Mendelian Genetics

1 Mendel’s Experimental, Quantitive Approach

유전에 관한 두 가지 가설

• blending inheritance
• particulate inheritance

개체마다 다른 유전적 특징을 character라고 부른다. 이러한 character가 어떠한 지를 trait이라고 한다. 완두는 짧은 세대 교체 주기, 많은 후손 그리고 조절 가능한 교배라는 이점을 가지고 있다.

Mendel은 두 개의 뚜렷하게 구분되는 형태를 가진 character에 대하여 연구하였다. 그는 true-breeding을 통해 연구를 시작하였다. 서로 상반되는 true-breeding (dominant, recessive)를 교배시켜 hybridiation을 진행하였다. true-breeding으로 이루어진 부모 세대를 P generation, 상반되는 true-breeding을 통해 얻은 세대를 F1 generation이라고 불렀다. F1 간의 self-pollinate 또는 cross-pollinate를 통해 얻은 세대를 F2 generation이라고 불렀다. Research Method 상반되는 두 true-breeding간의 교배를 통해 유전의 패턴을 연구할 수 있다.

1. 수술을 제거한다.
2. 정자를 담고있는 꽃가루를 이식한다.
3. 완두에서 나타난 trait을 관찰한다. Result F1 generation의 모든 개체에서 보라색 꽃이 나타났다. 이를 통해 보라색이 dominant, 흰색이 recessive임을 알 수 있다.

1.1 The Law of Segregation

Mendel이 상반되는 개체를 교배시켰을 때, F1 generation의 모든 개체에서 보라색 꽃이 나타났다. 이러한 결과는 혼합설로 설명이 불가능 했다. F1 hybrids간의 교배로 태어난 F2 generation에서 대부분이 보라색, 일부가 흰색으로 나타났고, Mendel은 이를 보라색 인자가 F1 hybrid의 영향을 받기 때문이라고 설명하였다. 그는 보라색 꽃을 dominant trait, 흰색 꽃은 recessive trait이라고 하였다. 이러한 인자들은 F2 generation에서 다시 흰색 꽃이 나타났으므로 희석되거나 파괴되지 않는다.
Mendel은 두 trait으로 표현되는 완두콩의 6가지 character에서 동일한 패턴의 유전이 나타남을 관찰하였고 이를 유전 인자라고 불렀다.

Inquiry - F1 hybrid에서 self- 또는 cross-pollinate를 하였을 때 F2 generation에서는 어떤 trait이 나타나는가? Experiment P generation - 보라색과 흰색의 true-breeding F1 generation을 self- 또는 cross-pollinate한다. Result F2 generation에서 보라색과 흰색의 비율이 3:1로 나타났다. Conclusion recessive trait에 대한 heritable factor는 F1 generation에서 파괴, 삭제 또는 혼합되지 않았다. 단지, dominant factor에 의해 가려진 것이다.

1.1.1 Mendel’s Model

Mendel은 F2 offspring에서 나타나는 3대 1 비율의 유전 패턴을 설명하기 위한 모델을 만들어냈다.

1. allele은 inherited charcter의 변화를 설명한다. gene은 특정 chromosome의 특정 locus에 위치한다.
2. 각각의 character에 대하여 개체는 각 부모로 부터 받은 두 개의 allele을 가지고 있다. Mendel은 chromosome을 알지 못하는 상태로 이러한 추론을 해내었다. 특정한 locus에 위치한 두 allele은 P generation에서 그러했듯이 동일하거나 F1에서 그러했듯이 다르다.
3. locus에 있는 두 allele이 서로 다른 경우 dominant allele이 개체의 phenotype을 결정하고, recessive allele은 외적인 변화를 나타내지 않는다.
4. The law of segregation - 유전되는 특징에 대한 두 allele은 gamete를 형성하는 단계에서 분리되고 최종적으로 다른 gameted에 위치한다.
5. The law of Independent Assortment - dihybrid cross에서 두 쌍 이상의 대립 형질이 동시에 유전될 때 각각의 형질을 나타내는 유전자는 다른 유전자에 영향을 주지 않고, 독립적 유전된다.

1.1.2 Test Cross

genotype을 알지 못하는 임의의 individual과 homozygous recessive individual을 교배시켜 genotype을 알아낸다.

1. heterozygous dominant인 경우 recessive와 dominant phenotype이 모두 나타난다.
2. homozygous dominant인 경우 dominant phenotype만 나타난다.

2 Extending Mendelian Genetics for a Single Gene

Mendel의 법칙은 다음과 같은 경우 성립하지 않을 수 있다.

• allele이 complete dominance를 가지지 않는 경우
• gene이 두 개 이상의 allele을 포함하는 경우
• gene이 여러 phenotype에 관여하는 경우

2.1 Degrees of Dominance

complete dominance - heterozygote와 dominant homozygote의 phenotype이 동일한 경우 incomplete dominance - F1 hybrid의 phenotype이 P generation의 phenotype 사이에 있는 경우 codominance - 두 dominant allele에 대한 phenotype이 독립적으로 구분 가능하게 나타나는 경우

dominance는 어떤 관점에서 보느냐에 따라 달라질 수 있다.

완두에서는, dominant allele이 완두콩 안에 있는 unbranched formed starch를 branched form으로 바꿔 물이 차오르도록 한다.

유전 질환인 Tay-Sachs 증후군은 효소 기능에 문제가 생겨 뇌에 지질이 축적되도록 한다.

• 유기체의 수준에서 allele은 recessive이다(효소를 정상 발현하는 allele이 하나라도 있으면 증상이 나타나지 않음).
• 생화학적 수준에서 phenotype은 incompletely dominant하다(dominant한 경우에 비해 증상이 있고, recessive한 경우 보다 증상이 적음).
• 분자적 수준에서, allele은 codominant하다(allele은 서로 다른 효소를 생성해낸다.).

2.1.1 Frequency of Dominant Alleles

dominant allele이 반드시 recessive allele보다 개체 수가 많지는 않다. polydactyl은 doinant allele에 의해 나타나며 recessive allele보다 그 수가 적다.

2.1.2 Multiple Allele

대부분의 gene는 두 가지 이상의 allele로 이루어진다. 예를 들어 ABO식 혈액형의 4가지 phenotype은 red blood cell(erythrocyte)에 어떤 carbohydrate를 붙이느냐에 따라 결정된다: $I^A,I^B,i$

$I^A{I}^A$ 또는 $I^{A}i$의 phenotype은 A이다. $I^B{I}^B$ 또는 $I^{B}i$의 phenotype은 B이다. $I^A{I}^B$의 phenotype은 A이다. $ii$의 phenotype은 O이다.

2.1.3 Pleiotropy

하나의 allele이 여러 phenotype에 영향을 끼치는 경우 pleiotropy라고 한다.

Cystic Fibrosis 염화 이온 통로에 문제가 생겨 다양한 증상이 발생한다.

Sickle Cell Disease

2.1.4 Epitasis

epitasis에서는 한 locus에 위치한 gene이 다른 locus에 위치한 gene의 phenotype에 영향을 끼친다. 예를 들어, 레드라도 리트리버의 색은 두 gene에 의존하며 한 유전자는 색소 색을, 다른 유전자는 색소의 침착 여부를 결정한다.

2.1.5 Polygenic Inheritance

하나의 phenotype에 대해 여러 gene이 독립적으로 작용하는 경우 quntitative character가 연속적으로 나타난다. 180개 이상의 gene이 키에 영향을 미치며 피부 색도 마찬가지이다.

2.1.6 Multifactorial

character에 대한 phenotype은 환경에도 영향을 받는다. 여러 gene의 영향을 받는 character의 phenotype은 넓은 범위의 표현형을 가진다. trait은 이러한 gene과 주변 환경의 영향을 받으며 이를 multifactorial이라고 한다.

유기체의 phenotype에는 물리적 특징, 해부학적 구조, 생리학 그리고 행동에 대한 양상을 포함한다. phenotype에는 전체적인 genotype과 성장 과정에서의 환경 정보를 담고 있다.

2.2 Genetic Disease

2.2.1 Recessively Inherited Disorders

2.2.1.1 Albinism

Albinism은 피부나 머리 등에서 색소가 침착되지 않아 생기는 recessive condition이다. consanguineous mating으로 인해 이러한 recessive allele을 가진 carrier가 만날 확률이 높아진다.

2.2.1.2 Cystic Fibrosis

cysitic fibrosis allele은 plasma membrane의 chloride transport channels이 결합이 있거나 결핍 되도록 하여 세포 외부에 chloride ion이 축적되도록 한다. 증상에는 일부 내부 기관에 내에 점액이 축적되고 소장에서 비정상적인 영양분 흡수 등이 포함된다.

2.2.1.3 Sickle-Cell Disease

sickle-cell disease는 hemoglobin protein의 하나의 아미노산이 치환되어 발생한다. homozygous recessive individual에서 모든 hemiglobin이 sickle-cell 형태이다. heterozygote인 개체는 주로 건강하지만 일부 증상이 있을 수 있다. heterozygotes에서는 mosaic가 일어나 sickle-cell과 normal hemoglobin이 한 개체에서 공존하게 된다. 이는 저지대에서 증상이 나타나지 않으며 malaria 기생충으로부터 덜 취약하여 malaria가 많은 지역에서 이점을 가진다.

2.2.2 Dominantely Inherited Disorders

일부 human disorders는 dominant allele에 의해 일어날 수 있다.

2.2.2.1 Dwarfism

치명적인 질병을 일으키는 dominant allele은 희귀하고 mutation에 의해 일어난다. Anchondroplasia는 dominant allele에 의해 일어나는 dwarfism의 한 형태이다.

2.2.2.2 Huntington’s Disease

huntington’s disease는 nervous system의 degenerative disease이다. 개체가 35~40가 되기 전에는 명확한 phenotypic effect가 나타나지 않으며 악화가 시작되고 나면 되돌릴 수 없다. 개체의 genome에서 huntington’s disease의 존재 여부를 판단할 수 있는 검사 방식이 있다.