야생형 및 돌연변이 초파리의 관찰

Ⅰ. 실험목표

본 실험에서는 초파리가 유전학 재료로 좋은 점을 알아보고, 암수를 구별하며, 돌연변이체가 보여주는 여러 표현형을 살펴보고 유전자의 기능을 이해하도록 한다.

Ⅱ. 배경이론

초파리는 1910년에 모건에 의해 실험 재료로 도입된 후 유전에 대한 여러 기작을 밝히는데 큰 공헌을 하였다. 초파리는 크기에 비해 상당히 복잡한 구조로 되어 있지만 외부 구조가 명확하게 구별된다. 야생형 초파리는 머리에 더듬이가 한 쌍 있고, 둥그렇고 빨간색의 눈(복안)이 한 쌍 있다. 가슴은 세 개의 체절로 나뉘는데 각 체절에 한 쌍의 다리가 있다. 날개는 다리와는 달리 두 번째 체절에만 한 쌍 있으며, 세 번째 체절에는 날개가 퇴화된 평균곤이 있다. 평균곤은 날아다닐 때 균형을 잡는데 관여한다.

돌연변이는 염색체나 유전자의 구조에 이상이 생김으로써 유전자의 기능이 정상적으로 작동하지 못하기 때문에 생긴다. 초파리에서는 흰 눈 돌연변이가 자연 발생적으로 만들어져 유전학의 발전에 크게 기여하였으며, 뭘러는 X-ray를 이용하여 대량으로 돌연변이를 유발하였다. 그 뒤 여러 화학물질 등을 이용하여 새로운 돌연변이들이 발견되었다. 우리 주변에는 많은 돌연변이 유발물질들이 있어 항시 이들에 의해 노출되어 있다.

초파리에서 머리, 더듬이, 눈색깔 및 모양, 날개의 모양, 몸의 색깔 등에 이상을 나타내는 다양한 돌연변이체가 발견되어 돌연변이 표현형을 관찰하는데 매우 용이하다.

Ⅲ. 실험재료

야생형 및 4종류의 돌연변이체, 가는 붓, 에테르, 해부 현미경, 마취기구, 마취병, 초파리 수거 병.

Ⅳ. 실험과정

① 야생형의 초파리를 마취시켜 눈의 색깔 및 모양, 몸의 색깔, 날개의 길이 및 모양, 암수를 구별한다.

② 각 돌연변이체를 차례대로 마취시켜 야생형과 어떻게 다른지 관찰한다.

③ 한 종류의 초파리 관찰이 끝나면 관병을 옆으로 눕혀 초파리를 관병에 다시 넣어 마취가 풀리도록 한다.

이 때 마취가 된 초파리가 깨어 나올 때까지 관병을 눕혀 놓아 젖은 배지에 빠져 죽는 것을 방지한다.

Ⅴ. 실험결과 및 토의

(1) 암수를 구별하고 그 특징을 그림을 그려 간단하게 나타내시오.

- 숫컷: 배의 끝 부분이 검고 첫 번째 한 쌍의 다리에 성즐(검은 돌출부)이 있다.

- 암컷: 배의 끝 부분이 검지 않고 첫 번째 한 쌍의 다리에 성즐(검은 돌출부)이 없다.

(2) 정상과 초파리 돌연변이체간의 구별이 용이한가? 각 돌연변이의 특징을 기술하시오.

- 흰눈(w): 눈의 색깔이 흰색이다.

- 막대눈(B): 눈의 형태가 얇은 타원형이다.

- 검은몸(e): 몸 색깔이 검은색이다.

- 흔적날개, 갈색눈(vg;se): 날개가 짧고, 눈이 갈색이다.

- 안테나다리(Antp): 안테나 모양이 구부러져 있고 관절이 있다.

- 노란몸(Y): 몬 색깔이 노란색이다.

- 휜날개(Curly): 날개의 위로 휘어져 있다.

- 없는눈(eyea): 눈이 없다.

(3) 본 돌연변이체의 관찰을 통해 눈의 형성에 관여하는 유전자는 1개 이상이 있다고 생각되는가?

- 1개 이상 있다. 흰 눈 유전자는 성염색체(X-Chromosome)에 존재하지만, 막대눈, 갈색눈 유전자는 상염색체에 존재한다.

(4) 한 염색체에 여러 유전자가 있는가? 이러한 현상을 무엇이라고 하는가? 

- 연관

(5) 돌연변이가 일어나면 반드시 우리 눈에 보이는 형질로 나타난다고 생각되는가? 

- 그렇지 않다.

(6) 초파리의 눈의 색깔과 날개의 모양은 멘델이 실험에 사용한 완두에서의 무엇에 비유될 수 있는지 한 가지 예만 보여라.

- 독립의 법칙이 적용되므로, 완두콩의 색깔(노란 것과 녹색인 것)과 형태(매끈한 것과 주름진 것)와 비유될 수 있다.

(7) 임신한 여성이 신체검사 때 X선 촬영을 삼가야 하는 이유는 무엇인가? 

- X-Ray(방사선)는 태아의 발달 과정 중 유전자에 돌연변이를 유발시키므로 태아에 기형을 유발시킨다.

(8) 우리 주변에서 발견되는 돌연변이 유발원에는 어떠한 것들이 있는가?

- X-Ray, 자외선, 과산화물, 각종 방사선, 발암물질, 콜히친

(9) 인간에게서 보이는 돌연변이 특징들에는 어떤 것들이 있는가?

- 다운증후군, 터너증후군, 클라인펠터증후군, 육손이(손가락 6개), 지문 없는 손

Ⅵ. 참고사항

(1) 암수의 구별

초파리의 수컷은 암컷에 비해 다음과 같이 차이가 있다.

① 일반적으로 암컷보다 크기가 작다.

② 첫 번째 한 쌍의 다리에 검고 굵은 털인 성즐(sexcomb)이 있다.

③ 5번째와 6번째 복부의 등쪽이 매우 검다.

④ 뒤 집어 보았을 때 생식기관이 암컷은 단순해 보이는 반면 수컷은 굵고 검은 큐티클로 되어 있다.

(2) 마취 시 주의 사항

생물나라에서 공급되는 마취기구는 매우 효율적이어서 30초 - 1분 안에 마취가 일어납니다. 이보다 훨씬 오랫동안 마취시키면 초파리는 매우 느리게 깨어나거나 죽는 경우가 발생하고 실험 중에 일부 초파리가 깨어나오면 바로 20초 -30초 동안 더 마취를 합니다.

학생들이 실험하는 중에 죽일 염려가 있으므로 여분으로 더 신청하는 것이 필요합니다. 초파리를 여러 번 사용하기 위해서는 마취 시작 후 움직이지 않으면 바로 꺼내어 형질을 살펴보고, 관찰이 끝나면 붓을 이용하여 관병을 눕히고 붓으로 살살 초파리를 관병 안으로 쓸어 넣습니다. 이 때 관병은 젖어 있으므로 바로 세우지 말고 초파리가 깨어 나올 때까지 옆으로 뉘여 놓으면 반복하여 사용할 수 있습니다.

(3) 초파리의 유전학 재료로서의 의의

초파리가 유전학 재료로 좋은 점은 25℃에서 10일 만에 성체가 되며, 작아서 키우기 용이하며, 많은 돌연변이 형질들이 발견되었고, 암수 구별이 쉽고, 한 마리가 몇 백 개의 알을 낳아 통계적인 처리가 용이하다는 것입니다. 또한 염색체 수가 적어 분자유전학적인 연구가 용이합니다.

초파리는 1910년 모건 (Morgan)에 의해 유전학 실험에 대한 주요 재료로 도입되어 유전학의 발달에 크게 기여 하였고 모건은 유전자가 염색체에 있다는 유전자의 염색체설을 증명하였으며, 또한 한 염색체에 여러 유전자가 있다는 즉, 유전자의 연관을 밝히는 등 유전학 발달에 대한 많은 업적으로 노벨상을 받았다. 또한 유전자의 연관이 교차에 의해 깨어지기도 한다는 것이 밝혀졌으며, 곧 이어 교차율을 측정하여 유전자 지도를 작성할 수 있게 되었다. 뮐러 (Muller)는 1927년에 X-ray가 돌연변이를 유발한다는 것을 밝혀 병원에서 그 동안 X-ray를 이용하였던 많은 사람들에게 나타난 이상 증상이나 자식들이 기형아가 태어난 것에 대한 원인을 규명하여 노벨상을 받았다. 이러한 결과는 또한 X-ray가 돌연변이 유발에 매우 훌륭한 물질임을 보여주어 초파리에서 대량으로 돌연변이를 발견할 수 있는 길을 열게 하였다. 1980년대에 들어와서 초파리에서 발생에 관여하는 많은 유전자가 발견됨으로서 초파리가 이제 유전학 재료에서 발생학 재료로의 전환점을 맞게 되었다. 독일의 뉴스라인 폴 하르트 (Nusslein-Volhard)와 비샤우스 (Wieschaus), 미국의 루이스 (Lewis) 박사는 발생에 관여하는 많은 유전자를 발견한 공로로 1995년에 노벨의학상을 받았다.

초파리의 많은 유전자들이 인간의 것과 유사하고 최근에 초파리 와 인간게놈프로젝트 (유전체 연구)가 거의 완성되어 이를 비교해 본 결과 무려 60% 이상의 유전자가 유사한 것으로 알려졌다. 따라서 초파리에서 어떤 유전자가 발견되면 인간에게서 유사한 유전자가 있는지 확인해 볼 수 있고, 역으로 인간에게서 어떤 새로운 유전자가 발견되면 초파리에서 찾아 볼 수 있다. 불행히도 인간에서는 유전자의 기능을 다양하게 알아 볼 수 없으므로 초파리와 같은 기능을 분석할 수 있는 동물을 이용하는 것이 필요하다. 따라서 초파리는 인간의 유전자의 기능을 연구하는데 반드시 필요한 동물로 부각되고 있다.

게놈 프로젝트 (유전체 연구)란 각 동물에서 모든 유전자 염기 서열을 밝히고 유전자의 기능을 밝히는 작업이다. 이미 인플루엔자, 효모, 선충류의 한 종류, 애기장대 식물 등을 포함해서 많은 생물들의 염기서열이 밝혀졌고, 현재 인간과 초파리의 염기 서열이 거의 완성되었으며, 벼 등 많은 생물들의 염기 서열도 곧 밝혀질 것으로 생각된다. 이러한 게놈프로젝트가 완성되면 특히 인간에게서 수정이 되면서 부터 앞으로 태어날 아기가 어떤 유전 질병을 가질 것이며, 지능이 얼마나 되고, 어떠한 적성을 가질지가 밝혀져 직업 선택에 대한 예측이 기대된다. 하지만 각 인간의 유전정보가 알려지면 직장을 얻거나, 보험에 가입하거나, 결혼을 할 때 결정적으로 불이익을 받는 등 그 피해도 만만치 않을 것으로 예상된다.

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