부록 A11: 멘델 유전과 복합형질

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이 장에서 배울 것

이 장에서는 부모의 유전정보가 자식에게 어떤 규칙으로 전달되는지, 그리고 실제 인간 형질 대부분이 왜 단순한 규칙만으로 설명되지 않는지 배웁니다.

이번 장은 용어가 많으므로 반드시 한국어 이름을 먼저 잡고 가겠습니다.

같은접합(homozygous): 한 위치의 두 대립유전자가 같은 상태입니다. 예를 들어 AA 또는 aa입니다.
다른접합 또는 이형접합(heterozygous): 한 위치의 두 대립유전자가 다른 상태입니다. 예를 들어 Aa입니다.
우성(dominant): 다른접합 상태에서도 표현형에 드러날 수 있는 성질입니다.
열성(recessive): 보통 두 사본이 모두 열성일 때 표현형에 드러나는 성질입니다.
단일유전자 질환(monogenic disease): 하나의 유전자 변화가 질병의 주요 원인인 경우입니다.
복합형질(complex trait): 여러 유전자와 환경이 함께 영향을 주는 형질입니다.
침투도(penetrance): 특정 유전자형을 가진 사람 중 실제 표현형이 나타나는 비율입니다.
표현도(expressivity): 표현형이 나타났을 때 정도나 모습이 얼마나 다양한지를 뜻합니다.
다유전자 위험점수(polygenic risk score, PRS): 여러 변이의 작은 효과를 합쳐 위험도를 추정한 점수입니다.

멘델 유전과 복합형질

가장 쉬운 비유: 부모에게서 카드 두 장을 받는다고 생각하기

어떤 유전자 위치를 카드 자리 하나라고 생각합시다. 사람은 그 자리에서 어머니에게 카드 한 장, 아버지에게 카드 한 장을 받습니다. 두 카드가 모두 A면 AA, 모두 a면 aa, 하나씩이면 Aa입니다.

AA나 aa처럼 두 카드가 같으면 같은접합입니다. Aa처럼 두 카드가 다르면 다른접합입니다. 이 표현은 어렵게 느껴지지만 실제 뜻은 단순합니다. 두 사본이 같은가, 다른가를 말하는 용어입니다.

우성과 열성은 “강함과 약함”이 아닙니다

초보자가 자주 오해하는 부분입니다. 우성은 “좋다” 또는 “강하다”는 뜻이 아닙니다. 열성도 “나쁘다” 또는 “약하다”는 뜻이 아닙니다.

우성은 다른접합 상태에서도 표현형에 드러날 수 있다는 뜻입니다. 예를 들어 A가 우성이고 a가 열성이라면, AA와 Aa는 A의 성질이 나타날 수 있고, aa일 때 열성 성질이 나타날 수 있습니다.

하지만 이것은 입문용 단순화입니다. 실제 생물학에는 중간유전(두 성질이 섞인 중간 형태가 나타나는 경우), 공동우성(두 성질이 모두 겉으로 드러나는 경우), 성염색체 연관 유전(성별과 관련된 염색체 위 유전자 때문에 유전 양상이 달라지는 경우), 유전체 각인(같은 유전자라도 어머니에게서 왔는지 아버지에게서 왔는지에 따라 작동이 달라질 수 있는 현상)처럼 더 복잡한 방식이 있습니다. 여기서 중요한 것은 우성·열성이 모든 유전을 설명하는 만능 규칙이 아니라, 유전학을 시작하는 첫 문법이라는 점입니다.

멘델 유전의 핵심

멘델 유전은 비교적 단순한 유전 양식을 설명하는 기본 틀입니다. 대표 원리는 두 가지입니다.

첫째, 분리의 법칙입니다. 부모가 가진 두 대립유전자 중 하나만 생식세포로 들어간다는 뜻입니다. 예를 들어 부모가 Aa라면 생식세포에는 A 또는 a 중 하나가 들어갑니다.

둘째, 독립의 법칙입니다. 서로 다른 유전자들이 독립적으로 전달될 수 있다는 뜻입니다. 다만 이 법칙은 모든 경우에 완벽하게 맞지는 않습니다. 서로 가까운 DNA 위치에 있는 유전자들은 함께 전달될 가능성이 높습니다. 이런 현상을 연관(linkage)이라고 하며, 두 위치 사이에서 재조합(recombination)이 적게 일어날수록 함께 유전될 가능성이 커집니다.

간단한 열성 질환 예시

어떤 질환이 aa일 때 나타난다고 합시다. 부모가 둘 다 Aa인 보인자라면, 자녀가 받을 수 있는 조합은 AA, Aa, Aa, aa입니다. 이론적으로 aa가 될 확률은 4개 중 1개, 즉 25%입니다.

여기서 보인자는 질병이 나타나지 않지만 열성 대립유전자를 하나 가진 사람을 뜻합니다. 이 간단한 계산은 단일유전자 질환의 가족 위험도를 이해하는 데 도움이 됩니다.

단일유전자 질환도 항상 단순하지 않습니다

단일유전자 질환은 하나의 유전자 변화가 큰 영향을 주는 경우입니다. 대표 예로 낭포성 섬유증(끈적한 점액이 폐와 소화기관에 쌓여 호흡과 소화에 문제를 일으키는 유전질환), 헌팅턴병(성인이 된 뒤 운동 조절과 인지 기능이 점차 나빠질 수 있는 신경계 유전질환), 겸상적혈구병(적혈구 모양이 낫처럼 변해 산소 운반과 혈류에 문제를 일으킬 수 있는 유전질환)이 자주 언급됩니다. 그러나 하나의 유전자가 관련된다고 해서 항상 모든 환자가 똑같이 보이는 것은 아닙니다.

침투도는 특정 유전자형을 가진 사람 중 실제 증상이 나타나는 비율입니다. 예를 들어 어떤 변이를 가진 사람 100명 중 80명만 질병을 보인다면 침투도는 80%라고 말할 수 있습니다.

표현도는 증상이 나타났을 때 그 정도나 모습이 얼마나 다양한지를 뜻합니다. 같은 변이를 가진 두 사람이 있어도 한 사람은 증상이 가볍고, 다른 사람은 심할 수 있습니다.

이 두 개념은 “유전자형이 곧 운명”이라는 단순한 생각을 막아 줍니다.

복합형질: 인간의 많은 특징은 여러 요인이 함께 만듭니다

키, 체중, 혈압, 당뇨 위험도(혈당 조절이 잘 되지 않는 병이 생길 가능성), 암 위험도(세포가 비정상적으로 증식하는 병이 생길 가능성), 정신질환 위험도(우울증·조현병 같은 정신건강 문제와 관련될 가능성) 같은 형질은 보통 하나의 유전자로 설명되지 않습니다. 수많은 변이가 조금씩 영향을 주고, 식습관, 운동, 감염, 스트레스, 나이, 사회환경 같은 요인도 함께 작용합니다. 이런 형질을 복합형질이라고 합니다.

복합형질에서는 변이 하나의 효과가 매우 작을 수 있습니다. 하지만 많은 변이의 작은 효과가 모이면 통계적으로 의미 있는 차이를 만들 수 있습니다.

다유전자 위험점수

다유전자 위험점수는 여러 유전변이의 효과를 합쳐 개인의 유전적 위험도를 추정하는 방법입니다. 예를 들어 어떤 질병과 조금씩 관련된 변이들이 많이 알려져 있다면, 한 사람이 위험을 높이는 변이를 얼마나 가지고 있는지 점수로 계산할 수 있습니다.

하지만 이 점수는 운명표가 아닙니다. 점수가 높다고 반드시 질병에 걸리는 것은 아니고, 점수가 낮다고 절대 안전한 것도 아닙니다. 또한 어떤 집단에서 만든 점수가 다른 조상 배경을 가진 집단에서는 잘 맞지 않을 수 있습니다.

연구자에게 중요한 관점

계산생물학자는 단일유전자 질환과 복합형질을 구분해야 합니다. 어떤 질병은 강한 원인 변이를 찾는 것이 중요하고, 어떤 질병은 수많은 작은 효과와 환경 요인을 통계적으로 모델링해야 합니다.

“질병 유전자를 발견했다”는 표현도 조심해야 합니다. 어떤 경우에는 원인에 가까운 변이를 뜻하지만, 어떤 경우에는 위험도를 조금 바꾸는 통계적 연관성일 뿐입니다.

계산 감각: 유전 확률은 “가능한 조합 세기”에서 시작합니다

멘델 유전 계산은 처음부터 어려운 수학이 아닙니다. 핵심은 부모가 자녀에게 줄 수 있는 대립유전자 조합을 차근차근 세는 것입니다. 부모가 둘 다 Aa라면, 한쪽 부모는 A 또는 a를 줄 수 있고 다른 부모도 A 또는 a를 줄 수 있습니다. 가능한 조합은 AA, Aa, Aa, aa 네 가지입니다.

Aa × Aa → AA, Aa, Aa, aa
AA: 1개 → 1/4 = 25%
Aa: 2개 → 2/4 = 50%
aa: 1개 → 1/4 = 25%

만약 aa일 때만 열성 질환이 나타난다면, Aa × Aa 부모에게서 자녀가 질환을 가질 이론적 확률은 25%입니다. Aa처럼 질병은 나타나지 않지만 열성 대립유전자를 하나 가진 사람은 보인자입니다. 이 경우 보인자 확률은 50%입니다.

침투도도 간단한 비율 계산으로 이해할 수 있습니다. 특정 유전자형을 가진 사람 100명 중 70명에게 실제 표현형이 나타났다면 침투도는 70/100 = 70%입니다. 이 계산은 “유전자형이 있으면 항상 표현형이 나타난다”는 단순한 생각을 조심하게 해 줍니다.

보강 학습: 퍼넷 사각형, linkage, GWAS/PRS

멘델 유전 계산은 가능한 조합을 세는 일에서 시작합니다. 부모가 둘 다 Aa라면 가능한 자녀 유전자형은 AA, Aa, Aa, aa입니다. AA는 25%, Aa는 50%, aa는 25%입니다. 만약 aa일 때만 열성 질환이 나타난다면 질환 유전자형 확률은 25%입니다.

우성과 열성은 좋고 나쁨이나 강하고 약함을 뜻하지 않습니다. 우성은 다른접합에서도 표현형에 드러날 수 있다는 뜻이고, 열성은 보통 두 사본이 모두 열성일 때 드러난다는 뜻입니다. 이 용어를 가치 판단처럼 이해하면 안 됩니다.

독립의 법칙은 서로 다른 유전자가 독립적으로 전달될 수 있다는 원리입니다. 하지만 같은 염색체에서 가까운 위치의 유전자들은 함께 전달되기 쉽습니다. 이를 linkage라고 하며, 재조합이 적게 일어날수록 두 위치는 더 자주 함께 유전됩니다. 그래서 실제 유전 양상은 단순한 독립 조합보다 복잡할 수 있습니다.

침투도는 특정 유전자형을 가진 사람 중 실제 표현형이 나타나는 비율입니다. 표현도는 표현형이 나타났을 때 정도나 모습이 얼마나 다양한지를 뜻합니다. 예를 들어 어떤 유전자형을 가진 사람 200명 중 150명에게 표현형이 나타나면 침투도는 75%입니다.

복합형질은 여러 유전자와 환경이 함께 영향을 주는 형질입니다. 키, 혈압, 당뇨 위험도, 암 위험도 같은 형질은 보통 하나의 유전자만으로 설명되지 않습니다. GWAS는 유전체 전반의 변이와 형질 사이의 통계적 연관을 찾고, PRS는 여러 변이의 작은 효과를 합쳐 위험도를 추정합니다. 다만 GWAS 결과는 곧 원인 변이를 뜻하지 않고, PRS도 질병 운명표가 아닙니다.

보강 학습 2: 멘델 유전은 단순하지만 해석의 기준선이다

멘델 유전은 현실의 모든 형질을 설명하지는 못하지만, 유전형과 표현형을 연결하는 첫 기준선입니다. 이 기준선이 필요한 이유는 복합형질, 침투도, 환경 효과를 배우기 전에 “한 유전자 변이가 어떻게 표현형으로 이어질 수 있는가”를 정리해 주기 때문입니다.

예를 들어 열성 질환에서 aa만 질병 표현형을 보이고 AA, Aa는 정상이라고 합시다. 부모가 둘 다 Aa 보인자라면 자녀의 유전형 비율은 AA:Aa:aa = 1:2:1이고, 질병 확률은 1/4 = 25%입니다. 이 계산은 Punnett square로 확인할 수 있습니다.

하지만 실제 질병은 더 복잡할 수 있습니다. 같은 유전형을 가진 사람이 모두 같은 증상을 보이지 않을 수 있는데, 이를 침투도라고 합니다. 여러 유전자와 환경이 함께 영향을 주는 키, 혈압, 당뇨 위험 같은 형질은 복합형질입니다.

생물정보학에서는 GWAS나 가족 기반 분석에서 이런 기본 논리가 쓰입니다. 단순 멘델 질환과 복합질환을 구분하지 못하면, 하나의 변이로 모든 위험을 설명하려는 과잉해석에 빠지기 쉽습니다.

핵심 정리

같은접합은 두 대립유전자가 같은 상태이고, 다른접합은 서로 다른 상태입니다. 우성은 다른접합에서도 표현형에 드러날 수 있는 성질이고, 열성은 보통 두 사본이 모두 열성일 때 드러납니다. 멘델 유전은 유전학의 기본 문법이지만, 실제 인간 형질은 복합형질인 경우가 많습니다. 침투도, 표현도, 다유전자 위험점수는 유전자와 표현형의 관계가 단순하지 않다는 점을 보여 줍니다.