돌연변이

생물 진화의 근원이 되는 돌연변이는 한 유전체 내에서 일어나는 뉴클레오티드 서열에 나타나는 변화를 의미하며 뉴클레오티드 치환, 삽입/제거, 재조합, 유전자전환, 유전자중복, 유전체중복 등의 현상을 포함한다¹⁾. 대부분의 돌연변이는 DNA의 복제를 중지시키거나, 기능적으로 결함이 있는 단백질을 형성할 수 있기 때문에 생명체가 살아가는데 위험 요소가 된다. 따라서 돌연변이를 일으키는 요인에 의한 복제 오류의 교정과 DNA 손상을 고치기 위한 여러 가지 시스템이 존재한다.

목차

돌연변이 유발이란 유전자에 돌연변이가 발생하여 돌연변이를 일으키는 과정을 의미하며 돌연변이유발은 돌연변이가 일어나는 원인에 따라 분류할 수 있다. 돌연변이원(mutagen)에 의한 것이 아닌 자연적으로 돌연변이가 일어나면 자연 돌연변이(spontaneous mutation)라 하고, 이 자연 돌연변이 현상에 의해 생긴 돌연변이체는 자연 돌연변이체(spontaneous mutants)라 한다²⁾. 자연적으로 발생한 것이 아닌 돌연변이원에 의한 돌연변이라면 그 과정은 유도 돌연변이 유발(induced mutagenesis)이다²⁾. 그리고 유전공학기술에 의해 DNA의 특정한 부분에서 돌연변이가 일어나게 하여 돌연변이 DNA 분자를 만드는 것은 위치-특이적 돌연변이 유발(site-specific mutagenesis)이다²⁾.

돌연변이는 몇 가지 기준에 따라 여러 가지 형태로 분류할 수 있다. 돌연변이에 의해 변한 염기의 수에 따라서 하나의 염기쌍이 변하면 점돌연변이(point mutation)라 하고, 두 개 이상의 염기쌍이 변하면 다중돌연변이(multiple mutation)라고 한다. 이러한 돌연변이는 염기가 변하는 양상에 따라 염기삽입(insertion), 염기결실(deletion) 그리고 염기치환(base substitution)으로 나눌 수 있다. 염기가 삽입되거나 결실된 경우에는 mRNA에서 아미노산으로 번역되는 전체 해독틀(reading frame)이 바뀔 수 있기 때문에 원래의 기능을 상실한 단백질이 만들어지게 된다. 염기치환의 경우 퓨린 염기가 다른 퓨린 염기 또는 피리미딘 염기가 다른 피리미딘 염기로 치환되는 것을 전위(transition)라 하고, 퓨린 염기가 피리미딘 염기가 되고 피리미딘 염기가 퓨린 염기로 치환되는 것을 전좌(transversion)라고 한다. 돌연변이에 의해 유전자를 구성하고 있는 아미노산 서열이 변한 경우에 따라서도 분류할 수 있는데 염기가 바뀌었으나 번역 과정 이후 생성되는 아미노산의 종류가 여전히 같은 경우 침묵돌연변이(silent mutation)라 하고, 바뀐 염기가 다른 아미노산을 만들었으나 그 아미노산의 기능이 돌연변이가 일어나기 전 만들어지는 아미노산의 기능과 같은 역할을 하여 표현형의 변화가 없으면 중성돌연변이(neutral mutation)라 한다. 돌연변이로 바뀐 염기에 의해 종류와 기능이 다른 아미노산이 만들어져서 되면 미스센스돌연변이(missense mutation)라 하고, 바뀐 염기가 종결코돈을 이루어 아미노산을 만들지 못하고 단백질 합성을 종결하게 되면 넌센스돌연변이(nonsense mutation), 또는 사슬종결 돌연변이(chain termination mutation)라 한다. 이 두 가지의 경우 단백질은 원래의 기능을 상실할 수 있고 넌센스돌연변이는 절단된 폴리펩티드를 이루게 된다.

길이가 수백 또는 수천의 염기쌍으로 이루어진 긴 DNA 절편으로서 세포 내 유전체에서 복제되어 다른 위치로 삽입이 되는 염기서열을 전위 요소(transposable elements)라고 하는데, 이 전이요소가 복제될 때 복제된 전사체가 원래의 삽입 부위가 아닌 다른 위치로 이동하여 삽입되는 것을 전위(transposition)라고 한다²⁾. 전이는 삽입된 부위에 삽입돌연변이를 형성한다. 만약 전사 종결서열을 포함하는 전이 요소가 하나의 폴리시스트론 mRNA로 전사되는 두 유전자 지역 사이에 삽입되거나 프로모터와 그 유전자 사이로 삽입되면 삽입 지역 이후의 모든 유전자의 전사가 종결되는데, 이를 극성돌연변이(polar mutation)라고 한다²⁾.

야생형에 돌연변이가 발생한 경우 이외에도 표현형에 돌연변이가 발생한 경우에서 다시 돌연변이가 일어나 표현형이 원래의 야생형으로 돌아가는 현상이 있는데 이를 복귀 돌연변이(reverse mutation, back mutation, 또는 reversion)라 한다. 이중에서 돌연변이가 발생한 동일 위치에 다시 돌연변이가 발생하여 야생형 염기서열로 되돌아가는 현상을 진정 복귀 돌연변이(true reversion)라 하고, 돌연변이가 발생한 위치가 아닌 다른 지역에서 돌연변이가 발생하여 표현형이 야생형으로 돌아가는 현상을 유사 복귀 돌연변이(pseudo-reversion), 또는 억제 인자 돌연변이(suppressor mutation)라고 한다.

돌연변이가 발생하는 원인으로는 주로 감수분열 과정에서의 DNA 복제 오류로 인한 것이 있고 이러한 자연발생적인 돌연변이를 제외한 경우 나타나는 DNA 돌연변이는 돌연변이를 유발하는 물리적 혹은 화학적 요인인 돌연변이원(mutagen)에 의해 발생할 수 있다. 

DNA 중합효소(polymerase)가 DNA 주형(template)을 복제할 때의 정확도(fidelity)에 따라 DNA 복제 오류의 비율이 영향을 받는다. RNA 중합효소(RNA polymerase)의 경우도 정확도를 가지고 있으며 중합 과정에서 발생하는 오류를 수리하기 위한 교정 기능(proofreading)을 가지고 있다. 중합효소의 정확도는 주형 가닥을 읽고, 적절한 뉴클레오시드3인산(nucleoside triphosphate)을 선택하여 알맞은 뉴클레오티드(nucleotide)를 삽입하는 과정의 여러 가지 단계를 포함한다³⁾.

산화스트레스(oxidative damage), 방사선, 또는 발암 물질 등을 포함하는 돌연변이원에 노출되어 DNA가 손상을 입었을 때 DNA를 수선하는 과정 중에서 오류가 발생하는 경우가 있다⁴⁾. 단백질의 손상 등으로 인해 DNA 손상을 막거나 수선하는 역할을 하는 효소의 정확도가 떨어지게 되고, 활성이 감소하게 된다⁵⁾. 이러한 DNA의 손상이 지속되면 DNA 복제 또는 전사 과정에서 오류가 발생하여 점돌연변이가 일어나거나 염색체의 재배열이 일어날 수 있다⁶⁾.

점돌연변이의 예; Isoleucin을 코딩하는 AUA 서열로부터의 점돌연변이(출처: GettyImages 141483314)

DNA 돌연변이는 여러 가지 유형의 방사선에 의해 발생할 수 있는데, 그 중 주요한 영향을 주는 것은 자외선으로서 특히 약 254 nm의 단파장 자외선은 인접한 피리미딘 염기(CC, CT, TC, TT)를 교차하여 사이클로부탄(Cyclobutane) 피리미딘 이량체를 형성할 수 있다⁷⁾. 만약 인접한 C 2합체가 복구되지 않으면 A 염기와 부정확하게 쌍을 이루게 된다. 이후 A 염기는 T 염기와 쌍을 이루어 복제가 이루어지고 DNA 수선 메커니즘은 AT 염기쌍에 대한 오류를 인식하지 못하여 돌연변이가 영구적으로 복제될 수 있다⁸⁾. 이러한 DNA 손상은 염기쌍 사이의 수소결합이 파괴되고 DNA 나선 구조가 뒤틀리는 구조적인 변화를 유발하여 DNA에 작용하는 효소의 기능을 억제할 수 있으며 이로 인해 DNA 중합효소나 RNA 중합효소의 기능이 저해되어 원래의 길이보다 짧은 미성숙한 DNA나 RNA 단편이 생길 수 있다⁷⁾. 그리고 인접한 두 피리미딘 사이에서 자외선에 의해 한 피리미딘의 4번 탄소와 한 피리미딘의 6번 탄소에 공유결합이 발생할 수 있는데 이는 자외선 조사 후 빠른 시간 내에 대부분 제거된다⁷⁾. 또한 피리미딘의 5,6번 탄소의 2중결합에 물이 첨가되어 5,6-dihydro-6-hydroxy의 형태인 피리미딘 수화물(hydrate)을 형성하는 경우가 있고, 티민의 5,6번 탄소에 수산기가 첨가되어 티민글리콜을 형성하는 경우가 있다⁷⁾. 

이외에도 X선과 방사선물질에 의해 방출되는 특정 형태의 방사선을 포함하는 전리 방사선(ionizing radiation)은 생물학적인 분자로부터 전자를 제거하여 반응성이 강한 중간물질을 생성함으로써 다양한 유형의 DNA 손상을 야기한다⁹⁾. 전리방사선으로부터 오는 에너지는 분자나 이온을 들뜬 상태로 만드는데 이 방사선 에너지와 DNA가 직접적으로 반응하여 돌연변이를 유발할 수 있고, 방사선 에너지가 DNA와 반응하여 돌연변이를 유발할 수 있는 물질에 작용하여 이 물질들을 활성화시킬 수 있다. 그 중에서도 물은 생명체의 대부분을 차지하는 물질로서 물의 방사성 분해 산물인 과산화수소, 수소 원자, 그리고 하시드록실 라디칼(hydroxyl radical) 등의 물질들이 DNA 손상을 유발하는 주요 원인 물질로 작용할 수 있다⁷⁾. 전리방사선은 기본적으로 DNA 나선에 포함된 이인산에스테르 결합을 파괴시킨다. 낮은 선량의 전리방사선은 DNA 이중 나선에서 한 가닥의 이인산에스테르 결합을 제거하여 틈(nick)을 만들고 이는 DNA의 구조적인 변화를 야기한다. 높은 선량의 전리방사선은 DNA 이중 나선의 양쪽 가닥 모두의 이인산에스테르 결합을 파괴할 수 있는 에너지를 가지고 있어서 DNA의 구조를 더 심하게 파괴하고 염색체 수준의 돌연변이 현상을 유발한다⁷⁾.

DNA 내에서 발견되는 정상적인 염기와 비슷한 유사염기의 경우 토터머 변화를 통해 착오결합을 일으켜 염기전이(transition)를 일으킬 수 있다²⁾. 예를 들어 5-bromouracil는 T와 유사한 구조를 이루고 있어 T의 유사염기로 작용한다. 그래서 정상적인 경우라면 A와 쌍을 이루어야 하나, 토터머 변화에 의해 G와 쌍을 이룰 수 있게 되어 DNA 복제시 A가 아닌 C를 가지게 된다.

유사염기에 의한 돌연변이 (그림: 이소라/서강대학교)

돌연변이성 화학물질인 염기 유사물질(base analog)의 경우 정상적인 DNA 염기와 유사한 구조를 가진 화학물질로서 DNA 염기가 들어갈 자리로 들어가거나 염기를 변화시키는 약물의 경우 DNA 염기와 화학적 반응을 일으켜 DNA의 구조를 바꾼다⁹⁾. 또한 삽입성 물질(interchelating agent) 분자들은 3개의 평면 고리를 가진 분자로서 퓨린-피리미딘 염기쌍의 크기와 비슷하여 2중나선의 염기 사이로 끼어 들어감으로써 DNA 구조를 변형시켜 DNA 복제 시 뉴클레오티드가 제거되거나 삽입되는 확률을 높인다²⁾⁹⁾.

삽입성 물질(Interchelating agents)의 예 (그림: 이소라/서강대학교)

유전체 DNA의 탈아민화는 DNA 시토신 탈아미노효소의 한 종류인 아포벡(apolipoprotein B mRNA-editing enzyme catalytic subunit-like, APOBEC)과 활성화 유도 탈아미노효소(activation-induced deaminase, AID)에 의해 일어날 수 있으며 아질산(nitrous acid)에 의한 산화적 탈아미노 반응에 의해서는 염기에 존재하는 아미노 그룹을 케토 그룹으로 전환시킨다²⁾¹⁰⁾. 이러한 단백질은 단일가닥 DNA에서 C가 U로 전환되는 작용과 A가 C와 결합할 수 있는 hypoxanthine(H)로 전환되는 작용을 촉매하여 염기전이 돌연변이를 유발한다²⁾. 또한 우라실 DNA 글리코실화효소에 의해 AP 부착자리(abasic site)를 만들게 되고 이는 C→T 염기전이 돌연변이, C→G 교차형 염기전이 돌연변이, 그리고 더 큰 규모의 유전자 돌연변이를 유발하는 DNA의 손상을 가져올 수 있다¹¹⁾.

아질산에 의한 돌연변이 (그림: 이소라/서강대학교)

하이드록실아민(Hydroxylamine)은 C 염기와 반응하여 C를 G와 결합하는 대신 A와 결합할 수 있는 형태로 변형시킨다²⁾.

하이드록실아민에 의한 돌연변이 (그림: 이소라/서강대학교)

EMS (ethylmethanesulfonate)와 MMS (methylmethanesulfonate) 등의 알킬화제(alkylating agents)는 G와 T에 존재하는 수소결합 산소에 알킬그룹을 첨가하여 T와 결합하는 O-6 알킬구아닌 또는 G와 결합하는 O-4 알킬티민으로 변형시킨다²⁾.

알킬화제에 의한 돌연변이 (그림: 이소라/서강대학교)

시토신 베이스(cytosine bases) 중에서도 CpG의 5-메틸-시토신베이스(5-methyl-cytosine base, 5meC)의 가수 분해로 인한 돌연변이는 가장 일반적으로 나타나는 메커니즘이다¹⁰⁾. C→U, 5meC→T의 탈아민화 반응 이후의 DNA 복제 및 수선 오류(misrepair)는 CpG 디뉴클레오티드 모티프에 편향되는 C→T 염기전이 돌연변이를 유발한다¹¹⁾. DNA 복구 과정의 결함도 돌연변이를 유발하는데, 불일치 복구(mismatch repair)의 유전적 결함의 경우 유전성비폴립대장암의 원인이 된다¹²⁾.

담배에 포함된 물질들의 경우도 DNA 손상원 중 하나로 복잡한 DNA 손상 물질과 병변을 초래한다. 예를 들어, 다환 방향족 탄화 수소가 세포의 시토크롬질 p450 효소에 의해 활성화된 에폭시드(epoxides)로 변환되고 이는 알킬화 구아닌 어덕트(adducts)를 형성하는 반응을 한다¹³⁾. 이로 인해 DNA 복제 과정에서 A 염기가 잘못 쌍을 이룰 수 있고 제대로 복구되지 않을 경우 G→T 형태의 교차형 염기전이를 일으키며 반대의 경우에는 C→A 형태의 돌연변이를 유발하여 흡연과 관련된 암의 원인이 된다¹⁰⁾.

주형을 복제하는 과정에서 염기가 제대로 짝을 이루지 못한 것이 발견되면 DNA 중합효소 Ⅰ(DNA polymerase Ⅰ), DNA 중합효소 Ⅲ (DNA polymerase Ⅲ)가 중합 활성을 멈추게 된다. 그리고 3’→5’ 방향의 활성을 가진 핵산외부가수분해효소(exonuclease)가 활성화되어 잘못된 쌍 염기를 제거한 후 중합 활성이 다시 시작되어 사슬의 신장이 이루어지는데 이를 교정 기능(proofreading)이라고 한다¹⁴⁾.

위의 교정 기능(proofreading)에 의해 잘못된 염기쌍이 교정되지 않은 경우에는 오결합 회복(mismatch repair) 작용에 의해 잘못 짝지어진 염기쌍을 수리할 수 있다. 오결합 회복과정에서는 수소결합이 제대로 이루어지지 않은 염기쌍이 오류가 난 부분으로 인식되어 하나의 폴리뉴클레오티드 절편이 잘려져 나가고 잘려져 나간 부분의 염기가 제거된다. 일반적으로 대장균에서 일어나는 오결합 회복의 경우 MutS가 오결합 염기 부분을 인식하고 MutL이 상호작용하여 안정적인 복합체를 형성한다¹⁵⁾. 그러면 MutH 핵산내부가수분해효소(endonuclease)가 활성화되어 메틸화 되지 않은 부분이 절제 작용이 일어나는 위치로 인식된다. 이후 DNA helicase와 몇몇 핵산외부가수분해효소들에 의해 절제 작용이 이루어진다.

대장균의 오결합 회복 (출처: http://dx.doi.org/10.4061/2010/260512 변형)

자외선 조사 등의 영향에 의해 DNA 서열에 티민 이합체가 형성되면 아데닌이 결합하지만 DNA의 나선 구조가 뒤틀리기 때문에 교정 기능에 의해 아데닌이 제거되는 과정이 반복되고 DNA의 합성이 중지된다²⁾. 따라서 이합체가 형성된 부분을 제외한 다음 시작지점부터 DNA 사슬 신장이 다시 시작되어 빈 공간이 생기게 된다. 이 빈 공간은 상동성 DNA 가닥으로부터 끊긴 단일가닥절편이 삽입되며 이 과정에는 RecA 단백질이 관여한다. 그리고 절제된 상동성 DNA 가닥은 중합효소 Ⅰ과 라이게이스(ligase)에 의해 회복된다.

DNA가 심각한 손상을 입은 경우 손상된 DNA에 의한 신호로부터 SOS 수선 시스템(SOS repair system)이 활성화된다. 평상시에는 LexA가 SOS 수선 시스템에 관련된 유전자들의 발현을 억제하는 억제자(repressor)로 작용하는데, RecA 효소가 손상된 DNA를 감지하여 SOS 반응이 개시되면 LexA는 분해되고 절제회복이나 세포분열에 관여하는 SOS-조절 유전자들이 활성화되어 손상된 DNA의 수선이 이루어진다. DNA의 수선이 완료되면 RecA 효소는 비활성화되고 LexA에 의해 SOS-조절유전자들의 발현이 다시 억제되면서 SOS 수선 시스템은 비활성 상태가 된다.

SOS 수선 시스템 (출처: )

체내에서 돌연변이원(mutagen)으로 작용하여 DNA 염기서열에 돌연변이를 일으키고 암을 유발하는 발암원(carcinogens)을 검색하기 위한 방법으로 박테리아를 이용한 에임즈 시험법(Ames test)이 있다⁹⁾. 히스티딘(histidine) 아미노산의 합성 능력이 결핍된 박테리아를 이용하며 성장에 히스티딘이 요구되는 박테리아를 히스티딘 결핍 배양액에 첨가하고 조사대상물질인 돌연변이원을 처리하여 자라는 균체 수를 측정한다. 정상적인 조건에서 이 박테리아는 히스티딘이 없는 환경에서 자랄 수 없으나 어떤 돌연변이 유발인자로 인해 돌연변이가 일어나 히스티딘을 합성하는 능력을 회복시킨다면 히스티딘이 없는 배지에서 자랄 수 있는 능력을 얻게 되는 것이다. 이 시험법을 위해 균을 배양할 때 간의 추출액을 처리하는데 이는 간이 해독작용을 할 때 일어나는 효소반응으로 인해 특정 화합물이 돌연변이 유발물질이나 발암물질로 전환되기 때문이다.     

Ames test (출처: )

김건수/서강대학교

이진원/한양대학교

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