최근에 뒤늦게 유발 하라리의 ‘사피언스’라는 책을 읽고 있는 중입니다. 인류의 발생부터 역사 시대, 오늘 날에 이르기까지의 전체적인 과정을 아주 논리적이고 과학적으로 서술하고 있어서 아주 재밌게 빠져서 보는 중입니다. 특히 앞부분의 다양한 human species에서 Homo sapiens 라는 종의 탄생 및 번영 과정을 서술한 부분에서는 유전학적으로 많은 영감과 아이디어를 얻게 되었습니다. 그래서 오늘은 우리 몸 속의 화석 (fossilized gene)이라고도 여겨지는 유사 유전자 (Pseudogene)에 대해서 정리해 보고자 합니다.
유사 유전자(Pseudogene)란 무엇인가?
우선 유사 유전자는 다음과 같은 특징을 가진 genetic element 입니다.
- 단백질을 coding 하는 functional gene과 염기 서열이 매우 비슷하다. : Pseudo-gene 이라는 이름은 실제 유전자와 염기 서열이 매우 비슷하기 때문에 붙여진 이름입니다. 그러나 실제 유전자와 달리 단백질을 coding 하는 기능이 사라진 non-functional element 입니다.
- 따라서, Pseudogene은 일반적으로 유전자 발현과 관련된 요소들, Promoter, Regulatory element 또는 Intron 영역을 가지고 있지 않습니다.
- 유사 유전자는 크게 Processed와 Non-processed Pseudogene으로 구분됩니다.: 전사 과정을 거쳐, intron 영역이 제거된 상태로 존재하는 경우 processed라고 부르며, 그렇지 않고 유전자가 그대로 복제된 경우와 같을 때는 non-processed로 구분합니다.
- 대부분의 유사 유전자는 실제 유전자의 퇴화된 사본 (degenerative replicate)으로 간주되어, 진화 과정에서의 부산물로 간주되어 Fossilized gene이라고도 불리고 있습니다.
- 유사 유전자의 발생은 새로운 유전자의 발생 과정과 맞물려 이해되고 있는데, 아래와 같은 다양한 과정이 관련된 것으로 생각되고 있습니다.
새로운 유전자의 생성과 유사 유전자
“The formation of new genes is a primary driving force of evolution in all organisms. How exactly do these new genes crop up in an organism’s genome and what must occur in order for them to be passed on?”
새로운 유전자가 생성되는 과정, 그리고 그 결과 퇴화되는 유전적 요소들을 진화적 관점에서 설명하려는 학문을 진화 유전학 (Evolutionary Genetics)라고 합니다. 이러한 과정을 이해하는 것은 종 간의 유전적 차이 뿐 아니라, 같은 종 내에서 개체 간의 생물학적 다양성, 질병의 발생 등을 이해하는 데에도 중요한 영감을 줍니다.
아래는 새로운 유전자가 생성되는 다양한 메커니즘을 정리한 표입니다. 이 중에서도 중요한 메커니즘은 Gene duplication 및 Retroposition 인데, Gene duplication은 유전자가 복제되어 여러 복제된 쌍을 갖게 되는 과정이고, Retroposition은 DNA로 부터 RNA로 전사가 일어난 후, 이 RNA로 부터 역전사가 일어나서 이 유전적 요소가 또 다른 위치에 도입되는 과정입니다.
유사 유전자의 임상적 의의
사실 최근의 몇몇 연구에서는 유사 유전자도 유전적 기능을 가진다는 것을 발표하여, 유사 유전자가 단순히 진화의 산물로 남게된 Junk DNA는 아니라는 것을 밝히기도 하였습니다. 그러나 아직도 Pseudogene에 대해서는 많은 부분이 베일에 가려져 있는 상태입니다. 마지막으로 유사 유전자의 임상적 의의에 대해서 언급하면서 이번 포스팅을 마치도록 하겠습니다.
사실 유사 유전자는 PCR primer를 디자인하거나, NGS 검사를 할 때 상당히 성가신 존재입니다. 관심 있는 유전자 (Target gene)이 많은 유사 유전자를 가진 경우, 그 유전적 유사성 (Homology) 때문에 primer를 디자인하거나, target site를 제대로 detection 하는데, 간섭을 일으키거나 방해를 주기 때문입니다. 특히, NGS 검사의 경우 우리가 관심있는 타겟 유전자의 염기 서열에만 primer가 가서 달라 붙어야 하는데, 서열의 유사성 때문에 유사 유전자에도 비특이적으로 결합을 하는 경우가 발생하게 됩니다. 따라서 시퀀싱 결과를 해석하는 경우에는 유사 유전자의 존재 유무도 항상 고려하여, Primer 디자인과 해석을 해야 하겠습니다.
[참고 자료]
Chandrasekaran , C. & Betrán , E. (2008) Origins of new genes and pseudogenes. Nature Education 1(1):181
Long, Manyuan, et al. “The origin of new genes: glimpses from the young and old.” Nature Reviews Genetics 4.11 (2003): 865-875.
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