유전과 사람

- 출처 : Wallace DC., Mitochondrial DNA mutations in disease and aging. Environ Mol Mutagen. 2010 Jun;51(5):440-50.

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Mitochondrial DNA Mutations in Disease and Aging

질병과 노화에서의 미토콘드리아 DNA 돌연변이

<Introduction>

  미토콘드리아 질병은 heterogeneous하고 multisystematic하다. 미토콘드리온이 세포에 에너지를 공급하기 때문에 미토콘드리아의 장애는 많은 에너지가 요구되는 기관에서 우선적으로 영향을 받는다. 그 결과 에너지 결함은 장님, 난청, 이동장애, 치매, 심근질환, 근질환, 신장기능장애, 노화 등의 형태로 나타난다. 또한 외부의 에너지와 세포 기관 에너지 사이의 경계에 있기 때문에 미토콘드리아 장애는 당뇨, 비만, 심혈관 질환, 암과 같은 질환과도 밀접한 연관이 있다. (Figure 1)

  미토콘드리아 질환은 핵 DNA에 존재하는 미토콘드리아 단백질 또는 mtDNA를 암호화하는 유전자에 생긴 결함에 의해서도 야기될 수 있다.

<Mitochondrial Bioenergetics and Genetics>

  미토콘드리아는 4가지 중심 기능을 수행한다. 1) ATP 형태인 세포에너지의 대부분을 제공. 2) 활성산소종(ROS)를 생성하고 조절한다. 3) 세포질 칼슘이온의 완충작용을 한다. 4) 미토콘드리아의 투과성 전이 구멍을 통해서 세포자살(apoptosis)를 조절한다.

Mitochondrial Energetics (미토콘드리아 에너지학)

  동물에서 에너지학은 환원 당량인 수소의 유효성을 기반으로 하며, 탄수화물과 지방으로써 소비된다. 이것은 미토콘드리아의 산화적 인산화 (OXPHOS)를 통해서 산소와 결합하고 물을 생성하는 반응을 한다. 우리가 섭취한 glucose는 glycolysis를 통해 세포질에서 pyruvate로 분해되고, 세포질의 NAD+를 NADH로 환원시킨다. Pyruvate dehydrogenase를 통해서 pyruvate가 미토콘드리온으로 들어가고, 그 결과로 acetyl-CoA, NADH+H+, CO2를 생산한다. Acetyl-CoA는 tricarboxylic acid cycle로 들어가서 NADH+H+를 생성하는 유기산으로부터 수소를 제거한다. 지방산은 β-oxidation에 의해 전체적으로 산화되어 acetyl-CoA, NADH+H+, FADH2를 생산한다. 두 전자가 NADH+H+로부터 NADH dehydrogenase (COMPLEX I)으로 전달된다. COMPLEX I 또는 FADH2를 포함한 효소로부터 나온 전자는 ubiquinone (CoQ)를 ubisemiquinone (CoQH)으로, 다시 ubiquinol (CoQH2)로 환원시킨다. CoQH2로부터 나온 전자는 COMPLEX III, cytochrome C, COMPLEX IV로 전달되고, 최종적으로 산소로 전달되어 물을 생성한다.

전자의 흐름인 electron transport chain (ETC)로써 방출되는 에너지는 Complexes I, III, IV를 통해 미토콘드리아 내막을 지나는 양성자 펌프에서 이용되고, 이것은 양성자 전기화학적 구배를 형성한다. 이렇게 생성된 ΔP는 ATP synthetase (COMPLEX　V)를 통한 양성자의 흐름을 통해 ADP+Pi 의 전환으로 ATP를 만든다. 매트릭스 내부에서 생성된 ATP는 세포질의 ADP와 adenine nucleotide translocator (ANTs)에 의해 교환된다. ΔP는 단백질과 칼슘 이온의 유입, 열의 생성, pH의 조절 등 많은 다른 목적을 위해 이용될 수도 있다.

섭취된 환원 당량이 OXPHOS에 의해 ATP로 전환되는 것에 대한 효율을 coupling efficiency라고 한다. 미토콘드리아 단백질에 변이가 생기면 이런 OXPHOS의 coupling efficiency에 변화가 생기게 된다.

OXPHOS Complexes

  미토콘드리아의 OXPHOS Complex I 은 45개 polypeptide로부터 조립되며, 그중 7개는 mtDNA에 의해 암호화되어 있다. Complex II는 4개의 핵 DNA polypeptide로 구성되며, Complex III는 11개의 polypeptide로 구성되고 1개가 mtDNA에 의해 암호화되어 있다. Complex IV는 13개의 polypeptide로 이루어지며 3개는 mtDNA에 의해 암호화되어 있다. Complex V는 16개 polypeptide중 2개가 mtDNA에 의해 암호화되어 있다.

5개의 Complex 중에서 I과 III~V 만 양성자를 수송하고, mtDNA로부터 생성된 polypeptide를 갖고 있다. 양성자를 수송하는 이들 네 개의 Complex들은 서로 균형을 이루고 있어야 하며, 네 개의 양성자 펌프 Complex의 주요 전기적 요소들은 서로 공진화해야 한다. 이것은 이들 단백질이 오직 한쪽 부모, 즉 어머니로부터 유전되는 단일 조각 유전자를 통해 유지되면서 이루어질 수 있다. 그 결과, 다른 coupling efficiency를 갖는 모계 혈통의 다른 mtDNA로부터 온 단백질 유전자는 섞이거나 재조합될 수 없다.

Mitochondrial Genetics

  mtDNA에는 13개의 core OXPHOS polypeptide에 더하여, 22개의 tRNA와 12S & 16S rRNA 유전자가 암호화되어 있다.

  핵 DNA에는 80개의 OXPHOS 유전자와 미토콘드리아 발생에 필요한 mtDNA polymerase γ (gamma), RNA polymerase, mtDNA transcription factor, ribosomal protein 등 1000~1500개의 유전자를 암호화하고 있다. 미토콘드리아 유전체가 한쪽 부모로부터 전달되는 mtDNA와 양쪽 부모로부터 전달되는 핵 DNA에 퍼져있기 때문에 에너지 대사의 유전학은 매우 복잡해진다.

인간 mtDNA는 이중나선이며, 16569bp의 환형 분자이다. 두 가닥은 G와 C의 분포는 서로 달라서 C가 많은 light (L-) 사슬과 G가 많은 heavy (H-) 사슬을 이룬다.

“control region"(CR)은 H- 와 L- 가닥의 전사를 위한 promoter와 H- 가닥의 복제기점을 포함하고 있다. ND6 유전자를 제외한 모든 rRNA와 polypeptide 유전자는 H 가닥에 위치하고 있다.

mtDNA 유전자는 핵 DNA보다 훨씬 높은 돌연변이율을 지닌다. 높은 mtDNA 돌연변이율에 기여하는 한 요인은 미토콘드리아의 활성산소종(ROS) 생산과 근접해 있다는 것이다. 그러나 이것은 산화방지에 대한 높은 방어와 더 활성화된 DNA 복원을 통해 완화될 수 있다.

mtDNA에 변이가 증가하면 정상과 돌연변이 mtDNA가 섞여 heteroplasmy가 된다. heteroplasmy 상태의 세포가 분열할 때 두 타입의 mtDNA는 딸세포에 무작위로 분포하고, 그 결과 유전적 부동에 의해 순수한 돌연변이 또는 야생형 타입의 mtDNA만을 가진 homoplasmic cell이 된다.

돌연변이 mtDNA의 비율이 증가됨으로써, 미토콘드리아의 에너지 기능이 감퇴된다. 정상적인 조직 기능을 위한 에너지 출력이 불충분할 때, 역치수준을 넘어서면 증상이 나타나고 apoptosis 또는 necrosis가 개시될 수 있다.

<Mitochondrial Genetic Disease>

복합적인 임상적 표현형은 핵 DNA와 mtDNA 미토콘드리아 유전자의 돌연변이와 연관되어 있다.

Mitochondrial Diseases Resulting from mtDNA mutations

임상적으로 연관된 mtDNA 변이는 3 종류로 분류할 수 있다. 1) 최근의 해로운 돌연변이. 2) 고대의 적응 변이. 3) 체세포 mtDNA 변이의 노화 연관 누적

Recent Deleterious Mutations

최근의 해로운 돌연변이는 rearrangement 돌연변이와 염기치환 돌연변이가 있다.

- Rearrangement mutations : rearrangement 돌연변이는 새로운 결실 돌연변이 또는 모계 유전된 삽입 돌연변이일 수 있다. 대부분의 결실 돌연변이는 최소 한 개의 tRNA를 제거하고 그러므로 단백질 합성에 영향을 미칠 수 있다.

가장 온화한 mtDNA rearrangement 표현형은 모계 유전된 type II diabete (제2형 당뇨병)과 난청이다. 이들은 mtDNA 복제 변이의 유전에 의해 야기되는 것으로 생각된다. 다음으로 가장 심한 질병은 CPEO (chronic progressive external ophthalmoplegia)와 KSS (Kearns-Sayre syndrome)으로, 안근마비 (ophthalmoplegia), 안검하수(ptosis), 근생검상(RRFs, ragged red fibers)를 갖는 근질환과 연과된다.

- Deleterious mtDNA base substitution mutations : 염기치환 돌연변이는 polypeptide유전자 또는 rRNA와 tRNA를 바꿀 수 있다. 발병시키는 polypeptide 돌연변이는 LHON(레버씨 시신경위축증), Leigh syndrome (리씨증후군, 아급성 괴사성 뇌병증), 미토콘드리아 근질환 등이 포함된다.

미토콘드리아의 tRNA와 rRNA 단백질 합성에 의한 돌연변이 질병에는 MERRF, MELAS, encephalomyophathy (뇌근육병), mitochondrial myophathy, exercise intolerance (운동 과민증), CPEO와 KSS, 위장관 증후군, 근긴장이상증, 당뇨, 청각장애, 심근질환, 신장질환, 알츠하이머, 파킨슨병 등이 포함된다.

Ancient Adaptive mutation and disease predisposition

  mtDNA는 모계 유전되기 때문에, 모계 계통을 통해서 확산된 돌연변이의 누적을 통해서만 진화가 일어날 수 있다. 만약 mtDNA 돌연변이가 특정 환경에서 이익이 되면, 그 후손에서는 해당되는 변이의 빈도가 증가할 것이다. 이 결과로 연관된 mtDNA 하플로그룹이 특정한 지리적 지역에서 누적되도록 한다.

mtDNA 하플로그룹과 지리적으로 가장 연관된 것 중 하나는 위도, 즉 기후이다. 기능적인 변이는 미토콘드리아의 coupling efficiency를 변화시키고, 일을 위한 ATP 생산과 극도로 추운 곳에서 열을 생산하는 것 사이에서 열량을 배당하는 차이에 따라 잇점을 줄 수 있다.

  오늘날 mtDNA 하플로그룹도 여전히 지역적 분포와 연관되어 있다. 모든 아프리카인 mtDNA의 2/3 ~ 3/4은 macrohaplogroup L에 속한다. 모든 유럽의 mtDNA들은 macrohaplogroup N에 속하며, 아시아의 mtDNA들은 macrohaplogroup M 또는 N에 속한다.

  고대에 적응한 mtDNA 하플로그룹은 오늘날 개인에 따른 질병의 경향에 영향을 미친다.

  mtDNA 하플로그룹이 질병 경향을 바꿀 수 있다는 첫 증거로는 유럽의 하플로그룹 J가 LHON 변이의 침투도를 증가시킬수 있다는 것이었다. 이어서 하플로그룹 H는 노화와 연관된 반점이 있는 퇴화의 위험을 감소시키는 반면 하플로그룹 J와 U는 그러한 위험을 증가시킨다는 것을 보였다. 하플로그룹 H와 H-nt 4336 변이는 파킨슨병(PD)의 발생 위험을 증가시키는 반면, 하플로그룹 J와 Uk는 이런 위험을 감소시킨다. 하플로그룹 J는 유럽인에서 장수와 관련이 있고, 하플로그룹 D는 아시아인에서 장수와 관련이 있다. 하플로그룹 J는 유럽의 집단에서 당뇨의 위험이 높고, 반면 하플로그룹 N9a는 아시아에서 당뇨, 대사증후군, 심근경색을 보호할 수 있는 것으로 나타났다. 하플로그룹 U는 혈청 IgE 수준의 증가와 연관되며, 하플로그룹 H는 패혈증에 대한 보호와 연관되어 있다. 하플로그룹 J와 U5a는 더 빠른 에이즈 진행과 관련되는 반면 H3, Uk, IWX는 에이즈의 진행을 늦추는 것으로 조사되었다.

  마지막으로 다양한 하플로그룹은 특정 암에 대한 위험성과도 관련이 있다. 그러므로 mtDNA의 기능적 변이는 대사와 퇴행성 질병 뿐 아니라 암과 장수까지도 성질을 변화시킬 수 있다. mtDNA 하플로그룹은 운동 능력과도 연관되어 있다. 다른 mtDNA 하플로그룹을 가지면 다른 미토콘드리아 ATP 생산 efficiency를 갖는다. 즉 다른 coupling efficiency를 갖는다.

Somatic mtDNA mutations in Age-related disease

  mtDNA 돌연변이는 노화와 함께 축적되어 발견된다. 그러므로 체세포의 mtDNA 변이가 누적되면서 노화가 일어날 수 있다. 암 또한 노화와 연관된 질병이며, 다양한 종류의 암에서 체세포와 생식세포 mtDNA 모두에서 돌연변이가 보고되었다. 미코톤드리아의 활성산소종(ROS) 생산은 발암의 중요한 요소로 나타났다. 병원성인 인간의 mtDNA ATP6 T8933G missense 돌연변이는 활성산소종(ROS) 생산을 증가시켜 전립선 암 세포가 생성되고, 이를 증가시킨다.

Mitochondrial Disease resulting from nDNA mutations

  핵 DNA에서 암호화되어 있는 OXPHOS 유전자의 돌연변이는 Leigh syndrome부터 우울증의 경향까지 다양한 장애와 연관되어 있다. Complex I, III, IV의 조립요소인 SURF1에 돌연변이가 생기면 몇몇 OXPHOS 결함을 야기하고 그 결과 Leigh syndrome을 유발할 수 있다.

  mtDNA POLG 또는 Twinkle helicase에 돌연변이가 발생하면 상염색체 우성 또는 열성의 PEO (Progressive external ophthalmoplegia)와 연관된다. POLG 돌연변이는 약한 근질환부터 치사인 Alpers syndrome까지 폭넓은 범위의 질병을 야기할 수 있다. 일부 ANT1 유전자의 돌연변이는 단백질을 비활성화시킬 수 있고, 그 결과로 열성 근질환과 심근질환을 유발할 수 있다.

  Deoxyguanosine kinase와 mitochondrial thymidine kinase 2의 돌연변이는 mtDNA의 감소를 야기하고, cytosolic thymidine phosphorylase의 돌연변이는 mtDNA 결실 및 감소와 연관되어 미토콘드리아의 neurogastrointestinal encephalomyopathy를 야기할 수 있다.

  미토콘드리아의 융합 단백질인 OPA1의 돌연변이는 상염색체 우성의 광학 위축을 야기한다. 반면에 mitofusin 2 의 돌연변이는 말초신경질환, Charcot-Marie-Tooth 2를 야기한다. 미토콘드리아 질병은 미토콘드리아의 대사 단백질에 대한 유전자의 결함으로부터도 나타날 수 있다.

Nuclear-Cytoplasmic interaction diseases

  기능적 핵 DNA와 mtDNA 미토콘드리아 유전자의 서로 맞지 않는 상호작용으로부터도 질병이 나타날 수 있다. 한 가족에서 encephalomyopathy에 심한 영향을 받은 남성의 골격근에는 complex I이 거의 없는데, 유전적 분석으로부터 X-연관 complex I NDUFA1 유전자의 핵 DNA에 변이가 있는 것으로 나타났다. 이는 compelx I 특이 활성을 40% 감소시킨다. 모계 계통의 구성원은 2개의 mtDNA missense 돌연변이가 있었다. 이들은 complex I 특이 활성을 30% 감소시켰다.

  남성은 X염색체를 어머니로부터 물려받고, mtDNA도 모계로 유전된다. mtDNA 변이가 핵 DNA의 NDUFA1 변이와 함께 만났을 때, 서로 호환되지 못해서 완전한 complex I의 결핍이 일어난다.

<Intraovarian mtDNA selection and Human adaption>

  ND6 frame shift mtDNA 돌연변이의 선택적이고 방향성있는 손실은 여성 생식계가 심하게 해로운 mtDNA 돌연변이에 대해 난소 내부에서 선택할 수 있는 능력을 갖기 때문인 것으로 나타났다. 심지어 더 나은 mtDNA 돌연변이는 전달을 허용했다.

  포유동물의 난소는 매우 해로운 mtDNA missense mutation을 지니는 원시난모세포(proto-oocytes)를 선택적으로 제거하는 시스템을 갖는 것으로 보인다. 배란전 여포에서의 apoptosis는 증가된 산화적 스트레스에 의해 유도되는 것으로 보여지기 때문에, 심한 mtDNA 돌연변이가 많은 비율로 존재하는 원시난모세포는 많은 활성산소종(ROS)을 생산하므로 apoptosis에 의해 선택적으로 제거될 수 있다.

이러한 선택은 mtDNA 유전학의 수수께끼를 해결해 주었다. mtDNA의 돌연변이율이 매우 높지만 mtDNA 단백질은 매우 보존적이며, 생명을 위해 절대적으로 필요하다. 왜 높은 mtDNA 돌연변이율이 종의 멸종으로 이어지지 않을까?

  답은 난소 내부의 선택을 통해 대부분의 해로운 변이가 배란되어 다음 세대로 전달되기 전에 제거해버리기 때문이다.

  이러한 선택적 필터링은 높은 돌연변이율이 이익이 될 수 있게 도와준다. 높은 돌연변이율은 끊임없이 치명적이지 않은 mtDNA 변이를 집단에 유입시킨다. 이들 기능적 변이는 환경 변화에 특이적으로 적응할 수 있도록 원료를 제공해준다. 더 나아가서 소집단 격리를 위한 단계가 일어나면서 궁극적으로 종분화가 발생할 수 있다.

- 이 글은 생명과학 블로그 (http://biosci.tistory.com/70)에 동일하게 올라가 있습니다.

- 출처 : Brigitte Pakendorf and Mark Stoneking, Annu. Rev. Genomics Hum. Genet. 2005. 6:165.83
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Introduction

   인류의 미토콘드리아 DNA (mitochondrial DNA; mtDNA)는 원형의 이중나선 분자로, 16,569bp의 길이에 산화적 인산화(oxidative phosphorylation) 시스템을 위한 13개 subunit, 2개의 ribosomal RNA (rRNA), 22개의 transfer RNA (tRNA)를 암호화하는 유전자가 포함되어 있다. 미토콘드리아 DNA는 하나의 세포 안에 수백~수천개의 사본이 존재하며, 세포질에서 세포의 에너지를 생성하는 소기관인 미토콘드리아에 존재한다. MtDNA는 control region이라 부르는 약 1,100bp 길이의 조절 부위를 제외하고 대부분이 coding DNA로 구성되어 있다. 25년 전에 처음 연구된 이후 인류 진화, 이주, 그리고 집단 역사의 연구에 폭넓게 이용되었다. MtDNA가 폭넓게 이용된 까닭은 많은 사본수, 모계 유전, 재조합의 부재, 핵 DNA보다 높은 돌연변이율과 같은 특징들 때문이다.

Properties of human mitochondrial DNA (인간 미토콘드리아 DNA의 특성)

1. High Copy Number (많은 수의 사본)

   미토콘드리아 DNA는 세포 내에서 많은 수의 사본이 존재한다. 평균적으로 체세포에서 핵 DNA는 두 개의 사본이 존재하지만, mtDNA는 수백~수천개의 사본이 존재한다. 또한 mtDNA는 세포질에 위치해서 분석에 필요한 mtDNA를 얻기 쉽기 때문에, 고대 DNA와 특정한 법과학적 DNA 분야에서 많이 이용된다.

  개체 내에서 mtDNA 유전체의 여러 사본들이 반드시 모두 일치하지는 않는다. 개체 내에 다른 mtDNA 타입이 존재하는 것은 heteroplasmy라고 한다. 현재 가장 적합하게 계산된 heteroplasmy의 빈도는 집단의 14%가 두 개의 mtDNA 타입을 가지며, 그 두 번째 타입은 최소 1%의 빈도로 존재한다. 즉, 우리 몸 안에 있는 1조개 이상의 mtDNA 유전체 사이에는 하나 이상의 mtDNA 타입이 존재한다. 그러나, 개체 내에서 mtDNA는 전체적으로 동일하게 나타나는데, 그 이유는 난자형성 초기에 나타나는 상당한 병목현상 때문이다 (그림 참조).

2. Maternal Inheritance (모계 유전)

  일부 생물의 경우에는 mtDNA가 부계 유전되기도 하지만, 최근까지 인간 mtDNA의 모계 유전은 확고부동한 정설로 여겨졌다. 이러한 단방향 유전은 mtDNA의 가장 큰 장점 중 하나로, 집단의 모계 조상에 초점을 맞춰서 시간을 거슬러 연관된 계통의 추적을 가능하게 한다. 그러나 최근, 일부 운동 과민증을 가진 사람의 근육 mtDNA에서 부계 유전된 경우가 보고되면서 mtDNA의 모계 유전에 대한 확실성에 의심이 생기게 되었고, 모계 유전의 가정을 기반으로 추정된 인류 집단과 역사에 대해 주의해야 한다는 목소리가 높아졌다. 이후 더 많은 미토콘드리아 근육 질환 환자를 조사하였으나 부계 유전의 경우는 더 이상 나타나지 않았다.

  부계 mtDNA 분자의 정상적인 인식과 제거가 붕괴되면 mtDNA의 부계 유전이 충분히 가능할 수 있으며, 매우 드물게 일어나는 현상이다. 이후 수천의 모계 자손 비교를 통해 부계 유전을 확인하려 했으나 실패했다. 그러므로, 현재 인류에서 mtDNA의 모계 유전은 여전히 규칙으로 간주할 수 있다.

3. Lack of Recombination (재조합의 부재)

   다른 분자 인류학의 원리는 mtDNA는 재조합을 하지 않는다는 것이다. 이것은 1999~2000년까지 사실로 여겨졌으나, 이후 네 편의 논문에서 인류 mtDNA에서의 재조합에 대한 증거를 주장했다. 그러나, 이어서 계통유전학적/통계학적 연구에 결점이 있는 데이터와 의심되는 통계 분석 방법을 이용한 것으로 나타났으며, 재분석 결과 유의한 차이가 없는 것으로 나타났다. 결국 이 발견은 서열 정렬의 오류 때문으로 밝혀졌으며 철회되었다. 이어진 연구로, 완전한 mtDNA 염기서열의 거대 데이터 세트로부터 연관 불평형과 거리의 상관관계를 조사한 결과 재조합의 증거를 발견하지 못했다. 그러나, 최근 인간 mtDNA에서 모계와 부계 mtDNA를 모두 가진 경우에는 재조합이 존재하는 것으로 보고되었다. 이러한 발견은 미토콘드리아도 기능적인 recombinase를 갖고있기 때문에 재조합이 가능하다는 것을 나타낸다. 그렇지만 부계 mtDNA의 누출이 매우 드문 현상이기 때문에, 재조합은 주요한 문제가 아니며, heteroplasmic DNA 분자가 없다면 어떤 재조합이 일어나도 결국 원래와 같은 mtDNA가 남게 될 것이다.

4. Mutation Rate (돌연변이율)

   MtDNA의 돌연변이율은 control region을 제외한 전체 유전체에서 0.017x10-6/site/year 로 계산되었다. 그러나, noncoding control region의 두 고변이부위 (HVR I, HVR II)의 비율은 훨씬 높다. 계통유전학적 비교에서 돌연변이율은 0.075x10-6/site/year 로 계산되었다.그러나 가족 또는 뿌리깊은 가계에서 mtDNA 돌연변이를 직접 조사한 결과는 0.0~1.46x10-6/site/year 이고, 전체 평균은 0.47x10-6/site/year 로 나타났다. 이것은 계통유전학적 계산값보다 훨씬 높은 것이다.

   인류 mtDNA에서 계통유전학적 기반과 가계도 기반의 돌연변이율 계산 불일치에 대한 가장 좋은 설명은 빠르게 진화하는 부위가 가계도 연구에서 우선적으로 발견되는 반면에, 계통유전학적 연구는 서서히 진화하는 부위에서까지 선발된다. 그러나, Howell 등은 이러한 차이가 한가지 원인이 아니며, 돌연변이 hot spots, 유전적 부동, 선택, 재발 돌연변이의 탐지 부족 등 때문이라고 주장했다. 계통유전학적인 변이율은 깊은 역사의 연구에 바람직한 반면, 최근 역사의 연구에 대해서는 가계도 변이율을 이용하는 것이 현명할 것이다. 이에 대한 대안으로, 집단 역사의 연구는 다른 진화율과 변이부위의 다른 종류를 가능하게 하는 모델을 혼합할 수 있다. 그러므로, 인류 mtDNA에 대한 돌연변이율의 평균 계산값이 실제 사건의 상태를 반영하지 않고, 계통유전학적 연구를 위한 단순화된 도구로써 볼 수 있을 것이다.

Human Mitochondrial DNA Variation (인간 미토콘드리아 DNA 변이)

1. What is Studied?

   인류 mtDNA 변이의 연구 초기에는 제한효소 절편 길이 다형성(RFLPs)을 기반으로 연구하였다. PCR과 PCR 산물의 빠른 염기서열 분석방법이 출현하면서, PCR 산물의 RFLP 분석, PCR 산물의 RFLP 분석뿐 아니라 control region의 첫 번째 고변이부위 (HVR I)의 분석도 수행되었다. 최근 몇 년동안, 고효율의 염기서열 분석 기술의 발달과 함께, 전체 미토콘드리아 유전체의 염기서열을 분석하는 것이 점점 일반화되고 있다. 전체 유전체 염기서열을 기반으로 한 계통유전학적 트리들은 HVR1 염기서열보다 더 나은 해상도를 제공하지 못했다. 잠재적인 미래 발달은 mtDNA를 위해 염기서열분석 microarray를 사용할 것이며, 이 방법은 임상 목적을 위해 성공적으로 테스트하였다. 전체 mtDNA 유전체 염기서열 연구에서는 아직까지 RFLP와 HVR I 염기서열 연구에 의해 이미 밝혀진 것 이상을 보여주지는 못했다. RFLP와 HVR I 염기서열과 비교해서 전체 genome 염기서열을 얻는데 들어가는 추가적인 비용과 노력을 생각하면, coding region 염기서열을 이용하는 것도 좋은 대안이 될 수 있다.

2. How are the Data Analyzed?

   인류 진화를 연구하는데 mtDNA를 이용하는 방법에는 두 가지, 계통-기반 방법과 집단-기반 방법이 있다. 계통-기반 방법은 하플로그룹이라고 부르는 mtDNA 계통의 역사를 해결하려고 하는 것이다. 반면에 집단 기반 방법은 개체별 집단의, 지리적 지역, 또는 인류 집단 그룹을 이용한 집단의 이동을 연구하기 위한 것이다. 하플로그룹은 공유하는 돌연변이에 의해 정의되는 서열의 연관된 그룹을 나타내며, 지역적 특이성을 보이는 경향이 있다. Macrohaplogroup L과 그 하위그룹인 L1, L2, L3는 아프리카에 국한되어 있으며, macrohaplogroup M과 N은 동부아프리카의 L3에서 기원하였고 유라시아와 신세계로 퍼져나갔다. 하플로그룹 H, I, J, N1b, T, U, V, W는 유럽인 계통 사람들의 특징이고, 하플로그룹 A, B, C, D는 시베리아에서 우세하게 나타나는 하플로그룹 G, Y, Z와 함께 아시아와 신세계에서 발견된다. 하플로그룹이 mtDNA의 공통 조상을 반영하기 때문에, 알려진 이주 경로에 거주하거나 다양한 지리적 지역으로부터 기원한 집단내의 혼합 비율을 계산하는데 유용하게 이용될 수 있다.

   하플로그룹을 연구하면서 계통-기반 방법이 갖는 문제점은 그것이 단지 하플로그룹 자신의 역사만을 밝히는 것이고, 그들이 존재하는 개체별 집단의 역사에 대한 직접적인 관점을 제공해주지는 못한다. 집단의 연령과 하플로그룹의 연령을 동등하게 다루는 경향이 있는데, 각 개체별 하플로그룹의 분포는 이주하여 분리된 것을 반영한다고 추정할 수 있다. 이주하는 집단에서 하플로그룹의 연령은 이주할 때가 아니고 하플로그룹을 정의하는 점돌연변이가 나타난 시기를 의미한다. 유사이전의 인류 역사를 연구하기 위해, 집단 유연관계를 조사하는데 통계학적인 방법을 이용하는 것이 결정적이다. 예를 들면, 트리 또는 다차원 척도 (multidimensional scaling, MDS) 플롯 (그림 2)에서 유전적 거리 값을 계산하거나 집단 유연관계를 시각적으로 보여줄 수 있다.

3. What Have We Learned?

   MtDNA 분석의 중요한 발견 중 하나는 현대 인류 기원의 "최근의 아프리카인 기원“ 가설이 확실한 사실로 되었다는 것이다. 전 세계 집단의 mtDNA 변이 연구는 이 가설에 대한 증거를 계속해서 발견하였다. 인류 mtDNA의 가장 최근의 공통 조상(TMRCA, the most recent common ancestor)은 약 100,000~200,000년 전에 아프리카에 위치해 있었다. 게다가, 네안데르탈인의 화석과 유럽의 초기 현대 인류로부터 mtDNA를 직접 분석했으나, 현대 인류에서 네안데르탈인 mtDNA의 기여는 나타나지 않았다.

   MtDNA 연구로부터 얻은 또 다른 관점은, 인류 집단을 형성하는 이주에 대해 더 잘 이해하게 되었다는 것이다. 그러나, mtDNA는 단지 하나의 유전자좌밖에 없고, 집단의 모계 역사만을 반영한다. 단일 유전자좌의 역사는 기회(chance, drift) 효과 또는 유전자좌에 작용하는 선택 때문에 집단의 역사를 정확하게 반영할 수 없다. 그러므로 더 명확하게 하기 위해서, mtDNA 변이의 연구는 남성 특이적인 Y-염색체에 대한 데이터로 보완할 필요가 있고, 상염색체 데이터와 함께 조사하는 것이 이상적이다.

   그러나, 최근 조심스럽게 고려할 필요가 있는 몇 가지 심각한 문제에 직면했다. 첫째, mtDNA가 핵에 삽입된 numts가 생각보다 더 일반적으로 존재한다는 것이다. 인간 유전체 서열의 분석 결과 250에서 600개 사이로 다양한 길이의 삽입된 서열이 발견되었으며, 가장 큰 조각은 전체 미토콘드리아 유전체를 거의 다 포함한다. 핵 유전체에 있는 미토콘드리아의 삽입체는 핵의 돌연변이율로 진화하기 때문에, numts는 “분자 화석”으로 이용될 수 있다고 알려져 있다. 그러나 numts는 표준적인 방법으로 조사할 경우 감지할 수 없다. 그리고 numts의 결과를 실제 mtDNA 염기서열이 나타난 것으로 생각하여 잘못된 계통학적 또는 의학적 결론을 내릴 수 있다.

   두 번째 문제는 발표된 데이터에서 quality control이 부족하다는 것이다. 잘못된 mtDNA 서열이 출판되고 데이터베이스에 등록되었다는 보고가 증가하고 있다.  집단 유전학과 진화 연구에서 이용되는 데이터는 품질이 높은 것이 바람직하며, sequencing artefact의 탐지를 돕는 통계학적 방법이 유용할 수 있다. 그렇지만, 통계학적인 분석만으로 모든 에러를 발견할 수는 없고, 실험실 실험을 결코 대신할 수 없다.

   세 번째 심각한 논점은 mtDNA가 선택적으로 중립이 아니라는 증거가 증가하고 있다는 것이다. 몇 가지 미토콘드리아 유전자에서 nonsynonymous 돌연변이의 비율은 인간에서 synonymous 돌연변이보다 더 높다. 이것은 대부분의 돌연변이가 조금 덜 해롭기 때문이며, 그들은 집단 내에서 다형성을 이룰 수 있지만 고정되지는 않기 때문에 종 사이에서의 차이는 만들지 않는다. 그러나, 재발 돌연변이는 탐지할 수 없기 때문에, 종 내에서 다형성이 지나치면 종 사이에서의 실제 분기가 적게 평가될 수 있다.

   또한 mtDNA 하플로그룹에서 보여지는 지리적 변이는, 인류가 아프리카로부터 다른 기후 조건으로 퍼진 것과 같이, 특정 계통에서 선택적으로 작용할 수 있다는 것을 반영한다고 주장한다. 그러나 이들은 이들 하플로그룹을 갖는 개체들에서 산화적 인산화에 기능적인 변화가 있는지는 추가적인 생화학적 분석을 필요로 한다.  Elson 등은 560개의 coding region 염기서열 데이터에서 기후에서 유도된 지리적으로 다양한 선택에 대한 증거를 찾지 못했다. 그들은 주로 ATP6를 제외한 13개의 단백질 암호화 유전자에서 작용하는 negative selection에 대한 증거를 발견했다. 전체적으로 일치하는 내용은 인간의 mtDNA에 주로 정제되는 선택이 작용한다는 것이다. 이것은 neutral한 진화가 유지되지 않을 수 있다는 가정과 마찬가지로, mtDNA 데이터를 이용해 계통유전학적 사건을 구성할 때 주의해야 한다는 것을 의미한다. 그러나, 아프리카 기원과 이후 현대 인류의 세계적인 분산과 같은 mtDNA 연구의 기본적인 결과는 non-neutral 진화에 의해 영향받지 않는다.

4. What is mtDNA Still Good For?

   비록 mtDNA가 인류 진화와 집단 역사를 설명할 수 있는 마커로서는 덜 이용될 것이지만, 많은 의문들을 위해 여전히 중요하다. 무엇보다도, 일부다처, 모계주의대 부계주의의 영향, 또는 카스트 제도에 의해 유도된 사회 계층화 등의 인류 진화에 영향을 미칠 수 있는 사회-문화적인 영향들을 밝히는데 유용하다.

   더욱이, mtDNA의 많은 사본 수 덕분에, mtDNA는 고대 DNA와 일부 법과학적인 분야에서 중요하게 이용될 수 있다. 오래된 화석 샘플에는 오직 mtDNA만 남아있기 때문에, mtDNA만 고대 집단의 유전적 유연관계를 알려줄 수 있다. 그러나 고대 DNA 연구의 주요 문제점은 현대 DNA의 오염인데, 불행히도 이 문제는 넓게 인식되지 못하고 있다. 이것은 특히 현대 인류의 고대 샘플을 분석할 때 문제가 된다. 오염된 mtDNA와 고대 DNA에 차이가 없기 때문이다. 그러므로 현대 인류에서 고대 DNA의 연구를 평가할 때에는 더 주의해서 실험해야 한다.

   법과학 분야에서, mtDNA의 이용은 확인할 수 없는 희생자의 식별을 가능하게 해준다. 이것은 전쟁 또는 테러의 희생자와 연관해서 점차 이용이 증가하고 있다.

   마지막으로, mtDNA의 소위 개인화된 유전적 역사에의 이용이 증가하고 있다. 이는 이주민/노예 조상의 기원을 추적하는 등 개인의 가계를 조사하는데 유전적 검사를 이용하는 것이다. 불행히도 이 검사에 mtDNA를 이용하는 것은 일반적인 고객들이 알아챌 수 없는 어려움이 뒤따른다. 예를 들어, 많은 사람들은 이같은 검사로 그들이 어느 마을에서 왔는지와 같은 특정 지역의 기원을 알 것으로 기대한다. 그러나 사실은 현재 mtDNA 데이터베이스가 그만큼 충분히 자세하지 못해서, 일반적인 mtDNA 타입은 특정 지역을 지적하는 것과 같이 충분한 지리적 특이성을 보여주지 못한다. 더욱이 많은 고객들이 그들의 생물학적 조상이 기원한 장소와 그들의 모계가 기원한 곳이 동일한 것으로 혼동한다. 기억해야 할 것은 mtDNA가 전체 인류 유전체의 0.0006%만을 포함한다는 것이다. mtDNA 분석은 인류 집단의 역사와 진화를 이해하기 위해서 유용하고 계속 연구되어야 하지만, 개인의 유전적 조상에 대한 의문을 가질 때에는 유전체의 나머지 99.9994%에 있는 일부 정보를 이용하는 것이 바람직할 것이다.

  본 내용은 수업 발표를 위해 준비했던 "Mitochondrial DNA and Human Evolution" (Brigitte Pakendorf and Mark Stoneking, Annu. Rev. Genomics Hum. Genet. 2005. 6:165.83) 논문의 번역한 내용을 정리한 것입니다. 일부 그림은 인터넷에서 가져왔습니다.