🚀궤도사령부(궤도)

의사-과학자가 알려주는 DNA 변이, 진화의 원동력

궤도

rgmq19

137

23.02.13

안녕하세요.

컴퓨터로 DNA, RNA 등 데이터 분석해서

당뇨병, 뇌하수체 연구하는 내분비내과 전문의 트수입니다.

여느때처럼 다시보기 라디오로 듣다가 헐레벌떡 뛰어왔습니다.

아까 월드컵 방송 중에 침궤님 그리고 개청자들이 한창 설왕설래했던 진화 파트에서

“생명체의 다양성이 왜 발생할까?“

“변이가 다양성을 촉발하는 건 알겠는데, 그 변이는 왜 발생하는 건가?”

등 방장 님의 질문이 덜 해소된 것 같아 글 남깁니다.

워낙 복잡한 내용이기에 압축적으로 써도 장문이지만,

한번쯤 일독 해보시면 충분히 이해가 되실 겁니다.

1. LUCA, 그리고 “생명체의 중심원리”

현존하는 모든 생명체는 “LUCA” 라는

단일 미생물에서 진화된 걸로 추정되고 있습니다.

말 그대로 “모든 것들의 신” 입니다.

현재 모든 생명체 시스템의 삼박자 요소, 즉

1) DNA: 세포의 설계도면이자 유전물질, 매우 안정적.

2) mRNA: DNA 유전자 부위의 사본, 불안정함.

3) 단백질: mRNA의 서열을 바탕으로 아미노산을 조립하여 생산.

생명체의 세포 내적, 외적 기능적 단위

이 체계는 자그마치 수십억년 전인 LUCA 대에서도

이미 완성돼있던 것으로 보입니다.

LUCA는 “DNA의 사본인 mRNA를 기준 삼아 단백질을 만드는”,

생명체의 중심원리라는 시스템을 통해,

해저의 열곡 근처 아주 뜨거운 환경에서

유기물 대사를 하며 번영했던 것으로 추정됩니다.

2. LUCA 이전, RNA 월드 가설

LUCA 역시 진화의 산물입니다.

지구상에 다양한 유기분자들이 형성된 이래

스스로 복제하는 유기분자 들이 우연히 생겨났을 거고,

이중 스스로 복제하는 RNA가 아마

LUCA 보다 훨씬 이전의 조상이었을 것이라는

“RNA 월드 가설”이 가장 지지받고 있습니다.

왜 RNA냐 하면..

RNA는 DNA처럼 염기서열을 통해 정보저장이 가능하고,

단백질처럼 생체 내 다양한 기능을 할 수 있거든요.

다만 워낙 불안정하고 잘 분해되기에..

DNA (설계도, 유전),

단백질 (기능적 단위)에게 각 역할을 내어주고

RNA 본인은 제한적인 역할만 담당하게끔

변화한 것으로 추정되고 있습니다.

RNA 월드에서 영겁의 세월이 지나..

중심원리 (DNA→ mRNA → 단백질) 월드로 도달했고,

그중 해저 혐기성 미생물인 LUCA가 우연히

현존 모든 생명체들의 조상이 되었습니다.

3. DNA 변이는 왜 발생하는가?

이제 포스트-LUCA 생명체,

즉 [생명체의 중심원리]를 기본 옵션으로 갖춘

현재의 모든 생명체들은 어떻게 진화했을까요?

DNA의 변화 때문입니다.

안정적이라는 DNA도 조금씩 변하거든요.

세포가 분열을 하면, 핵의 DNA도 마찬가지로 복제 해줘야됩니다.

인간 세포 핵 DNA 1개는 약 30억 염기서열로 구성되어있습니다.

30억개를 완벽하게 복제하기는 어렵겠죠?

자동차나 제품들도 뻑하면 단차가 나지 않습니까.

물론 인간 정도의 고등 생명체는 복제 에러율이 매우 낮습니다.

심지어 다양한 복제 에러들도 완벽에 가깝게 수선하구요.

그러나 그중 최소 N 개는 놓칠 수 있습니다.

복제 대상이 30억개이니까요..

이외에도

자외선, 방사선, 흡연 같이 직접적으로 DNA를 타격 변형하는 “외부적” 원인도 있고

활성산소 등에 의해 DNA가 “내부적”으로 변형되기도 합니다.

때로는 그냥 DNA 이중나선이 똑하고 끊어지기도 하고,

오래된 염기의 화학기가 변형되어 “부식” 되기도 합니다.

부식의 예를 들면,

가령 말단에 메틸기가 붙어있는 특정한 사이토신 (C) 염기는

시간이 지나면 자발적으로 화학 변형되어 타이민 (T) 염기가 됩니다.

즉, 대강 정리하자면,

1) DNA 복제 과정 중 필연적으로 수반되는 랜덤한 오류

(게다가 오류를 100% 교정하지 못함)

2) 외부적 또는 내부적으로 DNA에 데미지를 주는 다양한 원인

(자외선, 활성 산소등),

3) DNA의 자발적인 화학적 변형

등이 주된 DNA 변이의 이유입니다.

대부분 “불가항력적 우연”이죠.

온갖 방어시설로 무장한 인간의 DNA만해도 저런데,

원핵생물의 DNA는 더 오류에 취약하고,

RNA는 뭐 그냥.. 허구한날 변형 됩니다.

4. 인간 DNA의 다양성은 왜 발생하나?

생명체의 진화는 본질적으로는 그 원리가 같기에,

인간에 한정하여 이야기 하겠습니다.

내 몸 이곳저곳에 쌓이는 변이는 그냥 나의 몫입니다.

이는 유전되지 않습니다.

이러한 변이를 체세포 변이 (somatic variant)라고 합니다.

체세포 변이가 마구마구 발생하기에,

내 몸 세포들의 DNA들은 모자이크마냥 미세하게 다릅니다.

그러다가 대장 세포의 “암 유전자”에 강력한 변이가 발생하면..

세포 분열의 조절 리미트가 해제되며 대장암으로 발전할 수 있습니다.

대부분의 암은 이러한 체세포 변이가 직접적 원인입니다.

근데 만약 체세포 변이가 정자, 난자에 발생한다면?

엄마 아빠의 소싯적 DNA에서는 찾아볼 수 없던 변이가

이 정자, 난자로 수정된 아이의 DNA에는 새롭게 관찰되겠죠.

이렇게 탄생한 변이는 아이의 아이의 아이.. 대를 이어가며

계속 잔존하게 됩니다. 이렇게 어느 순간 생성되어

대물림되는 변이가 바로 생식세포 변이 (germline variant) 입니다.

한국인 게놈 데이터를 들여다 보면, 인간의 표준 염기서열 대비

통상 한 사람이 태어나 가지는 “신규” 생식세포변이가 30-100개 정도라고 합니다.

이렇게 특정 세대에서 생긴 생식세포 DNA 변이들이 누적되어

인간들은 다양한 DNA 구성을 갖게됩니다.

5. 생명체 진화의 원동력 - DNA 변이

이제 이러한 랜덤 생식세포 DNA 변이에 의해 촉발된 형질 차이가

“주위 환경 적응에 유리한가 불리한가“

등등의 진화 논리를 통해 번성 혹은 도태되며 분기됩니다.

특정 환경에서 유리한 변이는 점점 집단 내 비율이 증가하고,

반대로 불리한 변이는 비율이 감소합니다. (진화적 선택압력)

영겁의 세월을 거쳐 인간들 역시 다양하게 나뉘어 현재의 구성이 되었고,

어느 정도 기준치가 넘어가면 새로운 종이 탄생하게됩니다.

이 원리를 인간에 국한하지 않고 역사상 생명체 전체로 확장시키면

우리가 아는 진화계통 그림이 나오게 됩니다.

인간처럼 유성생식을 하는 경우는 위와 같이 복잡하게 진화하지만,

단순 분열을 통해 번식하는 생명체는 그저 “세포 DNA 변이” 만으로도

내 자손과 나의 DNA가 다이렉트하게 달라지게 되겠죠?

DNA 다양성을 일으키는 원인들,

그리고 진화의 세부 원리는 이외에도 조금 복잡하지만

현대 생명체들의 진화를 일으키는 근본적인 힘은

DNA의 랜덤하고 불가항력적인 변화입니다.

궤도

23.02.14

BEST

재미있게 잘 읽었습니다 :)

멋진 글 써주시느라 고생 많으셨어요!

rgmq19 글쓴이

23.02.13

BEST

최소 수십쪽 리뷰논문, 텍스트북 정도의 내용이라

한바닥으로 정리하는 것이 한계..

호질시즌2기원1일차

23.02.13

세줄요약이 빠졌어요

rgmq19 글쓴이

23.02.13

BEST

최소 수십쪽 리뷰논문, 텍스트북 정도의 내용이라

한바닥으로 정리하는 것이 한계..

파김치갱

23.02.13

저장해 뒀다가 너무너무 궁금해지면 읽어봐야겠다

뿌듯맨

23.02.13

https://resources.chimhaha.net/comment/1676294671218-qkkbiitmhi.jpg

500ml

23.02.13

돌격대장복실이

23.02.13

저는 이 의견에 반대합니다!

왕오징어

23.02.14

아뇨 저는 찬성입니다

AliExpress

23.02.14

당뇨민수야 고맙다!

여름이었다

23.02.14

루카 루카 나이트피버~

무야자기무야호

23.02.14

맹대곤영감

23.02.14

정리 완전 잘하셨네요

레뷰네요

23.02.14

오우 쎈뜨럴도그마

키타키타키타

23.02.14

헐 모든 것의 신이 진짜 있을 줄이야

앞으로는 모든 것의 신 'LUCA'라고 불러야겠군요

맛있는곰팡이

23.02.14

생명과학 대학교 강의 1~2시간 분량 뚝딱ㄷㄷ

비전공자들은 이해하기 좀 어려운 부분도 있을 것 같지만 정리를 간결하게 잘해주셔서 정말 재밌게 읽었습니다!

유전학, 진화생물학이 매력적인 이유는 특정 형질에 대한 우열이 없다는 데에 있다고 생각합니다. 환경에 따라서 유리하고 불리해질 뿐.

rgmq19 글쓴이

23.02.14

감사합니다. 사실 우열도 굉장히 오래된 개념이긴 합니다.

아주 극단적인 단일 유전 멘델 형질 (멘델 콩 색깔, 혈우병, 부신백질이영양증 등)에서나 적용되는 이야기인데,

너무 과대하게 모든 형질이 단일유전이고 우열이 있는 거 마냥 세간에 퍼져있는게 안타까워요.

국밥부장관

23.02.14

미래의 노벨상민수야 고맙다

온세상이병건

23.02.14

잘 정리돼서 술술 읽히는 글이네요

치므큭

23.02.14

설명 너무 좋아요 짧고 쉽게 적어주시려고 신경쓴게 느껴져요 꿀잼이라능

rgmq19 글쓴이

23.02.14

오.. 엄청 꾹꾹 눌러서 썼는데 알아봐주셔서 감사합니다.

궤도

23.02.14

BEST

재미있게 잘 읽었습니다 :)

멋진 글 써주시느라 고생 많으셨어요!

내가만약뇌속의AI라면

23.02.14

전공자도 아닌데 되게 흥미롭네요 학술용어가 나왔는데도 술술 읽히는게 신기해요ㅋㅋㅋㅋㅋㅋ 좋은 서술, 재밌는 요약 감사합니다

rgmq19 글쓴이

23.02.14

감사합니다~

무종섹

23.02.14

랜덤하게 변이된 유전정보에 의해 발현되는 형질이 운 좋게 생존 환경에 유리하면 진화로 연결되는 거라고 요약하면 될까요? 선택압이라는 개념도 궁금하네요

rgmq19 글쓴이

23.02.14

네 좋은 요약 감사합니다. 사실 대부분 변이는 무해 무익 하고, 심지어 형질을 드라마틱하게 바꾸는 변이는 굉장히 극소수이지만요..

선택압은 본문에 추가했는데, 대강 “이 변이가 여기 환경에서 개체의 생존에 fit하면 그 변이의 집단 내 빈도 수가 증가하고 (양성 선택압), 반대의 경우 빈도수가 감소한다. (음성 선택압)” 정도가 가장 쉬운 요약일 것 같습니다.

페이커굶긴철면수심

23.02.14

무친... 게놈민수야 고맙다

트위드재킷

23.02.14

https://resources.chimhaha.net/comment/1676302499415-ip8co6rzzdk.jpg

삼국군영전2해줘잉

23.02.14

와 알겠다(모름)

RJ45

23.02.14

유전민수님 고맙습니다. 그런데 저가요 궁금한게 있거등요?

메뚜기 예시를 들어보겠읍니다. 랜덤하게 갈색/초록색/노란색 변이가 일어난 메뚜기가 있다고 가정해볼때

그 메뚜기들의 서식지가 푸른 잔디밭이라, 초록색 메뚜기가 더 많이 생존, 더 많이 자손을 퍼트려서

오랜 시간이 지나면 초록색 메뚜기로 적자생존이 일어나고 진화가 이뤄지는거자나여??

RJ45

23.02.14

그런데 현대 인류에서는 사회 안전망의 수혜 덕분에 진화압이 작용하지 않을 것 같은데오.

(죽지도 않고 아이를 낳으니까여)

그럼 후생유전에 의해서만 진화가 이뤄지는걸까용??

아니면 오랜 시간이 지나면 현대 사회에서 필요로 하는 재능을 가진 사람들로 유전자풀이 채워지게 되는걸까용?

전공자가 아니라 질문 수준이 많이 낮지만 이해해주시면 감사하겠읍니다....

rgmq19 글쓴이

23.02.14

일단 후성유전학이 메인 유전요소가 된다는 건 아닐 것 같습니다.

그리고 사실 어려운 주제이긴한데, 어찌됐든 본문이 상술한 메카니즘들로 DNA 자체는 계속 변화할 것이기 때문에

생물학적인 진화는 가능할 것 같습니다. 물론 그 만큼의 시간스케일 전에 인간이 멸종하겠지만..

또 인간은 다른 종과는 유별날 정도로 아주 “선택적인” 짝짓기를 하기 때문에.. 이게 DNA 변이 생성과는 큰 관계 없어보이지만, 잘생기고 예쁘고 돈많고 똑똑한 사람들이 동류혼 (assortative mating)을 하기 시작하면서,

적어도 정자+난자 이배체로 태어난 자손들 표현형의 양극화도 가파르게 일어나는거 같아요,

RJ45

23.02.14

헉 정말로 그런 일이 일어나고 있군여...

후생유전학이 뜨거운 감자라는 것과 함께 전쟁 예시밖에 들어본것이 없어 이해가 짧습니다요

답변 감사합니다!

@rgmq19

RJ45

23.02.14

@RJ45

배가놈스키야키

23.02.14

의사이시면서 생물정보학도 하신다니 ㅎㅎ 짱짱맨이시군요 ㅎㅎㅎ

종숙이

23.02.14

우엉쓰

23.02.14

너무 재미써 이런거 더 자주써줘

아드리안마르티네즈

23.02.14

체세포가 모자이크화 되어 있으므로, 체세포 복제로 클론을 만들어도 유전자 단위에서 100% 일치하지 않을 수도 있는 건가요?

rgmq19 글쓴이

23.02.14

네 맞습니다. 아마 체세포복제가 SCNT라 해서 체세포 하나의 핵을 떼어내, 공여받은 난자의 핵을 제거하고 치환하는 걸로 알고 있는데, 이 경우 해당 체세포의 단일게놈을 기준점 삼아, 다시 세포분열로 클론의 신체를 재구성을 해야하겠죠? 심지어 이렇게 새로 세포분열 하는 과정에서도 또 2차적인 체세포변이가 발생할겁니다. 더욱이 일란성 쌍둥이와 다르게, 복제할 나의 체세포는 그동안 내 몸에서 발생 및 나이들며 온갖 “후성유전학적 변화”, 예를 들면 DNA 메틸화 상태 변화나, 염색질의 열린/닫힌 공간의 변화, DNA 3차원 구조의 변화 등을 겪었을텐데.. 이들을 완전 공장 초기화하지 못한다면 DNA 서열 외적으로도 부가적인 차이가 발생할 수 있죠.

아드리안마르티네즈

23.02.14

복제인간으로 영생하려했는데 아쉽잔슴~~~(아님)

@rgmq19

침굿즈내놔

23.02.14

아 너무 재미있잖슴~~

fmkhbj

23.02.14

이봐 전문의, 전문의는 “트수”라 부르지 않아

함박맨

23.02.18