일반생물학실험 - 인간 염색체의 핵형 분석 (Karyotyping)

- 실험 제목 : 인간 염색체의 핵형 분석 (Karyotyping)

- 실험 목적 : 유전의 염색체설을 이해한다. 사람의 핵형을 그림으로 분석하고, 국제적 분류기준에 따라 염색체를 분류해본다. 또한 정상적인 남녀의 핵형과 염색체 이상에 따른 유전질환을 이해한다.

- 실험 개요

1. 염색체란?
  염색체(chromosome)는 현미경 관찰에 사용되는 특정한 염색약을 흡수하기 때문에 (그리스어로 색을 의미하는 chroma와 몸을 의미하는 soma의 합성어) 불리게 된 명칭이다. 염색체라는 구조는 DNA의 복제와 분배를 가능하게 해준다. 모든 진핵생물의 종들은 각 세포핵 내에 특징적인 숫자의 염색체를 지닌다. 진핵생물의 염색체는 염색질로 이루어져 있으며, 이것은 DNA와 여기에 결합되어 있는 단백질 분자의 복합체이다. 각각의 염색체는 수백에서 수천 개의 유전자를 가지고 있는 하나의 긴 선형 DNA로 구성되어 있으며, 이것이 개체의 유전형질을 결정하는 기본 단위이다.

2. 염색체의 형태에 따른 분류
  염색체는 동원체의 위치에 따라서, 동원체가 염색체의 한쪽 끝에 위치하는 말단동원체형(telocentric), 동원체가 한쪽 끝에서 조금 떨어진 곳에 위치하는 차단부동원체형(acrocentric), 한쪽 팔의 크기가 현저하게 다른 차중부동원체형(submetacentric), 그리고 동원체가 염색체의 중앙에 위치하는 중부동원체형(metacentric)으로 분류할 수 있다.
어떤 특정 염색체에는 부수체(satellite)가 존재한다. 위성은 둥근 모양을 한 염색체의 조각이 한쪽 팔에 연결되어 있으며, 인간 염색체에서는 13, 14, 15, 21, 22번 염색체에 부수체가 달려 있다.

2. 인간 염색체의 분류
  1960년 미국의 덴버와 영국 런던에서 열린 국제인류염색체회의에서 인류 염색체의 명명과 분류법에 관한 규약이 설정되었다. 이 규약에 의하면 정상인의 염색체수는 46개인데, 이들은 22쌍의 상염색체와 한 쌍의 성염색체로 되어 있고, 여성은 XX, 남성은 XY인 성염색체를 가지고 있다. 22쌍의 상염색체는 염색체의 길이, 동원체(centromere)의 위치, 부수체(satellite)의 유무 등에 의해서 1번에서 22번까지의 번호가 붙여지며 A에서 G까지의 7군으로 구분된다.

표 1. 사람의 염색체를 분류하는 일반적인 기준.

그룹	염색체	특징
A	1,2,3	가장 큰 염색체 그룹, 1번과 3번 염색체는 중부중심절(metacentric) 염색체, 2번 염색체는 차중부중심절(submetacentric) 염색체
B	4,5	A군보다 짧고, 차중부중심절 염색체
C	6~12, X	중간 크기이며, 차중부중심절 염색체, X염색체가 속함
D	13, 14, 15	중간 크기의 차단부중심절(acrocentric) 염색체, 단완 끝부분에 부수체가 보인다.
E	16, 17, 18	중부 또는 차중부중심절 염색체, 16번은 거의 중부중심절에 가깝다.
F	19, 20	거의 중부중심절에 가깝고 짧은 염색체
G	21, 22, Y	매우 크기가 작은 차단부중심절 염색체, 21, 22번의 단완에 부수체가 보인다.

3. 핵형분석(karyotyping) 이란?

  핵형(karyotype)분석은 idiogram 이라고도 한다. Idiogram 작성 방법은 첫째, 유사분열 중기 염색체의 현미경 사진을 찍고, 사진의 각 염색체를 오려서 상동염색체 짝을 찾는다. 분리된 염색체를 크기순으로 한 쌍씩 배열하고 번호를 붙인다. 핵형 분석을 통해서 염색체의 다형성, 염색체 변이를 밝힐 수 있다. 최근에는 각 염색체가 형광물질에 의해 색으로 구분되며, 컴퓨터에 의해 자동화된 분석도 가능하다.

표 2. 정상적인 염색체의 수와 숫적 이상에 의해 발생되는 대표적인 질병.

표현형	염색체 수	성염색체 쌍
정상 여자	46	XX
정상 남자	46	XY
클라인펠터 증후군	47, 48, 49	XXY, XXXY. XXXXY
터너 증후군	45	X
다운 증후군 (trisomy 21)	47	XX or XY

- 실험 목표
  1. 준비된 세포 핵형 그림의 염색체를 형태와 크기에 따라 배치해서 직접 idiogram을 작성해보자. (50분)
  2. 작성한 idiogram의 염색체를 보고 정상인지 이상이 있는지, 이상이 있다면 어떤 질병인지를 파악해 보자. (10분)

- 실험 재료
  염색체 종이모델, 가위, 풀

- 실험 방법
  1. Idiogram에 이름, 나이, 성별, 샘플이미지의 번호를 적는다.
  2. 준비된 염색체 복사물을 오려서 크기와 형태에 따라 분류한다.
  3. Idiogram을 작성한다.
  4. 염색체의 수를 파악해서 정상 또는 질환 여부를 파악한다.

- 실험 결과
  (생략)

- 질문 및 토의사항
  1. 다운증후군, 클라인펠터증후군의 핵형과 정상인의 핵형의 차이는 무엇인가?
  2. 앞에서 소개한 질병 이외에 염색체 이상에 의해 발생하는 질병은 무엇이 있을까?
  3. 염색체의 수 또는 구조에 이상이 생기는 원인에는 무엇이 있을까?

- 참고문헌
  1. 생명과학교재편찬위원회. 생명과학개론, 2009. 지코사이언스.
  2. 한국유전학회. 유전학실험서, 2004. 라이프사이언스.
  3. Campbell 외. 전상학 옮김. 생명과학 7/E, 2006. 라이프사이언스.
  4. Thomas R. Mertens. Genetics-Laboratory Investigations 12/E, 2002, Prentice Hall.
  5. Advanced Photonics (http://www.advancedphotonicsindia.com)