유전자는 우리의 운명인가?

2011 년 9 월 15 일

유전자는 우리의 운명인가?

Salk 과학자들은 DNA의 "숨겨진" 코드가 유전 코드보다 더 빠르게 진화한다는 사실을 발견했습니다.

2011 년 9 월 15 일

LA JOLLA, CA—소크 생물학 연구소(Salk Institute for Biological Studies) 연구원들의 획기적인 연구 결과에 따르면, 식물의 DNA에 연결된 "숨겨진" 코드는 이전에 생각했던 것보다 훨씬 더 빠르게 새로운 생물학적 특성을 개발하고 물려줄 수 있게 합니다. .

오늘 저널에 발표된 연구 과학, 유기체의 "후생유전학적" 코드(DNA에 있는 생화학적 지침의 추가 계층)가 유전 코드보다 더 빠르게 진화할 수 있고 생물학적 특성에 강력한 영향을 미칠 수 있다는 첫 번째 증거를 제공합니다.

연구는 식물계의 실험용 쥐에 해당하는 애기장대(Arabidopsis thaliana)라는 단일 식물 종으로 제한되었지만, 그 발견은 인간을 포함한 다른 유기체의 특성이 생물학적 메커니즘에 의해 극적으로 영향을 받을 수 있음을 암시합니다. 이해하기 시작했습니다.

"우리의 연구는 모든 것이 유전자에 있는 것이 아니라는 것을 보여줍니다."라고 말했습니다. 조셉 에커연구팀을 이끈 Salk의 식물 분자 및 세포 생물학 연구실 교수. “우리는 이 식물들이 우리가 상상했던 것보다 더 유연하고 영향력 있는 후성 유전적 코드를 가지고 있다는 것을 발견했습니다. 우리가 완전히 이해하지 못하는 유전 가능성의 요소가 분명히 있습니다. 우리 인간은 우리의 생물학적 특성을 제어하고 우리의 아이들에게 전달되는 유사하게 활동적인 후생유전학적 메커니즘을 가지고 있을 가능성이 있습니다. ”

유기체의 DNA를 신속하게 매핑하는 기술의 출현으로 과학자들은 XNUMX글자 DNA 코드에 저장된 유전자가 유기체가 어떻게 발달하고 환경에 반응하는지 항상 결정하지는 않는다는 사실을 발견했습니다. 생물학자들이 다양한 유기체의 게놈(전체 유전자 코드)을 지도화할수록 유전 코드가 지시하는 것과 유기체가 실제로 어떻게 보이고 기능하는지 사이의 불일치를 더 많이 발견하고 있습니다.

사실, 이러한 결론을 이끌어낸 많은 주요 발견은 식물에 대한 연구를 기반으로 한 것입니다. 이 후성 유전 코드의 통제하에 있는 일부 식물에는 꽃 모양 및 과일 색소 침착과 같은 특성이 있습니다. 고전적인 멘델 유전학의 예측을 무시하는 그러한 특성은 포유류에서도 발견됩니다. 예를 들어 일부 생쥐의 경우 비만 경향이 세대를 거쳐 전달될 수 있지만 뚱뚱한 생쥐와 마른 생쥐의 유전자 코드 차이로는 이러한 체중 차이를 설명할 수 없습니다.

과학자들은 일란성 인간 쌍둥이가 일치하는 DNA 서열에도 불구하고 서로 다른 생물학적 특성을 보인다는 사실을 발견했습니다. 그들은 그러한 설명할 수 없는 불균형이 후생유전적 변이의 작용일 수 있다는 이론을 세웠습니다.

Ecker는 "이러한 변이 및 유전 패턴 중 어느 것도 유전자 서열이 발생해야 한다고 말하는 것과 일치하지 않기 때문에 누락된 '유전적' 유전 가능성의 구성 요소가 분명히 있습니다."라고 말했습니다.

에커와 다른 과학자들은 DNA 염기서열 위에 유전자 제어 층 역할을 하는 화학적 마커에 대한 이러한 신비한 패턴을 추적했습니다. 유전적 돌연변이가 자발적으로 발생하여 다음 세대에 유전될 수 있는 것처럼, 후생유전적 돌연변이는 개인에게서 나타나 더 넓은 인구로 퍼질 수 있습니다.

과학자들이 여러 가지 후생유전학적 특성을 확인했지만, 자연발생적으로 얼마나 자주 발생하는지, 인구 전체에 얼마나 빨리 퍼질 수 있는지, 생물학적 발달과 기능에 얼마나 중요한 영향을 미칠 수 있는지에 대해서는 알려진 바가 거의 없습니다.

Eckers 연구실의 박사 후 연구원이자 이 논문의 주저자인 Robert Schmitz는 “세대에서 세대로 이어지는 식물의 후생유전적 변이 정도에 대한 인식은 과학계 내에서 매우 다양합니다. “우리는 실제로 실험을 했고 전반적으로 각 세대 사이에 거의 변화가 없다는 것을 발견했습니다. 특정 유전자가 발현되었습니다.”

스크립스 연구소(Scripps Research Institute)의 솔크(Salk) 연구원과 협력자들은 연구에서 애기장대 식물 집단의 후생유전체를 매핑한 다음 이 생화학적 환경이 30세대 후에 어떻게 변했는지 관찰했습니다. 이 매핑은 메틸화로 알려진 화학적 변형을 겪을 수 있는 DNA 분자의 모든 위치의 상태를 기록하는 것으로 구성되었습니다. 그런 다음 그들은 이러한 사이트의 메틸화 상태가 세대에 걸쳐 어떻게 진화했는지 관찰했습니다.

식물은 모두 단일 조상의 클론이었기 때문에 그들의 DNA 염기서열은 본질적으로 여러 세대에 걸쳐 동일했습니다. 따라서 식물이 특정 유전적 특성을 표현하는 방식의 변화는 기본 DNA 서열의 변이의 결과가 아니라 후생유전학적 코드의 자발적인 변화(DNA 부위의 메틸화 변화)의 결과일 가능성이 높습니다.

Ecker는 "우리의 DNA는 각 세대마다 뒤섞이기 때문에 인간에 대해 이런 종류의 연구를 할 수 없습니다."라고 말했습니다. "사람과 달리 일부 식물은 쉽게 복제되기 때문에 모든 유전적 노이즈 없이 후생유전학적 시그니처를 볼 수 있습니다."

연구자들은 식물의 DNA에서 수천 개 정도의 메틸화 부위가 각 세대마다 변경된다는 사실을 발견했습니다. 이것은 Arabidopsis DNA에 존재하는 것으로 추정되는 잠재적으로 XNUMX만 개의 메틸화 부위 중 작은 부분을 나타내지만, DNA 서열 수준에서 보이는 자발적인 변화 속도를 약 XNUMX배 정도 작게 만듭니다.

이것은 식물과 다른 유기체의 후생유전학적 코드가 그들의 유전적 코드보다 훨씬 더 유동적이라는 것을 암시합니다.

더욱 놀라운 것은 이러한 변화 중 일부가 유전자를 켜거나 끄는 정도였습니다. 메틸화에서 유전 가능한 변화를 겪은 많은 식물 유전자는 유전자가 단백질 생산을 통해 세포 기능을 제어하는 ​​과정인 발현에서 상당한 변화를 겪었습니다.

이는 강력한 환경 압력이 없음에도 불구하고 식물의 후생유전체가 빠르게 변형되었을 뿐만 아니라 이러한 변화가 식물의 형태와 기능에 강력한 영향을 미칠 수 있음을 의미했습니다.

Ecker는 연구 결과가 후성유전학적 코드가 신속하고 극적인 효과로 재작성될 수 있다는 최초의 증거를 제공한다고 말했습니다. "이것은 유전자가 운명이 아니라는 것을 의미합니다."라고 그는 말했습니다. "만약 우리가 이 식물과 같다면, 우리의 후생유전체는 우리의 생물학적 특성에 강력한 영향을 미칠 수 있는 상대적으로 빠른 자발적인 변화를 겪을 수도 있습니다."

이제 자발적인 후성유전적 돌연변이가 발생하는 정도를 보여주었기 때문에 Salk 연구원들은 이러한 변화가 발생하고 한 세대에서 다음 세대로 전달되도록 하는 생화학적 메커니즘을 풀 계획입니다.

그들은 또한 온도 차이와 같은 다양한 환경 조건이 어떻게 식물의 후생유전적 변화를 유도하는지, 또는 반대로 후생유전학적 특성이 식물이 환경 변화에 대처하는 데 더 많은 유연성을 제공하는지 여부를 탐구하기를 희망합니다.

"우리는 이러한 후생유전학적 사건이 필요하지 않을 때 유전자를 침묵시키고 외부 조건이 보증할 때 다시 활성화할 수 있다고 생각합니다."라고 Ecker는 말했습니다. “우리는 식물 특성에 미치는 영향을 측정하기 전에는 이러한 후변이가 얼마나 중요한지 알 수 없으며 이제 막 이러한 실험을 수행할 수 있는 지점에 도달했습니다. 그거 정말 신난다."

이 연구는 National Science Foundation, National Institutes of Health, Howard Hughes Medical Institute, Gordon and Betty Moore Foundation 및 Mary K. Chapman Foundation의 지원을 받습니다.

Salk Institute of Biological Studies 정보 :
Salk Institute for Biological Studies는 세계적으로 유명한 기초 연구 기관 중 하나로, 국제적으로 유명한 교수진이 독특하고 협력적이며 창의적인 환경에서 근본적인 생명 과학 문제를 조사합니다. 발견과 미래 세대의 연구원 멘토링 모두에 초점을 맞춘 Salk 과학자들은 신경 과학, 유전학, 세포 및 식물 생물학 및 관련 분야를 연구하여 암, 노화, 알츠하이머, 당뇨병 및 전염병에 대한 이해에 획기적인 기여를 합니다.

교수진의 업적은 노벨상 및 국립 과학 아카데미 회원을 포함하여 수많은 영예로 인정되었습니다. 1960년 소아마비 백신 개척자인 Jonas Salk, MD가 설립한 이 연구소는 독립적인 비영리 조직이자 건축학적 랜드마크입니다.