[유전학 중요개념 정리] Tandem repeat: STR and VNTR

최근에 법의학 관련 드라마를 보다가 문득 생각이 나서, 오늘은 Tandem repeat의 개념에 대해서 정리하는 포스팅을 남깁니다. Tandem Repeat은 DNA의 염기 서열 중에서 특정 염기 서열이 계속 반복 되는 영역을 일컫습니다. 대부분은 단백질을 coding하지 않는 non-coding 영역에 분포하고 있는데, 전체 염기 서열의 15~20%를 차지할 정도로 상당한 비중을 차지합니다. 원래 이 영역은 개인간의 차이로 인해, 주로 친자 확인이나 범인의 DNA로 부터 신원 감식을 할 때 주로 사용하였습니다.

 

Tandem (일렬로 쭈욱 나란히 늘어선 상태) + Repeat (반복): DNA의 계속적으로 반복되는 서열을 의미

• Short Tandem Repeat (STR): 반복되는 서열이 2~7개의 염기로 매우 짧은 경우, 전체 유전체에 걸쳐 3만여개 이상 분포되어 있는 것으로 생각됨. (10kb당 1개 꼴)
• 특별히 암유전체학에서 암 발생과 연관된 STR을 Microsatellite instability (MSI)라고 합니다.
• Variable Number Tandem  Repeat (VNTR): 반복 서열 염기가 수십~수백개 정도로 더 긴 경우

 

I. Tandem Repeat의 발생 메커니즘과 진화적 의의

DNA가 반복되는 염기 서열 부위는 DNA 합성 과정에서 error가 잘 발생하는 (High mutation rate) 부위입니다. DNA polymerase에 의해 DNA 합성이 발생하다가, 위와 같은 방식으로 반복 부위를 빠뜨리거나 더할 수 있습니다. 위와 같은 메커니즘을 Slipped-strand mispairing이라고 합니다. 이러한 메커니즘으로 인해, 개체별로 Tandem Repeat에도 다양성이 발생하게 되고, 최근 연구에서는 이러한 Tandem Repeat의 다양성이 유전자 발현에도 영향을 미쳐서 다양한 형질에도 영향을 미친다는 것이 밝혀졌습니다. 특히 이러한 메커니즘은 진화에 의해 개체의 형질이 변화하는 것을 설명하는 중요한 근거입니다.

 

II. STR 활용: 신원 감식, 친자 확인, 골수 이식 후 치료 추적 마커

STR 마커는 개인별로 다양하게 나타나기 때문에, 일종의 profile로 이용할 수 있습니다. 따라서, 과거부터 친자 확인이나 범죄 현장의 DNA를 이용하여 용의자를 검거할 경우에 이용해 왔습니다. 또한 임상적으로는 백혈병이나 골수 이상 질환에서 골수 이식 후 치료를 추적하는 마커로도 이용하고 있습니다. 항암치료 후에 골수 이식을 하면, 본인의 골수의 STR 마커는 사라지고 골수 이식 기증자의 STR 마커가 나타나야 하는데, 본인의 STR 마커가 다시 많이 나타나는 것은 암세포 증식을 의미하므로, 치료 잘 되었는지 재발이 되었는지를 판단하는데 도움을 주게 됩니다.

[STR을 이용한 신원 감식 원리] 개인별로 STR이 나타나는 부위의 반복 서열이 다양하기 때문에, 친자 확인이나 범죄 용의자 수사에 용이하게 이용할 수 있습니다.

[STR을 이용한 범인 감식 원리] 범죄 현장에서 찾아낸 DNA와 용의자의 DNA를 이용하여 특정 부위의 STR의 반복 길이를 비교함으로써 동일인인지를 확인합니다.

[골수 이식 후 치료 추적 마커로써 STR 활용] 혈액에서 공여자와 환자의 치료전 STR 마커와 이식 후 STR 마커를 비교하여 골수 이식이 성공적으로 일어났는지, 항암 치료 후 골수 암 세포의 증식이 다시 발생하지 않았는지 등을 판단할 수 있습니다.

 

이번 포스팅은 Tandem Repeat의 개념과 활용에 대해서 정리하는 것으로 마치고, 다음 포스팅에서는 실제 유전학 연구에서의 의의를 좀 더 자세히 살펴보도록 하겠습니다.

 

[Reference]

Tandem repeats and morphological variation. Nature Education 1(1):1