미세부수체

[ Microsatellite ]

미세부수체는 1~6개 혹은 그 이상의 염기쌍 서열이 반복적으로 나타나는 DNA 부위로서 일반적으로 하나의 미세부수체에 5~50번 정도의 서열 반복이 나타난다. TATATATATA처럼 TA 2개의 뉴클레오티드가 반복되기도 하고 GTCGTCGTCGTCGTC처럼 GTC 3개의 뉴클레오티드가 반복되기도 한다. 따라서 미세부수체는 짧은 반복 배열(short tandem repeat, STR) 또는 단순 반복 배열(simple sequence repeat, SSR)이라고도 불린다. 미세부수체는 다른 DNA 영역보다 더 높은 돌연변이율을 나타내며 유전적 다양성이 높다. 일부 효모를 제외하고는 대부분의 진핵생물이 미세부수체를 가지고 있으며, 게놈 전체에 널리 분포되어 있다. 인간 게놈의 경우는 5,000~100,000개의 2개의 반복 서열 뉴클레오티드로 구성된 미세부수체를 가지고 있으며, 3개 혹은 4개의 뉴클레오티드로 이루어진 미세부수체는 그보다 적은 수로 존재한다. 주로 세포내 염색분체들이 결합하는 동원체(centromere)나 염색체의 말단 부위인 말단소립(telomere)에서 자주 발견된다.

미세부수체는 대부분 동원체 등 인간 게놈의 비암호화 부분(non-coding region)에 위치하므로 직접 단백질로 해독되지는 않지만, 유전자 발현의 조절부위에 존재하는 미세부수체는 주변 유전자 발현 조절에 참여할 수는 있다. 따라서 미세부수체 내의 돌연변이가 곧바로 생명체의 생존에 미치는 영향이 적어 세대에 걸쳐 돌연변이가 축적되는 경향이 있어, 개체마다 미세부수체 내 염기 배열이 매우 다양하게 존재할 수 있다. 이러한 유전적 다양성 때문에 미세부수체는 DNA 지문 검사 등 개인 식별 목적으로 사용될 수 있다.

미세부수체의 돌연변이가 미치는 영향

미세부수체의 돌연변이는 대부분은 개체에 영향을 미치지 않으나, 간혹 미세부수체가 유전자내부에 존재하는 경우 표현형의 변화나 질병을 유발할 수 있다.

1. 단백질에 대한 영향 포유동물의 경우 많은 유전자가 암호화 부위 내의 짧은 DNA 서열 반복(대부분은 3 염기 반복)을 가지고 있어 전체 단백질의 20~40%가 반복된 아미노산 서열을 포함한다. 효모에서 3 염기 반복에 의해 가장 일반적으로 나타나는 아미노산은 글루타민(Glutamine, Q), 아스파라긴(Asparagine, D) 및 세린(Serine, S)이다. 이들 3 염기 반복의 미세부수체가 돌연변이를 통해 길이에 변화가 생기면, 취약 X 증후군(fragile X syndrome)이나 헌팅턴병(Huntington’s disease) 같은 신경계의 질환을 유발할 수 있다.

2. 유전자 조절에 대한 영향 유전자의 프로모터나 시스-조절부위 내의 미세부수체 길이에 변화가 생기면 세대 간에 유전자 발현의 차이를 유발시킬 수 있다. 인트론 내의 미세부수체도 표현형에 영향을 미칠 수 있다. FXN(frataxin) 유전자의 첫번째 인트론에서 GAA의 길이 확장은 유전자의 불안정화나 전사 방해를 통해 프리드라이히 운동실조증(Friedreich Ataxia)을 유발하며, 표피성장인자 수용체(epidermal growth factor receptor, EGFR) 유전자 내의 미세부수체의 길이 감소는 골육종과 연관되어 있다. 염색체 말단소립 부위는 척추동물에서 TTAGGG 6 염기 반복 서열의 DNA로 구성된다. 반복적인 DNA 복제에 따른 염색체 말단소립 부위의 TTAGGG 반복 서열의 감소가 노화와 관련이 있다고 생각된다.

유전자 조절에 대한 영향 돌연변이 기작

단일 뉴클레오티드의 변화만 생기는 점 돌연변이(point mutation)와는 달리, 미세부수체의 돌연변이는 전체 반복 단위의 증가 또는 감소를 통해 DNA 길이의 변화를 동반한다. 미세부수체의 돌연변이의 원인으로 복제 미끄러짐(replication slippage)과 유전자 재조합(genetic recombination)을 들 수 있다.

DNA 중합효소가 주형 가닥을 따라 이동하면서 DNA 복제를 하는 과정에서 잘못된 뉴클레오티드를 삽입하고 수정 없이 그냥 지나치는 미끄러짐이 발생할 수 있다. DNA 중합 효소의 미끄러짐 현상에 의해 삽입-결실의 루프가 생기게 되면 이를 미스매치 회복기작에 관련된 단백질들이 인식하여 수리하지만, 미스매치 단백질이 정상적인 기능을 하지 않는 경우에는 삽입-결실 루프가 복제된 DNA에 그대로 남아 통해 프레임시프트(frameshift) 돌연변이가 발생하게 된다. DNA 중합효소의 미끄러짐 현상은 미세부수체와 같이 반복 서열 부위에서 더 높은 빈도로 나타나며, 미스매치 회복의 비활성화 상태에서는 더욱 높은 빈도로 축적된다. 이러한 상태를 미세부수체 불안정성(Microsatellite instability, MSI)이라고 한다. 일반적으로 각 미세부수체의 미끄러짐은 약 1,000 세대에 1회 정도 발생한다.
유전자 재조합도 불균등한 교차 또는 유전자 전환에 의한 미세부수체의 반복 횟수를 변화시킬 수 있다.
복제 중에 하나의 뉴클레오티드만 잘못 복사되는 점 돌연변이도 미세부수체 돌연변이의 원인이 될 수 있다. 사람과 영장류 게놈을 비교한 연구는 짧은 미세부수체에서 반복 염기 숫자의 변화는 대부분 미끄러짐보다는 점 돌연변이로 인해 나타남을 발견했다.

그림. 미세부수체 부위에서 복제 중 DNA 가닥의 미끄러짐. (1) 미세부수체의 정상적인 DNA 복제(n). (2) 새로운 가닥의 루프 때문에 하나의 반복단위가 삽입되었다(n+1). (3)주형 가닥의 루프로 인해 미세부수체의 하나의 반복단위가 손실되었다( n-1). (출처: 한국분자·세포생물학회)

미세부수체의 응용분야

미세부수체는 다음과 같은 분야에서 널리 이용된다.

암세포처럼 빠르고 반복적으로 세포 분열을 하는 세포에서 미세부수체에서 자주 결실이 일어나는 경우가 많다. 따라서 미세부수체 결실은 통해 암 진단을 하는데 이용된다.
미세부수체 길이의 개인별 차이는 법의학에서 '유전자 지문'이라고도 알려진 DNA 프로파일링에 사용된다.
친족 관계 분석, 특히 부계 판정에서 자주 사용된다.
유전자 연관 분석 시 게놈 내에서 유전자 위치를 파악하는데 사용된다.
인구 유전학 및 종 보존 프로젝트나 식물 유종에서 좋은 형질의 마커 선택에 사용된다.

미세부수체의 분석

반복서열 때문에 미세부수체는 차세대 염기서열결정법(next-generation sequencing)으로 분석이 쉽지 않다. 따라서 미세부수체는 특정 DNA 영역의 PCR 증폭 후 반복 서열 빈도 측정에 의해 분석되며, PCR 증폭 DNA의 염기서열을 결정을 통해 분석하기도 한다.

참고문헌

1. Wikipedia -

2. Griffiths AJF, Wessler SR, Carroll SB, Doebley J. (2015) Introduction to Genetic Analysis (10th edition) Macmillan Learning, New York, NY.

3. Craig N, Cohen-Fix O, Green R, Greider C, Storz G, Wolberger C. (2010) Molecular Biology: Principles of Genome Function. Oxford University Press, Oxford, UK.

4. Li YC, Korol AB, Fahima T, Beiles A, Nevo E. (2002) Microsatellites: genomic distribution, putative functions and mutational mechanisms: a review. Mol Ecol. 11: 2453-65. 5 . Ellegren, H. (2004) Microsatellites: simple sequences with complex evolution. Nature Rev Genet 5: 435–445

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