돌연변이

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돌연변이

[ mutation ]

돌연변이 (mutation)는 DNA의 염기 서열에 일어나는 영구적인 변화를 말한다. 돌연변이가 일어나면 DNA의 구조나 기능에 영향을 준다. 생식세포에 있는 DNA에 이런 영구적인 변화가 일어날 때 그 변화는 자손에게 전달된다.

목차

  1. 1.돌연변이의 원인
    1. 1.1.자발적으로 일어나는 돌연변이 (spontaneous mutation)
    2. 1.2.오류 발생이 쉬운 복제 우회 (error-prone replication bypass)
    3. 1.3.DNA 수리과정중에 일어나는 돌연변이 (mutation introduced during DNA repair)
    4. 1.4.유도된 돌연변이 (induced mutation)
  2. 2.돌연변이의 종류
    1. 2.1.구조에 영향을 주는 돌연변이
      1. 2.1.1.치환 돌연변이 (substitution mutation)
      2. 2.1.2.침묵 돌연변이 (silent mutation)
      3. 2.1.3.과오 돌연변이 (missense mutation)
      4. 2.1.4.넌센스 돌연변이 (nonsense mutation)
      5. 2.1.5.삽입 돌연변이 (insertional mutation)
      6. 2.1.6.결실 돌연변이 (deletion mutation)
    2. 2.2.기능에 영향을 주는 돌연변이
      1. 2.2.1.기능 손실 돌연변이 (loss-of-function mutation)
      2. 2.2.2.기능 획득 돌연변이 (gain-of-function mutation)
  3. 3.참고문헌

돌연변이의 원인

돌연변이가 일어나는 원인은 다양하다. DNA 복제과정 중 DNA 중합효소가 오작동하거나, 전이인자 (transposon)와 같은 이동성 DNA가 삽입되어도 돌연변이가 일어난다. 또한 자외선, X선, 감마선을 쪼여도 돌연변이가 일어난다. 돌연변이의 원인을 종류별로 구분하자면 다음과 같이 4가지로 구분할 수 있다.

자발적으로 일어나는 돌연변이 (spontaneous mutation)

자발적으로 일어나는 돌연변이는 외부 요인이나 내부 요인의 영향없이 자발적으로 일어나는 돌연변이다. 여기에는 탈퓨린화 (depurination), 탈아민화 (deamination)등이 있다. 이 자발적으로 일어나는 돌연변이 (spontaneous mutation)는 흔하게 일어나지 않는다.

오류 발생이 쉬운 복제 우회 (error-prone replication bypass)

세포가 직면한 상황이 좋지 않을 때 부정확한 염기를 일단 집어넣고 DNA를 복제하기 때문에 생기는 돌연변이이다. 오류 발생이 쉬운 복제 우회 혹은 error-prone replication bypass라는 용어가 쉽게 이해되지 않을 수 있다. 이해를 위해 다음의 상황을 가정해보자. DNA 복제 과정 동안 주형 가닥에 손상이 일어났으나 주형 가닥에 일어난 문제를 수정할 시간이 없을 정도로 세포의 상황이 좋지 못할 때가 있다. 세포가 산화 스트레스를 받고 있는 경우가 그런 예이다. 일반적인 DNA 복제에서는 주형 가닥의 정보를 바탕으로 반대편 가닥에 염기를 집어 넣는다. 그러나 세포가 산화 스트레스를 받고 있는 경우에는 주형 가닥이 망가졌기 때문에 주형 가닥의 정보를 이용할 수 없다. 이 경우 세포는 최후의 수단을 선택한다. 반대편 가닥에 엉뚱한 염기를 일단 집어넣고 DNA 복제를 계속 진행한다. 이 현상을 오류 발생이 쉬운 복제 우회 (error-prone replication bypass)라고 한다. 다시 표현하자면 부정확한 염기를 일단 집어넣고 복제를 계속해가는 과정이라고 할 수 있다. 따라서 원래의 주형 가닥과 새롭게 형성된 가닥에 있던 염기와 비교해보면 새롭게 형성된 가닥에 돌연변이가 발생하게 된다.

DNA 수리과정중에 일어나는 돌연변이 (mutation introduced during DNA repair)

이중 가닥으로 되어 있는 DNA에 한쪽 가닥이 국부적으로 절단되는 경우는 종종 일어나지만 어떤 부위에서 양쪽 가닥이 모두 절단되는 경우도 드물게 일어난다. 이렇게 양쪽 가닥이 모두 절단되면 세포는 이 절단된 곳을 수리하는 작업을 시작한다. 이 수리 과정 동안 몇 개의 뉴클레오티드(nucleotide)가 제거되기도 한다.  결국 수리 전과 후를 비교해보면 절단되었던 자리에 돌연변이가 발생하게 된다.

유도된 돌연변이 (induced mutation)

유도된 돌연변이 (induced mutation)는 특정한 돌연변이 유발원 (mutagen)이나 환경적인 원인에 의해 일어나는 돌연변이를 말한다. 돌연변이 유발원에는 여러가지 화학물질 (예를 들자면 DNA 인터킬레이팅 약물), 자외선, 또는 감마선등이 있다.

돌연변이의 종류

구조에 영향을 주는 돌연변이 치환 돌연변이 (substitution mutation)

치환 돌연변이는 어떤 뉴클레오티드가 다른 뉴클레오티드로 치환된 돌연변이를 말한다. 예를 들어 아데닌 (A)이 구아닌 (G)으로 변하거나, 시토신 (C)이 티민 (T)으로 변하는 돌연변이다 (그림 1).

그림 1. 염기 전이와 교차형 염기전이 ()

이렇게 A가 G로, 혹은 G가 A로 바뀌어도 A와 G가 둘다 퓨린이기 때문에 염기 자체는 바뀌었지만, 염기의 종류는 여전히 같다. 이와 마찬가지로 C가 T로, 혹은 T가 C로 바뀌어도 C와 T가 둘다 피리미딘이기 때문에 염기 자체는 바뀌었지만, 염기의 종류는 여전히 같다. 그러나 경우에 따라서는 퓨린이 피리미딘으로, 혹은 그 반대로 치환이 일어나기도 한다. A 또는 G가 C 또는 T로 (혹은 그 반대로) 바뀌는 경우이다. 염기가 바뀌어도 여전히 같은 종류인 경우 (A<->G 혹은 C<->T)를 염기 전이 (transition)이라고 한다. 염기가 바뀌어서 다른 종류의 염기가 된 경우 (A<->T 혹은 C<->G)를 교차형 염기전이 (transversion)이라고 한다 (그림 1).

치환 돌연변이가 한 뉴클레오티드에서 일어났을 때 점 돌연변이 (point mutation)라고 한다. 만약 단백질을 암호화하는 지역에서 점 돌연변이가 일어나게 되면 그 영향은 3가지로 구분해서 생각할 수 있다 (그림 2). 

그림 2. 치환 돌연변이의 종류 ()

침묵 돌연변이 (silent mutation)

뉴클레오티드는 변했지만 변화된 염기서열이 만들어내는 아미노산은 변하지 않는 경우이다. 예를 들어, CCT에 있는 T가 A로 바뀌는 점 돌연변이가 일어났다고 가정해보자. 분명히 CCT가 CCA로 바뀌는 점 돌연변이가 발생했지만, CCT나 CCA나 모두 프롤린을 암호화한다. 따라서 CCT에서 CCA로 점 돌연변이가 일어났지만 아미노산 서열은 변화없다. 이렇게 돌연변이가 뉴클레오티드에서 일어났지만, 아미노산 서열에는 아무런 변화가 없는 돌연변이를 침묵 돌연변이 (silent mutation)라고 한다.

과오 돌연변이 (missense mutation)

변화된 뉴클레오티드가 아미노산의 변화를 야기하는 경우를 말한다. 예를 들어, CCT에 있는 두번째 C가 A로 바뀌는 점 돌연변이가 일어났다고 가정해보자. CCT가 CAT로 바뀌게 되면 번역과정에서 만들어지는 단백질에서 프롤린에서 히스티딘으로 아미노산이 바뀌게 된다. 이렇게 과오 돌연변이가 일어나게 되면 그 돌연변이 DNA로부터 만들어지는 단백질의 활성을 약하게 만들 수 있고 심한 경우 그 단백질의 기능을 완전히 저해할 수 있다.    

넌센스 돌연변이 (nonsense mutation)

넌센스 돌연변이 (nonsense mutation)는 치환 돌연변이에 의해서 종결 코돈 3개 중 하나 (TAG, TAA, TGA)가 만들어지는 현상을 말한다. 예를 들어 TAT에 있는 마지막 T가 A로 바뀌는 점 돌연변이가 일어났다고 가정해보자. TAT는 티로신을 만드는데 TAA로 바뀌게 되면 종결코돈이 된다. 따라서 해당 돌연변이를 가진 mRNA는 번역이 중간에 멈추고 불완전한 형태의 단백질이 만들어진다. 이렇게 만들어진 단백질은 기능이 심각하게 저해되어 있거나 아예 기능하지 못할 수 있다. 

삽입 돌연변이 (insertional mutation)

삽입 돌연변이는 한 개 혹은 그 이상의 뉴클레오티드가 DNA에 끼어 들어가는 돌연변이를 말한다. 새로운 뉴클레오티드가 끼어들어가게 되면 여러가지 문제를 야기할 수 있다. 그중 대표적인 것은 프레임쉬프트 (frameshift)이다. 프레임쉬프트가 일어나면 단백질 번역과정에서 리보좀이 mRNA를 읽어나갈 때 읽기 틀에서 벗어난다. 만약 삽입된 뉴클레오티드가 3의 배수가 아닐 경우, 전혀 엉뚱한 아미노산을 갖는 단백질이 만들어지기 삽입 돌연변이는 세포의 기능에 심각한 영향을 끼칠 수 있다.

결실 돌연변이 (deletion mutation)

결실 돌연변이는 한 개 혹은 그 이상의 뉴클레오티드가 DNA에서 빠지는 돌연변이를 말한다. 몇개의 뉴클레오티드가 빠지게 되면 여러가지 문제를 야기할 수 있는데 그 중 대표적인 것은 프레임쉬프트이다. 프레임쉬프트가 일어나면 단백질 번역과정에서 리보좀이 mRNA를 읽어나갈 때 읽기 틀에서 벗어난다. 만약 빠진 뉴클레오티드가 3의 배수가 아닐 경우, 전혀 엉뚱한 아미노산을 갖는 단백질이 만들어지기 결실 돌연변이는 세포의 기능에 심각한 영향을 끼칠 수 있다.

기능에 영향을 주는 돌연변이 기능 손실 돌연변이 (loss-of-function mutation)

기능 손실 돌연변이 (loss-of-function mutation)는 돌연변이에 의해 만들어지는 단백질이 원래의 기능을 완전히 잃게 되거나 아니면 부분적으로 잃게 되는 돌연변이를 말한다.

기능 획득 돌연변이 (gain-of-function mutation)

기능 획득 돌연변이 (gain-of-function mutation)는 돌연변이에 의해 만들어지는 단백질이 원래의 기능보다 더 강한 기능을 갖게 되거나 다른 기능 혹은 비정상적인 기능을 얻게 되는 돌연변이를 말한다.

참고문헌

Hartwell, Hood, Goldberg, Reynolds, Silver, Veres (2008) Genetics: from genes to genomes. 3rd edition. McGraw-Hill