각인

각인은 암컷 혹은 수컷의 기원에 따라서 특이적으로 유전자가 발현되는 후성유전학적 현상이다. 각인은 식물을 포함하여 곰팡이, 동물에서도 발견되었으며, 일반적인 멘델의 유전법칙과는 다르게 유전된다. 대개의 경우 각인 현상은 DNA 염기서열의 변화 없이 DNA 메틸화와 히스톤 메틸화와 같은 후성유전학적 표지에 의해서 조절되는 것으로 알려져 있다. 각인의 후성유전학적 표지는 정자나 난자 같은 식물의 생식세포에서 확립되고, 체세포분열 동안에는 안정적으로 유지된다. 일반적인 2배체(2n) 식물에서 세포는 자신의 유전자를 각각 암컷과 수컷으로부터 각각 받아 전체 두 개의 대립유전자를 가진다. 대부분의 유전자는 두 개 모두가 잘 발현되지만, 각인된 유전자의 경우는 암컷과 수컷에서 유전된 대립유전자 중에서 하나만 발현된다.(그림 1)¹⁾

그림 1. 특정 유전자는 부 혹은 모로부터 유전된 대립유전자는 후성유전학적으로 각인이 되어 있으며, 수정된 세포에서 다르게 발현된다. 1차 각인은 수정 전에 확립이 되지만, 2차 각인은 수정 후에 추가로 생성이 된다. 이 경우에는 암컷으로부터 유전된 대립유전자는 각인되어 있어 발현이 되지 않는 반면에, 수컷의 유전자는 정상적으로 발현된다. (출처: 한국식물학회)

목차

식물은 감수분열과 유사분열을 거쳐 다세포의 배우체를 형성한다. 수컷의 배우체인 꽃가루는 두 개의 정자세포와 하나의 생식세포를 가지며 결국 정자세포를 암컷의 배우체에 들어간다. 정자세포 중의 하는 난자와 결합하여 접합자(2n)를 형성하고 다른 하나는 중심세포의 극핵과 융합하여 배젖(3n)을 형성한다. 따라서 식물은 1차 각인이 일어날 수 있는 3가지의 세포(정자, 난자, 중심세포)를 가진다. 현재까지 수백 개의 각인 유전자들이 애기장대, 벼, 옥수수 등에서 발견되었으며, 가장 많은 각인 유전자들은 배젖에 존재하고 배에 존재하는 각인 유전자는 소수이다.

대표적인 각인 유전자로는 중심세포에서 후성유전학적으로 조절되는 MEDEA(MEA) 유전자를 들 수 있다. MEA 유전자는 식물세포 대부분에서 DNA 메틸화에 의해서 발현이 억제되어 있다. 그러나 암컷의 배우체의 중심세포에서 DEMETER (DME) 유전자에 의해서 DNA 탈메틸화 현상에 의해서 해당 유전자가 수정 전에 정상적으로 발현된다. 따라서 수컷 유래 MEA 유전자는 각인되어 유전자가 발현이 안되지만, 암컷 유래 MEA 유전자는 정상적으로 발현이 되게 된다.(그림 2)²⁾

그림 2. 애기장대 각인 유전자인 MEA의 후성유전학적 조절. (출처: 한국식물학회)

MEA의 경우와 같이 가장 일차적인 식물의 각인은 DNA 메틸화에 의한 것으로 밝혀졌다. 또한 히스톤 단백질의 리신 잔기의 메틸화는 2차 각인으로 많이 보고가 되었다(그림 3). 애기장대 FWA 유전자자리에서 DME 활성은 정자세포에는 존재하지 않고 중심세포에서 존재한다. 이런 현상은 1차적인 각인을 유발하여 암컷에서 유래된 대립유전자의 발현만을 가능하게 한다. 애기장대 PHERES1 유전자의 경우에 존재하는 1차적인 각인은 중심세포에서 작용하는 DME에 의한 repeats 부위에서의 탈메틸화에 의해서 형성된다. 이는 히스톤3번 단백질의 27번 리신 잔기의 메틸화를 가져오며, 이 2차 각인은 궁극적으로 수컷에서 유래된 유전자만의 발현을 가능하게 한다. 애기장대 VIM5은 히스톤3번 단백질의 27번 리신의 메틸화가 수컷 유래 유전자만의 발현을 유발하는 각인을 생성한다.(그림 3)¹⁾

그림 3. 배젖에서 각인 생성 기작. (위) 애기장대 FWA 유전자 각인. 암컷에서 유래된 대립유전자의 발현만을 가능하게 한다. (중간) 애기장대 PHERES1 유전자의 각인. 수컷에서 유래된 유전자만의 발현을 가능하게 한다. (아래) 애기장대 VIM5의 각인. 수컷 유래 유전자만의 발현을 유발하는 각인을 생성한다.(출처: 한국식물학회)

1. Rodrigues JA, Dilberman. D (2015) Evolution and function of genomic imprinting in plants. Genes Dev 19: 517–2531
2. Kinoshita T, Yadegari R, Harada JJ 등 (1999) Imprinting of the MEDEA polycomb gene in the Arabidopsis endosperm. Plant Cell 11: 1945-1952