면 RR : Rr = 1/4 : 2/4 = 1 : 2 가 된다. 따라서 1/3은 RR, 1/2는 Rr이 될 것이다. 멘델은 이와같은 결과를 교배를 통해 확인하였다.

 

6. 교배한 결과가 가설에 맞는지 어떻게 확인할 수 있는가?

 

순계의 노란 완두 콩을 순계의 녹색 콩과 교배하여 F1을 얻은 후 이들을 자가교배하여 F2에서 노란 콩 155개와 녹색 콩 45개가 나왔다고 가정하자. 이러한 결과가 분리의 법칙에 따라 F2에서 나온 것이 3:1의 비인지 아닌지를 어떠한 근거로 말할 수 있는가? 멘델은 통계적인 방법을 도입하여 이를 증명함으로써 훗날 사람들에게 확신을 심어 주었다.

전통적으로 chi-square test를 이용하여 증명한다. 이 테스트에서는 관찰값과 기대값 즉 예상값으로부터 얼마나 떨어져 있는가를 알아보는 것이다. 총 200개가 3 : 1로 나뉘어지면 150 : 50 이 된다. 이러한 숫자가 기대값이며 이러한 값으로부터 어느 정도 벗어나면 더 이상 3 : 1로 볼 수 없게 된다. chi-square test는 이러한 것에 대한 판단의 근거를 제공해 준다.

공식은 다음과 같다.

(O-E)

χ2 = Σ—— O: 관찰값, E: 기대값

E

 

chi-square test를 하기 위해서는 첫째, 가설을 세워야 한다. 둘째, 가설에 대하여 기대값을 구한다. 셋째, χ2 값을 구한다. 넷째, 자유도 (degree of freedom, N)을 결정한다. 다섯째, χ2 테이블 참조하여 가설을 수용할 것인지 버릴 것인지를 결정한다. 예를 들어서 χ2 테스트 방법을 이해해 보면 다음과 같다.

1) 실험 결과 : 노란 콩과 녹색 콩의 비가 155 : 45로 나왔다.

2) 질문) 3 : 1의 비가 맞는가?

3) 가설 : 본 결과는 3 : 1의 비가 맞다.

4) 기대값 : 200 x 3/4 = 150, 200 x 1/4 = 50

5) (O-E)2 (155-150)2 (45-50)2

χ2 = Σ—— = ——— + ——- = 0.66

E 150 50

 

6) 자유도는 카테고리의 수에서 1을 뺀 값이다. 즉 위에서 N = 2-1 = 1이다. 즉 200개 중에서 하나의 기대값으로 150이 결정되면 다른 하나는 자동적으로 50이 결정되므로 자유도는 1이 된다. 만약 4개의 카테고리가 있으면 3개의 기대값을 결정하면 마지막 하나는 자동적으로 결정되므로 N = 4-1 = 3 이 된다. χ2 테이블을 참조하여 가설의 진위를 결정한다.

 

자유도

(N)

P 값 (확률)
가설 수용 가설 부정
0.99 0.90 0.50 0.10 0.05 0.01 0.001
  χ2 값
1 0.02 0.45 2.71 3.84 6.64 10.83
2 0.02 0.21 1.39 4.61 5.99 9.21 13.82
3 0.11 0.58 2.37 6.25 7.81 11.35 16.27
4 0.30 1.06 3.36 7.78 9.49 13.28 18.47
5 0.55 1.61 4.35 9.24 11.07 15.09 20.52

χ2 테이블을 이용하기 위해서는 자유도가 필요하다. 만약 우리가 구한 χ2 값이 0.05 확률에서 보이는 값보다 높은 값으로 나타나면 처음에 세운 가설을 버려야 한다. 이러한 경우는 관찰값과 기대값이 차이가 많이 나서 χ2 값이 매우 커졌기 때문이다. 위에서 χ2 = 0.66 이며, 자유도 1에서 0.05 확률에서 보이는 값보다 훨씬 낮은 값으로 가설을 받아들일 수 있다.

χ2 값이 적을수록 관찰값과 기대값의 차이가 작다는 것을 의미하며, 반대로 확률은 커지므로 신뢰성 즉 믿음이 커진다. 멘델은 이점을 명확하게 이해하고 있었다. 그의 결과를 보면 관찰값과 기대값이 큰 차이가 없어 모든 0.90 확률보다도 높게 나타났다. 즉 χ2 값이 0.90에서 보이는 것보다 작게 나온 것이다. 이를 두고 혹자는 멘델이 그의 결과를 조작하여 확률을 높여 사람들로 하여금 확실하게 믿게끔 하였다고 하는 사람도 있다. 경위야 어떠튼 멘델의 법칙은 만고 불변의 진리가 되었다.

 

7. 멘델 실험에 대한 현대적인 조명

 

멘델이 연구한지 135년이 지난 1991년에 완두콩의 모양을 결정하는 유전자가 클로닝되었고, 이 유전자의 기능이 밝혀졌다. 주름진 특징은 starch-branching enzyme I (SBE1)을 만들어내는 유전자에 전이인자 (transposible element)가 끼여 들어가 돌연변이가 생긴 결과임을 알게 되었다. SBE1 효소는 아밀로즈를 아밀로펙틴이라는 가지가 있는 녹말을 만들므로써 완두콩이 정사의 둥근 모양을 하지만 이 효소가 없으면 가지가 없는 녹말이 만들어지므로써 주름이 진다.

전이인자는 유전자 내에서 뛰어 다니는 조그만 DNA 조각으로 다른 유전자 속에 끼여 들어가 그 기능을 파괴하는 경향이 있다. 전이인자는 1940년데 메클린톡크 (Barbara McClintock) 여사가 처음 옥수수에서 발견하였으며, 그 공로로 40년이 지난 1980년대에 노벨상을 수상하였다.

 

 

조상환

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