교차형 염기전이

교차형 염기전이(Transversion)는 퓨린계의 염기가 피리미딘계의 염기로, 또는 그 반대로 피리미딘계(Pyrimidine) 염기가 퓨린계(Purine) 염기로 치환되는 염기 쌍치환(base pair substitution) 돌연변이를 일컫는다. 이와 달리 퓨린계의 염기가 다른 퓨린계의 염기로 전환되거나 피리미딘계의 염기가 다른 피리미딘계의 염기로 전환되는 돌연변이를 염기전이(Transition)이라고 한다.

그림 1. 교차형 염기전이(transversion)와 염기전이(transition). 교차형 염기전이는 퓨린과 피리미딘 사이의 치환으로 8가지의 치환이 가능하다(빨간색 화살표). 염기전이는 피리미딘끼리 혹은 퓨린끼리의 치환으로 4가지의 치환이 가능하다(파란색 화살표). (출처:https://commons.wikimedia.org/wiki/File:All_transitions_and_transversions.svg)

DNA의 염기는 오각링과 육각링으로 구성된 퓨린 계열과 하나의 육각링으로 구성된 피리미딘 계열로 나뉜다. 아데닌(Adenine, A)과 구아닌(Guanine, G)은 퓨린계의 염기이며, 시토신(Cytosine, C)과 티민(Thymine, T)은 피리미딘계의 염기이다. DNA가 이중나선을 이룰 때, 한 가닥의 DNA에 있는 퓨린 염기가 다른 가닥의 피리미딘 염기와 상보적인 수소 결합을 한다. 티민은 아데닌과 2중 수소결합을 하고, 시토신은 구아닌과 3중 수소 결합을 한다. 유전자의 염기 서열 중 한 개가 바뀌면서 발생하는 돌연변이를 점 돌연변이(Point mutation)라고 하는데, 교차형 염기전이는 하나의 염기가 다른 염기로 치환되는 점돌연변이의 일종이다. 교차형 염기전이는 염기의 링의 숫자와 크기가 다른 염기의 치환이기 때문에 염기전이에 비해서 DNA의 이중나선 구조에 더 큰 변형을 발생시킨다.

A→G 또는 C→T 사이의 변화처럼 동일 계열 염기로 바뀌는 염기전이보다, A→C,T나 C→A,G로 바뀌는 교차형 염기전이가 발생할 수 있는 확률이 단순 계산으로는 2배 이상 높지만, 단일링에서 이중링으로 심각한 구조적인 변화를 동반해야 하는 교차형 염기전이보다 링구조의 전환이 필요 없는 염기전이가 실재로는 훨씬 자주 발생한다.

인간의 게놈에는 약 3백만개의 단일 뉴클레오타이드 다형성이 존재하며, 이는 약 500~1,000개의 염기당 1개꼴로 발생한다. 단일 뉴클레오타이드 다형성의 60% 이상이  염기의 전이에 의해서 발생한다.

목차

교차형 염기전이는 자발적으로 생길 수도 있고, 전리 방사선 또는 알킬화 물질 등 외부 자극에 의해서도 발생할 수 있다. 교차형 염기전이는 정상 염기로의 복귀에 의해서만 정상 상태로 되돌릴 수 있다. 8-옥소-2-데옥시구아닌(8-oxo-2'-deoxyguanosine, 8-oxodG)은 데옥시구아닌(deoxyguanosine)의 산화 유도체이며 DNA 산화의 주요 생성물 중 하나이다. 수정되지 않은 8-oxodG는 DNA를 복제를 통해 G→T 변환 돌연변이를 일으킨다. 이러한 돌연변이가 배아줄기세포에서 발생하면 해당 배아줄기세포에서 유래하는 세포들의 염색체에는 G→T 변이가 유지되어 이로 인한 다양한 표현형이 몸 전체에 걸쳐서 나타날 수 있게 된다.

교차형 염기전이로 인하여 유발되는 질병의 대표적인 예로 겸상적혈구빈혈증(Sickle Cell Disease, SCD)을 들 수 있다.  겸상적혈구빈혈증은 헤모글로빈 단백질을 구성하는 아미노산 중 하나가 바뀌어서 적혈구가 낫 모양으로 변하여 악성빈혈을 유발하는 유전 질환이다. 환자는 11번 염색체상에 존재하는 헤모글로빈 베타 유전자의 염기서열에 GAG → GTG로 교차형 염기전이가 나타나 있다. 이 변이는 헤모글로빈 베타 단백질의 6번째 친수성 아미노산인 글루타민산(glutamate)을 소수성 아미노산인 발린(valine)으로 바꾼다. 돌연변이 헤모글로빈은 산소와 결합하지 않은 상태에서 서로 달라붙어 긴 바늘 모양의 구조를 형성하므로 적혈구의 모양이 길게 찌그러진 낫 모양으로 바뀌게 된다. 따라서 상동 염색체 모두에 이상 유전인자를 가지고 있는 환자는 쉽게 파괴되는 겸상적혈구를 가지므로 심각한 빈혈 증상과 말초 모세혈관의 괴사를 일으키게 된다.

그림 2. 정상 적혈구와 겸사 적혈구의 헤모글로빈 아미노산 서열 (출처: 한국분자·세포생물학회)

그림 3. 그림 : 정상적인 적혈구와 겸사 적혈구의 혼합을 보여주는 주사 전자 현미경사진(출처:https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Sicklecells.jpg).

염기전이 (transition), 점 돌연변이( point mutation),

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. Clancy S. (2008) Genetic mutation. Nature Education. 1: 187.