Evolution theory (진화론)

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진화론이란 재밌는 주제를 살펴볼까 한다.

유전체 분야에서도 종간 비교라던지, 종의 기원을 찾는 등 진화의 개념이 사용된다.

또한, Phastcon, PhlyloP score 등의 conservation score(진화적 보존값)을 이용하여,

특정 locus의 Functional constraint를 살피기도 한다.

다시 말해, 우리가 variant calling으로 어떤 질병의 변이를 찾았는데, Functional constraint가 높다면

진화적으로 매우 보존되어 있는 구간에서의 변이가 생긴 것이므로, 해당 질병의 causal variant일 가능성이 높다.

이번 칼럼에서 Evolution의 모든 것을 다룰 수는 없고, 개인적으로 진화론의 철학적인 부분도 좋아하므로,

역사적 배경과 함께 genome evolution 내용을 다뤄보겠다.

1. 다윈의 진화론 (Evolutionary theory)

- 정의: 자연선택(natural selection), 돌연변이(variation)에 의해 이루어지는 생물 세대에 걸친 변화.

- 자연선택: 주어진 환경 조건에서 유리한 (Selective pressure) 유전인자를 가진 개체가 그렇지 않은 개체보다 생존률, 생식률이 높아진다는 진화 이론.

- 자연선택의 특징

(1) 변이는 모든 생물의 기본적 특성.

(2) 모든 생물은 후손을 과잉생산하므로 대부분은 번식시기 이전에 죽음.

(3) 먹이, 공간, 배우자 등의 자원 경쟁이 발생.

(4) 경쟁 자원을 잘 획득하고 이용하는 개체들만 생존.

(5) 선택된 형질은 다음 세대로 전달.

#역사 참고

- 다윈이 1859년 종의 기원을 집필하면서 진화론이 대두되었는데, 다윈에게 영향을 준 여러 요소들이 있었다.

1) 페일리의 '자연신학' (1802):

   생명체의 완벽한 적응 사례를 통해 신의 존재 논증 -  '환경에 대한 유기체의 적응이라는 문제 제공'

2) 맬서스의 '인구론' (1798):

   인구와 식량(환경)의 불균형은 불가피하고, 일부의 가난과 도태를 벗어나려면 ‘도덕적 절제’ 필요 - '생존경쟁(struggle for life) 아이디어 제공'

3) 라이엘의 '지질학원리' (1830) :

   지표면의 변화는 현재 우리 주변의 원인으로 설명되어야 한다는 동일과정설 제안(vs. 격변설) - '점진적인 종의 변화에 필요한 매우 긴 시간 확보'

2. 유전적 변화를 일으키는 주요 기작(가설)

ㄱ)Mutation within a gene

 - DNA replication 혹 repair 과정중에서 실수가 발생하여 유전자 내 변이가 생김.

 - 변이는 새로은 phenotype의 요인이 될 수 있지만, 대부분 개체에 영향을 주지 않는 Neutral한 특징을 가짐.

 - 위 논문을 참고하여, 인간에 경우 1년에 0.5 x 10-9 의 mutation rate을 보인다고 한다. 30억 염기로 계산해보면 1년에 1.5 염기가 변한다고 한다.

 - 명심해야할 점은 위 돌연변이 발생률은 germline에 해당된다. Cancer somatic mutation rate은 암종마다 다른 것으로 알고 있다.

 - 변이가 생긴다하여도 유전체 대부분은 junk로 보기 떄문에, 통계적으로 봤을때 junk에 변이가 생길 가능성이 높다.

ㄴ)Gene duplication

 - 유전자 중복(gene duplication)은 척추동물의 거의 모든 유전자들이 진행한 기작이라 보고 있다.

 - 유전자들이 자신의 복제하여 gene family로 묶이는 것을 흔히 볼 수 있다.

 - 한번 생각해보자. gene duplication으로 발생한 유전자들은 체내에서 같은 기능을 할 것이므로 모든 유전자가 활성화 될 필요가 없을 것이다.

 - 그럼 몇몇 쓰이지 않는 유전자들이 생길 것이고, genome 상에 흔적으로만 남아있을 것이다 (pseudogene, 위유전자).

 - 쓰이지 않는 유전자들은 위에서 언급한 functional constraint가 감소할 것이므로 변이가 일어날 가능성이 크다.

 - pseudogene은 기능이 없다는게 정설이지만, 몇몇 연구에서는 유전체에서 위상학적으로 다른 유전자에 영향을 줄 것이란 내용도 있다.

 - 아래 그림은 Gene duplication을 일으키는 3가지 사례를 말한다.

ㄷ)Exon shuffling

ㄹ)Horizontal gene transfer

3. Hardy–Weinberg principle (하디-바인베르크 원리)

- 개체군이 가지는 유전자풀 안에서 여러 유전자들의 비율은 세대를 거듭해도 그대로 유지된다는 법칙.

대립유전자 빈도 평형 : p + q = 1

유전자형 빈도 평형 : p2 + 2pq + q2 = 1

- HW 법칙은 4가지 가정에 기반한다.

무작위 교배가 이루어져야한다.

집단이 매우 커야한다.

돌연변이나 이주가 없다.

집단간의 유전자흐름이 없다.

- 하디-와인버그 가정에 벗어나면 진화에 놓여있다.

- 흔히 GWAS 분석에서 HW 가설을 기각하는 SNP들을 제외하는데, 그런 SNP들은 Phenotype보다 genotyping error로 여기기 떄문이다.

- 우리가 주로 연구하는 사람은 같은 종이므로 하디웨인버그법칙을 거스를 정도의 진화적 변화를 보이지 않을 것이라 본다.

마무리하며...

원래 계획은 라마르크 용불용설과 후성유전학(epigenetics) 사이의 관계를 조명하며 끝내려했지만...

다음 칼럼에 다시 다루겠다 (글을 쓰다보니 내용이 다소 중구난방한 점 죄송합니다..).

#라마르크 용불용설은 일부 식물의 메틸화된 유전자가 그대로 유전되는 것이 확인되어 재조명받고 있다.

Evolution theory (진화론) End.

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