돌연변이유발원

유전자 서열의 변화를 줄 수 있는 물리적 또는 화학적 인자들을 말하며, 발암물질도 돌연변이유발원에 속한다.¹⁾²⁾ 돌연변이 유발은 자연발생적이거나 물리적 화학적 영향에 의해 일어나며, 주변 환경의 수준에 따라 돌연변이 빈도가 변화한다. 일부 화학물품은 세포분열 과정에 영향을 주어 돌연변이를 유발시키며, 모든 돌연변이는 돌연변이유발원으로부터 발생되는 것은 아니다. 이는 자연적인 가수분해, DNA 복제 오류, 수선과 재조합 등으로 인하여 발생하는 경우도 있기 때문이다.

목차

유전물질에 변이를 가져오는 직접적인 원인들은 다음과 같다.³⁾

1. 방사선

방사선은 침투력이 있고, 염색체의 절단을 유도할 수도 있다. 주로 이온화를 유도함으로써 변이가 생기는데, 뉴클레오타이드 변이부터 염색체의 수적 이상까지 다양한 범위의 변이가 일어날 수 있다. 중성자, 양성자, 감마선, X-선 등에 의한 돌연변이 유도가 알려져 있다.

2. 자외선

물질을 구성하는 분자에 전기적 여기 상태를 만들어 유전자에 변이를 가져온다. 침투력이 방사선만큼 크지 않고, 자외선에 의한 변이는 주로 염색체 말달에 일어난다.

물리적 돌연변이원인 방사선과 자외선 조사에 의한 돌연변이 유발 원리를 나타낸 모식도. (출처: 한국식물학회)

3. 화학물질

화학물질은 주로 뉴클레오타이드 수준에서 변이를 일으키며, 대체로 점돌연변이를 유발한다. 대표적인 화학물질 돌연변이유발원은 EMS (Ethyl Methane Sulfonate)인데 이 물질은 DNA의 알킬레이션 alkylation, epoxide, peroxide, formaldehyde 등이 변이를 유도하는 것으로 알려져 있다. DNA의 퓨린 (purine, 아데닌과 구아닌), 피리미딘(pyrimidine, 시토신과 티민) 뿐 아니라 인산기를 알킬화 시킬 수 있다. 이들 알킬화제들은 발암물질이기도 하기 때문에 다룰 때에는 주의 깊게 취급해야 한다.

EMS를 이용한 염기치환 돌연변이 유발 원리를 나타낸 모식도. (출처: 한국식물학회)

분석된 최초의 돌연변이유발원은 발암물질로 암과 연관되어 있다고 보고 있다. 돌연변이유발원에 의해 세포가 변화한 암의 종류인 종양은 기원전 500년 경 히포크라테스가 발견하였으며, 567년에는 파라켈수스는 광산에서 소모성 질병을 일으키는 확인되지 않은 광물을 발견하여 보고하였다. 1761년에는 존 힐코튼은 코의 암을 이용하여 화학물질이 직접적으로 암을 일으킨다고 처음으로 밝혔다. 1775년 퍼시벌 포트워스는 굴뚝 청소보의 높은 음낭암의 발생 빈도에 대한 논문을 발표하였고, 1915년 야마가와는 화학물질의 반복살포로 토끼 귀의 악성 종양을 일으킴을 보여주었다. 돌연변이유발원에 의한 돌연변이는 1927년에 처음으로 학계에 보고 되었다. 헤르만 뮐러는 엑스선(X-ray)이 초파리의 유전적 돌연변이를 일으키는 것을 발견하였으며 초파리에는 거대한 침샘 염색체에 폴리텐이 존재하기 때문에 돌연변이의 표현형과 염색체가 변화하는 것을 뚜렷하게 관찰할 수 있었다. 또한 그는 초파리의 돌연변이를 엑스선을 통해 만들어 내었다. 그는 엑스선이 초파리뿐만 아니라 인간의 유전자 구성에도 영향을 미친다는 것을 밝혀 내었다. 

대부분의 돌연변이 인자들은 DNA에 변화를 일으킬 정도로 유전자에 대해 유독하다. DNA의 전사와 복제에 영향을 주고 심각한 경우에는 세포사멸로 이끌게 된다. 대부분의 돌연변이 인자들은 DNA의 돌연변이를 일으키며, 유해한 돌연변이유발원은 핵심 유전자에 악영향을 미쳐 세포내에 돌연변이를 축적한다. 그러므로 인해 정상적인 세포는 다른 세포들을 공격하거나 빠른 사멸로 유도되는 암세포로 분화된다. 일부 돌연변이 인자들은 유전자뿐만 아니라 염색체 수에도 영향을 미치게 되어 생명체 생존에 치명적인 원인으로 작용하기도 한다. 일부 돌연변이들은 생명체에 이로운 영향을 이용하여 생존에 유리한 위치에 작용할 수 있게 도와주기도 한다.

돌연변이 유발은 자연선택적 측면에서는 이로운 특정 형질을 발현시킬 수 있을 것이라 여겨진다. 새로운 형질을 위해 연구하는 연구자들은 인위적으로 돌연변이를 유발시켜 특정 형질을 발전시키는데, 자연적으로 유발되는 돌연변이는 오랜 기간을 필요로 하기 때문에 적합하지 않다. 그렇기에, 인위적으로 빠르고 간단하게 돌연변이를 유발시켜 기존과는 다른 산업적으로나 연구적으로 사용하기 적합한 형질을 가진 개체를 선별해내는 기술을 개발하였다. 그 방법으로는 물리적인 방법과 화학적인 방법으로 나뉠 수 있다. 물리적인 방법은 특정 파장을 이용하여 DNA 염기서열에 치환을 일으키는 방법이고, 화학적인 방법은 화학물질을 배아단계 또는 씨앗 상태에 처리를 함으로써 염기서열에 영향을 미치는 방법이다.

1. Brown, J. R.; Thornton, J. L. (1957) Percivall Pott (1714-1788) and Chimney Sweepers' Cancer of the Scrotum. British journal of industrial medicine, 14: 68–70
2. Hill, J (2010) Cautions Against the Immoderate Use of Snuff. Founded on the Known Qualities of the Tobacco Plant; And the Effects it Must Produce when this Way Taken into the Body: And Enforced by Instances of Persons who have Perished Miserably of Diseases, Occasioned, or Rendered Incurable by its Use. Gale ECCO,
3. Andres Luch (2005) Nature and Nurture–Lessons from Chemical Carcinogenesis: Chemical Carcinogens. Nature Reviews Cancer, 5: 113-125