유전 정보가 DNA의 염기 서열을 통해 세대에서 세대로 전달된다는 것은 잘 알려져 있습니다.
이러한 유전자의 구조와 정보를 연구함으로써 질병의 해명, 생물학적 진화의 역사, 복제 및 iPS 세포를 위한 이정표가 설정될 것입니다.
우리의 목표는 인간의 게놈도 해명하는 것입니다.
‘인간 게놈 프로젝트’를 진행했습니다.
DNA 시퀀싱을 통해 정보가 밝혀지고 모든 것이 밝혀질 것이라고 믿었습니다.
1.8m의 DNA를 어떻게 얻습니까? 유전자가 깨지면? 그러나 동시에 “유전정보는 염기서열만 담당하는 것이 아니다”라는 문제가 발생했다.
오늘날 흔히 말하는 후성유전학(Epigenetics)은 각 세포의 유전정보와 이를 연구하는 학문분야 내에서 DNA 염기서열 이외의 정보를 말한다.
게놈 시대의 새로운 “문제”
금세기 초에 많은 유기체의 게놈이 배열되었습니다.
이후 현재는 이른바 포스트 게놈 시대다.
포스트 게놈 시대에 유전체 정보의 중요성, 유전체에는 구체적으로 어떤 정보가 포함되어 있는지, 이 정보가 어떻게 활용되는지에 대한 기본 구조가 더욱 밝혀졌다.
또한 게놈 염기서열의 차이와 무관하게 세포분열 후 유전되는 정보에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
이 정보의 대부분은 단일 게놈 정보로부터 세포가 어떻게 다르게 만들어지는가 하는 문제와 또한 DNA가 세포핵에 어떻게 존재하는가 하는 문제와 관련이 있는 것으로 알려져 있다.
이번에는 각 세포가 가지고 있는 유전정보 중 DNA 염기서열 이외의 정보인 “후성유전학”에 대해 설명드리겠습니다.
세포 기억을 담당하는 후성유전학
후생유전학적 정보는 우리 몸이 서로 다른 유형의 세포로 구성되어 있고 모두 기본적으로 동일한 게놈 DNA를 가지고 있으며 각각의 특징적인 유전자 세트가 사용된다는 것입니다.
또한, 수정란 세포가 분열하여 신체의 구조를 형성하는 소위 발달 과정에서 각 세포가 미래에 어떤 신체 부위를 구성할지 운명은 게놈 DNA에 업로드된 프로그램에 의해 결정됩니다.
따라서 각 셀은 지금까지 어떤 운명적인 결정을 내렸는지에 대한 정보를 유지해야 합니다.
그러나 이 정보는 DNA의 염기서열에서 찾을 수 없기 때문에(모든 세포의 DNA는 동일하기 때문에) 다른 형태로 기록되어야 한다.
이 DNA 뉴클레오티드 서열 이외의 정보는 세포 기억, 즉 비유전적 정보로 표현된다.
이러한 정보를 조사하는 연구 분야를 후성유전학이라고 합니다.
다른 많은 용어와 마찬가지로 후생유전학의 정의는 역사적으로 변했거나 연구자에 따라 미묘하게 달라졌으나 여기서는 위와 같이 정의한다.
비유전적 정보는 1942년 웨딩톤으로 세포기억과 관련된 형태로 제안되었다.
1957년에 Weddington이 출판한 유명한 그림이 있습니다.
이 이미지의 공은 세포를 나타내며 위에서 아래로 구르면서 여러 분기점에서 결정되는 운명의 개념을 나타냅니다.
그리고 이 운명을 결정짓는 상황은 비유전적 정보로 세포에 저장된다.
중요한 점은 세포가 운명이 결정될 때까지 미분화 상태로 여러 번 분열한다는 것입니다.
즉, 뉴클레오티드 서열 정보와 같은 비유전적 정보는 세포 분열 중에 복제되고 유전되어야 합니다.
비 유전 정보가 자손에게 전달됩니까?
생식 세포에서 지워지긴 했지만, 특별한 사건도 보고되었습니다.
그러나 그것은 체세포 분열 시대의 이야기입니다.
비유전적 정보는 자손에게 전달되지 않는다는 것은 일반적으로 알려져 있습니다.
이것이 DNA 뉴클레오티드 서열로 설명되는 유전 정보와 비유전적 정보의 주요 차이점입니다.
대부분의 후생유전학적 정보가 후손에게 전달된다면 기린의 목이 길어져 키 큰 잎을 먹는다거나 바람의 목이 길어진다는 라마르크의 진화론을 뒷받침하게 되는데 오늘날 근본적으로 거부되고 있다.
즉, 비유전적 정보는 생식세포에서 소실(초기화)되어 자손에게 유전되지 않는 것으로 알려져 있다.
그러나 위에서 설명한 바와 같이 일부 예외적인 유전 현상이 보고되었으며 비유전적 정보도 조건부로 유전될 가능성이 있습니다.
또한, 세포의 비유전적 정보 전체를 비유전적 정보라고 한다.
양자 용어 간의 구분은 그다지 엄격하지 않으며 비유전적 정보와 비유전적 정보를 교환하는 데 문제가 없습니다.
삼색고양이는 후생유전학으로 설명할 수 있다
삼색고양이 사례는 후성유전학적 설명에 자주 사용되기 때문에 여기서도 간략하게 제시한다.
삼색 고양이의 털 색깔 중 갈색과 검은색에 관련된 유전자는 흔히 X염색체에 존재한다.
Mendel은 완두콩 형질(크고 작은 등)의 유전을 설명하기 위해 크고 작은 형질에 해당하는 유전자를 추측했습니다.
이것은 여러 종류의 유전자가 주어진 염색체 위치에 새겨져 있고 모계와 부계 유전의 상동염색체에 다양한 조합으로 보존됨을 의미한다.
이러한 유형의 유전자를 대립유전자라고 합니다.
고양이의 털 색깔이 갈색인지 검은색인지는 멘델 유전의 대립유전자 관계에 해당합니다.
성염색체는 여성 세포가 X 염색체라고 하는 한 쌍의 부모 염색체를 가지고 있지만 남성 세포는 X 염색체, Y 염색체 및 이종 염색체 쌍을 갖는 특수 세포입니다.
Y 염색체는 너무 작고 소수의 유전자만 포함하므로 남성 세포에서는 하나의 X 염색체만이 완전한 기능을 합니다.
반면 여성세포에는 X염색체가 2개 있기 때문에 X염색체 불활성화라는 시스템이 있는데, 양쪽 염색체에 있는 유전자만 작용하기 때문에 사람은 작용하지 않는다.
그리고 고양이 세포에는 X 염색체가 하나만 있기 때문에 모든 세포는 동일한 대립 유전자를 가지며 검은 색과 갈색이 혼합 된 삼색 고양이는 원칙적으로 수컷이 없습니다 (극히 특별한 메커니즘으로 인해). 예외).
반면 암컷 고양이는 두 개의 X염색체 중 하나가 비활성인데 어떤 염색체가 비활성이 될지는 후생유전학적 기전에 의해 결정된다.
즉, 기본적으로 각 세포에서 무작위로 선택되며 각 염색체에 갈색과 검은색 대립유전자가 존재할 때 복잡한 패턴이 나타난다.
비유전적 정보의 실체는 무엇인가?
“DNA 메틸화” 및 “히스톤의 화학적 변화”
인간을 포함한 진핵생물의 DNA는 히스톤, RNA 등의 단백질 복합체인 크로마틴(chromatin)이 염색체라는 단위로 나누어진 형태로 직경 약 10μm의 핵 안에 존재한다.
비유전적 정보의 분자 물질은 주로 이 염색질이 겪는 다양한 화학 반응인 “번역 후 변형”을 통해 실현됩니다.
즉, 히스톤 단백질과 DNA 분자 자체가 변형될 수 있습니다.
또한, 이러한 변형의 여러 유형, 특히 DNA 메틸화는 진정세균과 같은 광범위한 종에서 발견되지만 진핵생물에 존재하는 제어에 관여하는 정도는 아직 알려지지 않았습니다.
외래 정보 저장 시스템은 기본적으로 포유류에 존재합니다.
또한, 유전체 정보와 비유전적 정보를 비교할 때, 유전체 정보는 염기서열에 의해 고유하게 특정되는 반면, 비유전적 정보는 외부 환경 등에 따라 쉽게 변화될 수 있다고 할 수 있다.
이것이 꼭 나쁜 것만은 아니라 외부 환경에 능동적으로 적응할 수 있는 가소성 구조를 갖고 있다는 시각도 있다.