유전병과 염색체에 관한 관계와 질병

유전병과 염색체에 관한 관계

근래에 와서 분자생물학의 눈부신 진보에 힘입어서 인류 유전학도 급진전되고 여러가지 질병이 염색체 수준에서 혹은 유전자 수준에서 밝혀지고 있다. 선천적인 여러가지 질병이 유전적 요인이나 환경요인 등의 복잡한 상호작용에 의해서 성립하는 것이므로 우선 유전학적으로 본 병인의 분류를 언급하고 유전과 유전병, 염색체와 염색체 이상에 대해서 설명하고자 한다. 그리고 유전병이라고 생각되어 불치의 병으로 느끼게 하는 질병의 대부분이 사실은 조기 발견하여 조기 치료를 하면 충분히 건강하게 살 수 있을 수 있는 경우도, 또한 장래에는 유전병을 예방하는 것조차도 가능하리라는 예상도 가능하다.

1) 유전학적으로 본 병인의 분류

유전학의 발전으로 전에는 유전과 관계가 없다고 생각되던 질병도 점차 유전병 범주에 속하게 되는 것이 생기게 되었고, 이제는 사람의 질환 중 상당수가 유전적 요인이 있음이 알려졌다. 대부분의 선천이상 또는 일부 미숙아뿐만 아니라 성인병이나 알레르기성 질환 등의 경과에도, 유전적 요소가 중요한 역할을 한다는 것이 점차 분명해지고 있다.

2) 유전과 유전병

(1) 유전과 형질

① 정의

유전이라는 것은 유전 정보가 유전자에 의해서 부모로부터 자손으로 전해져 유전자의 작용에 의해서 어떤 형질이 발현하는 현상을 말한다. 그리고 형질이라는 것은 유전자라는 것에 의해서 형태나 기능면에서 우리 신체로 표현되는 여러가지 성질을 말한다.

유전현상이 나타나는데는 유전자의 다양한 타입의 조합이 있다. 이것이 유전자형이다. 그리고 이 다양한 유전자형에 대응하여서 여러가지 형의 형질이 표현되는 것이 표현형이다. 사람과 같은 고등 동물에서는 난자 또는 정자라는 배세포를 통하여 종을 지속시킨다. 한쪽 배우자의 배세포가 성숙 분열을 2번 하여서 염색체 수를 반감한 뒤, 다른 성의 배우자의 배세포 1개와 합체 즉 수정이 일어나서 제 1대의 접합체인 수정란이 된다. 수정란은 그 후 분열을 되풀이 하며 분화하여서 여러가지 체세포가 되고, 기관이 형성되며 최종적으로 1개의 개체가 완성된다.

② 유전자와 유전자 좌

유전자는 1개의 기능을 가진 유전 정보의 기본단위를 말한다. 유전자 하나 하나는 염색체 안에서 각각 고유한 위치를 차지하고 있다. 이것을 유전자좌라고 부른다. 동일인에서는 모든 세포내 동일 염색체 상에는 동일 유전자가 같은 배열을 하고 있다. 분자 생물학적 방법에 의해 현재에는 염색체상의 유전자 존재 및 기능이 차례로 밝혀지고 있다.

③ 유전병의 본태

유전자는 본래 상당히 안정된 구조를 가지고 있으나 DNA의 복제나 일련의 단백질 합성 도중에 갑자기 유전자 중의 염기 1개 때로는 다수의 염기가 다른 염기로 바뀌지거나, 없어지거나, 또는 다른 염기가 들어오거나 하는 일이 있다. 방사선, 화학약품, 바이러스 등에 의해 손상을 받은 유전자의 복원과정에서는 더욱 높은 빈도로 치환, 결실, 삽입이 일어난다. 이와 같은 경우, 그 후 복제되는 DNA나 합성되는 단백질이 원래와는 다른 구조의 DNA나 단백질이 되는 것은 쉽게 이해할 수 있다. 

일반적으로, 치환, 결실, 삽입 등에 의해서 염기의 배열이나 수가 변화한 유전자를 변이유전자라하고 이것에 의해서 전해지는 형질의 변화를 돌연변이라고 한다. 그리고 돌연변이를 유발시키는 외적 인자 즉 X선, 자외선, 알킬화제, 바이러스 등을 돌연변이원, 그리고 돌연변이의 결과 발현되는 원래와 다른 형질을 가진 것을 변이체라 부르고 있다.

여기에서 중요한 것은 변이유전자도 그 자체는 상당히 안정된 구조를 가지고 있기 때문에 그대로의 형태로 이후의 세대로 전달되어 이상형질로서 표현된다는 점이다. 따라서 유전병의 본태는 1개 또는 여러개의 유전자 돌연변이가 이후의 세대로 유전되어 일어나는 질병이라고 할 수 있다.

(2) 유전병

유전병이라는 것은 양친으로부터 물려받은 유전자의 이상에 의해서 일어나는 질병 또는 병적 상태를 말한다. 이 유전병이 동일 가계 여러대에 걸쳐서 나타나는 경우는 가족성 질환이라고 한다. 이것에 대해서 선천성 질환이라는 것은 태어날 때부터 이미 확인된 질병 또는 병적 상태를 가리킨다. 선천성 질환이라고 모두 유전자의 이상에 의한 것은 아니다. 에를 들어 선천성 매독은 유전자 이상이 없는 선천성 질환이다. 헌팅톤 무도병과 같은 유전병은 태어날 때는 정상이나 20세부터 30세에서 시작하여 발병하는 경우도 있다.

선천이상은 형태학적 및 생화학적 이상을 모두 총칭하며 선천기형은 형태학적 이상을 의미한다. 유전병을 유전양식을 기준으로 분류하면 단인자 유전병, 다인자 유전병으로 대별되며 여기에 여러가지 전달 양식에 의한 질병이 추가된다.

① 단인자 유전병

양친으로부터 계승된 큰 효과를 가지는 1개의 변이유전자가 유전되어 발현하는 경우를 단인자 유전이라고 부른다. 한 개의 유전자로 유전되는 질병을 단인자 유전병이라고 하며 일반적으로 상염색체 우성유전, 상염색체 열성유전 그리고 성염색체 관련유전 등 3개로 구분된다.

ⓐ 상염색체 우성 유전병

상염색체성 우성 유전병의 특징은 이형 접합체시 발현되나 동형 접합체시에는 대부분 사산 또는 조기 사망한다. 접합체중 동일 유전자를 2개 가지는 것을 동형 또는 호모 접합체, 다른 유전자를 가지는 것을 이형 또는 헤테로 접합체라고 부른다. 이와 같은 대를 이루는 2개의 대립 유전자중 1개의 유전자의 돌연변이가 일어난 표현도의 상태 즉 헤테로 상태로 질병이 발현하는 경우를 우성, 2개의 대립 유전자의 변이가 동시에 일어난 상태, 즉 호모상태에서 질병이 발현하는 경우를 열성이라고 부른다. 원칙적으로 누대발현이며 질병으로 나타날 확률은 각 세대 모두 50%이다. 그러나 이상 형질의 발현에는 다양한 양적 차이가 있다. 이러한 표현도의 차이가 있기 때문에 같은 임상 증상이 모두에서 나온다고는 기대할 수 없다. 가계도상에서는 단발성 형태로 나타나며, 해당 유전자의 침투도가 낮기 때문에 발현하지 않는 것도 있다. 그 때문에 유전자에 의한 형질 발현의 빈도를 침투도라고 부른다. 이형집합체인데도 모두에서 이상형질이 발현하는 경우를 침투도 100%라고 한다. 그러나 유전자에 의한 이상형질의 발현은 변이 유전자외의 다른 유전자나 환경요인에 의해 실제는 더욱 낮은 값을 나타내는 경우가 많다. 열성 유전병과 비교해서 증상이 나오는 것이 늦고, 질병의 정도도 가벼운 것이 많다. 상염색체 우성 유전병은 운동계나 신경계에 보이는 것이 많다.

ⓑ 상염색체 열성 유전병

상염색체 열성 유전병은 가계에서 나타나지 않고 건너뛰는 경우가 많다. 가계도로부터의 결정이 대부분은 곤란하지만 일반적으로 다음의 경우는 열성 유전을 고려한다. 양친이 근친혼, 대다수의 양친은 정상, 헤테로인 양친의 아이에게는 호모접합체시에 이상 형질이 발현하기 때문에 발현율을 25%로 나타난다. 양친이 모두 환지인 경우는 모두 아이에게 발현한다. 부모의 한쪽이 환자이고 다른 한쪽의 부모가 정상호모라면 아이는 정상이며, 헤테로라면 발현율 50%이다. 대부분의 선천성 대사 이상이 이에 속한다.

ⓒ 반성 열성 유전병

반성 유전자의 대부분은 X 염색체 상에 있으며 열성으로 유전되기 때문에 반성 또는 X 연쇄 유전병이라고도 불린다. 단순히 반성 유전병이라고 하기도 한다. 특징으로서 환자는 여성보다 남성이 많다. 예를 들면 적녹색맹의 발현율은 남녀 비에서 11:1 이상이다. 형질이 전해지는 쪽은 불연속적이며 남성 환자의 어머니는 거의 정상으로 실제는 열성유전자를 갖고 있는 보인자이다. 이 어머니로부터 태어난 여아는 정상, 남아는 발현율 50%이다. 

② 다인자성 유전병

키나 체중과 같이 계측할 수 있는 연속한 양적인 형질의 유전에는 형질 발현 효과가 극히 작을 뿐만 아니라 동등하지 않는 다수의 유전자가 관계하고 있다. 게다가 이 경우에는 유전자의 작용뿐만 아니라 환경요인의 영향도 크다. 다인자 유전병에서는 다수의 유전인자와 환경인자의 상호작용의 총화가 상승하여 기준 문턱 값을 넘었을 때 이상 형질이 발현한다.

 

③ 여러가지 전달 양식에 의한 질병

동일 종류의 질병이 여러가지 유전양식이나 염색체 이상에 의해서 발생하는 경우가 있다. 예를 들면 선천 기형의 대부분은 다인자 유전병이지만, 단인자 유전이나 염색체 이상으로 생기는 경우도 있다. 또한 암의 대부분은 다인자 유전에 의한 것이라고 여겨지고 있지만, 소아의 윌름즈종양이나 망막모세포종 둥이 고빈도로 발생하는 가게에서는 본래 특정한 염색체의 변이나 결실이 있거나 이것과 대응하는 정상 염색체의 결실 등이 발생하여 결과적으로 열성 호모의 상태가 되었을 때, 비로소 악성종양이 발생하는 것을 알게 된다. 특히 망막모세포종의 발생은 Rb유전자의 열성 호모상태에서 발병하는 것이 잘 알려져 있다.

3) 염색체와 염색체 이상

(1) 염색체와 핵형

세포분열 중기가 되면, 이제까지 길고 가느다란 실과 같은 모양을 하고 있던 DNA는 단백질의 일종인 히스톤을 심으로 해서, 코일상으로 압축되어 포개지며 전체적으로 염기성 색소가 짙게 물들고 일정한 수의 굵은 끈과 같은 형태를 취한다. 이것이 염색체이다. 즉 염색체는 DNA와 구조 단백질로 이루어지게 된다.

정상적인 염색체 수는 46개 23쌍, 그 중 44개 22쌍을 상염색체라고 하며, 나머지의 2개 1쌍을 성염색체라고 부른다. 각각 대립되어 있는 염색체의 한쪽은 부친 유래, 또 다른 한쪽은 모친 유래이다. 따라서 정상인의 염색체는 남성에게는 46, XY, 여성에게는 46, XX로 표시된다.

핵형이라는 것은 개체나 세포계의 염색체가 가지는 종에 따른 고유의 수와 모양을 말한다. 구체적으로는 1개의 세포의 분열 중기의 광학현미경 사진으로 염색체를 1대 2개씩, 크기의 순서대로 동원체의 위치에 따라서 나열해 놓은 것을 말한다.

(2) 염색체 이상 및 관련질병

염색체 이상은 유전자 돌연변이에 대응시켜서 염색체 돌연변이라고도 한다. 자연 환경 아래에서는 물론 동물실험에서 일어난다. 자연유산아에게는 염색체 이상이 매우 많아 임신 90일 이내의 유산에서는 약 50%정도를 차지한다.

염색체 이상은 일반적으로 수의 이상, 구조의 이상, 모자이크로 대별된다. 염색체 이상의 기전은 감수분열시 또는 유사분열시 비분리와 결실, 전좌 등에 의한 염색체 구조이상을 들 수 있다.

① 염색체의 수의 이상

염색체의 수의 이상에는 이수성 또는 비배수성과 배수성이 있다.

ⓐ 이수성

염색체의 전체수가 정상보다도 많거나 적은 경우, 일괄하여서 이수성이라고 한다. 감수분열할 때, 정상이라면 2개이어야 되는 염색체가 3개 있는 경우를 삼염색체, 1개인 경우를 단염색체라고 부른다. 양쪽모두 감수분열시 염색체의 비분리 현상에 의해 생긴다. 감수분열시 비분리현상이 생기면 23:23으로 나누어지지 않고 22:24로 나뉘게 된다. 이때 다른 정상세포(23)를 만나면 45(22 +23) 또는 47(23 +24)개의 염색체가 되기 때문에 다음 세대의 염색체는 한쪽은 단염색체, 다른 한쪽은 삼염색체가 되는 것이다.

ⓑ 배수성 : 정상인의 체세포는 모두 2배체이다. 3배체, 4배체, 다배체 등의 수의 이상은 암세포 등에서 자주 확인된다. 이와같은 현상을 배수성이라고 한다. 정상에서는 골수나 간세포에서 보이는 것이  있지만 극히 드물다.

염색체 수의 이상의 표시법은 총 염색체수, 콤마, 성염색체 구성의 차례로 표시한다. 상염색체에 이상이 있을 때는 총염색체 수 뒤에, 콤마 + 과잉 염색체번호 또는 결실염색체번호를 기입한다.

② 염색체의 구조의 이상

염색체 구조의 이상은 염색체의 절단, 재결합, 융합 등에 의해서 일어난다. 돌연변이원으로서 잘 알려진 방사선, 화학 약품, 바이러스 등은 일반적으로 염색체의 절단을 일으킨다. 염색체 구조의 이상으로는 다음의 6가지가 알려져 있다.

(1) 결실 : 절단의 결과, 염색체의 일부가 없어진 상태이다.

(2) 전좌 : 염색체 1개 또는 일부가 절단되서 상동 염색체 또는 다른 비상동 염색체와 재결합한 상태이다. 균형전좌가 된 경우에는 모든 유전정보 그 개체가 있으며 또 정상적 기능을 하므로 표현형은 정상이나, 염색체수는 1개가 다른데로 이동하였으므로 부족한 경우이다.

(3) 중복 : 염색체의 일부가 상동 염색체 또는 다른 비상동 염색체의 어딘가로 삽입되서 이중으로 된 상태이다.

(4) 역위 : 염색체의 일부가 세로축에 대하여 180° 회전한 상태를 말한다. 역위를 일으킨 부분에서 유전자 배열은 반대가 된다. 

(5) 이소 염색체 : 동원체를 중심으로 염색체의 양팔이 같은 길이, 같은 유전자 좌를 가진 상태이다.

(6) 환상 염색체 : 염색체의 양단에 동시에 절단이 일어나 2개의 단끝이 서로 융합한 상태이다.

③ 모자이크증

동일인의 몸속에 유전 형질 또는 염색체의 수나 구조가 다른 두 가지 종류 이상의 세포가 존재하는 경우가 있다. 이것을 모자이크증이라고 한다. 특히 성염색체에서 많이 발견된다. 모든세포가 이상이 있는 것이 아니므로 삼염색체증이나 단염색체증보다 그 증상이 심하지 않은 편이고 외형도 정상에 비해 덜 이상하다. 이 현상의 기전은2배로 증가된 염색체가 양극으로 이동시 완전히 분리가 되지 못하고 한쪽극으로 2개의 염색체가 끌려가는 비분리현상이 유사분열시에 일어나는 것이다. 즉 정상적으로는 46:46으로 2개의 정상세포가 되나 일부세포가 비분리가 일어나면 47:45가 되므로 46/45/47 등으로 여러 염색체수를 가진 체세포가 섞이게 된다. 대부분의 모자이크증은 수정란의 분할 초기 체세포 분열시에 염색체의 비분리현상이 일어난 결과로 생긴다.

4) 상염색체 이상에 의한 질병

(1) 다운증후군

가장 흔한 상염색체 이상 질환이다. 옆모습 얼굴이 납작해 보이고 얼굴 모습이 특징적이다. 눈가장자리는 약간 올라가 있는 비스듬한 안검열, 내인각췌파가 나타나서 아시아인과 유사하다고 하여 일명 몽고증이라고도 한다. 작은 키에 일직선상의 손금, 지능의 발달이 나쁘고 선천성 심질환을 동반한다. 

① 비분리형 다운증후군

다훈증후군의 95%를 차지하고 있다. 어머니 나이와 상관이 있고 21 염색체가 하나 더 있다. 정상적인 부부에서 생식세포의 분열시 비분리 현상이 일어나면 하나는 24X 또는 24Y가 되고 이 세포가 정상인 23X 또는 23Y와 결합하면 삼염색체가 된다. 이 경우에는 부모는 정상 핵형이다.

② 전좌형 다운증후군

다운증후군의 5% 정도를 차지한다. 균형전좌된 염색체의 유전으로 일어나며 전좌는 대개는 14, 21 염색체 또는 드물게 21, 22 상호간에 발생한다. 한 부모가 비정상적인 염색체를 갖고 있다. 그러나 전좌된 염색체를 갖고 있으므로 45XY 또는 45XX이다. 이 경우 23X 또는 23Y이지만 21번 염색체는 전좌되어 있으므로 실제로 2개가 있는 것이다. 따라서 이 세포가 다음 세대에는 정상인 23X 또는 23Y와 결합하면 46XX 또는 46YY이지만 21염색체가 하나 더 있는 셈이되어 21삼염색체증이 된다. 따라서 이러한 염색체를 갖고 있는 부모는 부모의 나이와 상관이 없이 다음 세대로 유전된다.

(2) 에드워드 증후군

비교적 드물게 나타나며 18번 염색체가 3개 있어서 발생하고 대개 1살 이전에 사망한다. 지능발달이 되지 않고 심장기형, 위장기형과 함께 발꿈치가 튀어나오며 손가락겹침이 나타난다.

(3) 파타우 증후군

대단히 드물며 13번 염색체가 3개 있어서 발생하고 신생아 시기에 사망한다. 전뇌와 얼굴의 발육이 나쁘고 중앙에 1개의 눈이 있는 경우도 있다. 소두증, 코의 이상, 뇌의 전전뇌증 등이 나타난다.

(4) 묘성 증후군

제5번 염색체의 단완에 결실에 의해서 일어나며 증후군의 명칭과 같이 고양이 같은 울음소리가 특징이다. 이것은 소뇌를 내는 상기도 구조의 기형에 의한다. 심한 지능발달의 저하가 관찰된다.

(5) 후천성 염색체 이상

태어난 후 여러가지 외적인 원인에 의해서 체세포의 돌연변이가 일어날 수 있다. 그러나 배세포는 대개 정상이므로 이 경우는 염색체 이상이 다음 세대로 유전되지는 않는다. 흔히 악성종양에서 나타난다.

5) 성염색체 이상에 의한 질병

(1) 클라인펠터 증후군

일명 고환이상발육이라고도 하는데 60명 남아중 1명 꼴로 나타나는 비교적 흔한 질병이다. 어머니쪽 X 염색체의 비분리로 어머니쪽 XX와 아버지쪽 Y가 결합하면 XXY가 된다.

표현형은 남성형이며 사춘기 후에도 고환이 작고 2차 성장도 잘 나타나지 않는다. 골단부가 늦게 봉합하므로 환자는 대개 키가 크고 정세관내에는 세르톨리세포만 있을 정도로 서서히 위축되며 불임이 된다. 진단은 구강점막 상피내 바르소체가 있다는 점과 염색체의 핵형으로 알 수 있다. 구강점막 상피내 핵막에 붙어 있는 바르소체는 X염색체 개수에서 1개를 뺀 숫자만큼 관찰된다. 따라서 XXY에서는 바르소체가 1개 관찰된다.