[유전] 미토콘드리아 DNA와 인류의 진화 (Mitochondrial DNA and Human Evolution)

- 출처 : Brigitte Pakendorf and Mark Stoneking, Annu. Rev. Genomics Hum. Genet. 2005. 6:165.83
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Introduction

   인류의 미토콘드리아 DNA (mitochondrial DNA; mtDNA)는 원형의 이중나선 분자로, 16,569bp의 길이에 산화적 인산화(oxidative phosphorylation) 시스템을 위한 13개 subunit, 2개의 ribosomal RNA (rRNA), 22개의 transfer RNA (tRNA)를 암호화하는 유전자가 포함되어 있다. 미토콘드리아 DNA는 하나의 세포 안에 수백~수천개의 사본이 존재하며, 세포질에서 세포의 에너지를 생성하는 소기관인 미토콘드리아에 존재한다. MtDNA는 control region이라 부르는 약 1,100bp 길이의 조절 부위를 제외하고 대부분이 coding DNA로 구성되어 있다. 25년 전에 처음 연구된 이후 인류 진화, 이주, 그리고 집단 역사의 연구에 폭넓게 이용되었다. MtDNA가 폭넓게 이용된 까닭은 많은 사본수, 모계 유전, 재조합의 부재, 핵 DNA보다 높은 돌연변이율과 같은 특징들 때문이다.

Schematic representation of the human mitochondrial DNA genome, with functional regions indicated as follows: two ribosomal RNA genes (12S and 16S), three genes for subunits of cytochrome oxidase (COI–COIII), seven genes for subunits of NADH dehydrogenase (N1-N6, N4L), two genes for subunits of F1ATPase (6 and 8), the cytochrome b gene, 22 transfer RNA genes (designated by the standard single letter code), two origins of replication (OH and OL), and the control region (the major noncoding region).

Properties of human mitochondrial DNA (인간 미토콘드리아 DNA의 특성)

1. High Copy Number (많은 수의 사본)

   미토콘드리아 DNA는 세포 내에서 많은 수의 사본이 존재한다. 평균적으로 체세포에서 핵 DNA는 두 개의 사본이 존재하지만, mtDNA는 수백~수천개의 사본이 존재한다. 또한 mtDNA는 세포질에 위치해서 분석에 필요한 mtDNA를 얻기 쉽기 때문에, 고대 DNA와 특정한 법과학적 DNA 분야에서 많이 이용된다.

  개체 내에서 mtDNA 유전체의 여러 사본들이 반드시 모두 일치하지는 않는다. 개체 내에 다른 mtDNA 타입이 존재하는 것은 heteroplasmy라고 한다. 현재 가장 적합하게 계산된 heteroplasmy의 빈도는 집단의 14%가 두 개의 mtDNA 타입을 가지며, 그 두 번째 타입은 최소 1%의 빈도로 존재한다. 즉, 우리 몸 안에 있는 1조개 이상의 mtDNA 유전체 사이에는 하나 이상의 mtDNA 타입이 존재한다. 그러나, 개체 내에서 mtDNA는 전체적으로 동일하게 나타나는데, 그 이유는 난자형성 초기에 나타나는 상당한 병목현상 때문이다 (그림 참조).

2. Maternal Inheritance (모계 유전)

  일부 생물의 경우에는 mtDNA가 부계 유전되기도 하지만, 최근까지 인간 mtDNA의 모계 유전은 확고부동한 정설로 여겨졌다. 이러한 단방향 유전은 mtDNA의 가장 큰 장점 중 하나로, 집단의 모계 조상에 초점을 맞춰서 시간을 거슬러 연관된 계통의 추적을 가능하게 한다. 그러나 최근, 일부 운동 과민증을 가진 사람의 근육 mtDNA에서 부계 유전된 경우가 보고되면서 mtDNA의 모계 유전에 대한 확실성에 의심이 생기게 되었고, 모계 유전의 가정을 기반으로 추정된 인류 집단과 역사에 대해 주의해야 한다는 목소리가 높아졌다. 이후 더 많은 미토콘드리아 근육 질환 환자를 조사하였으나 부계 유전의 경우는 더 이상 나타나지 않았다.

  부계 mtDNA 분자의 정상적인 인식과 제거가 붕괴되면 mtDNA의 부계 유전이 충분히 가능할 수 있으며, 매우 드물게 일어나는 현상이다. 이후 수천의 모계 자손 비교를 통해 부계 유전을 확인하려 했으나 실패했다. 그러므로, 현재 인류에서 mtDNA의 모계 유전은 여전히 규칙으로 간주할 수 있다.

 

3. Lack of Recombination (재조합의 부재)

   다른 분자 인류학의 원리는 mtDNA는 재조합을 하지 않는다는 것이다. 이것은 1999~2000년까지 사실로 여겨졌으나, 이후 네 편의 논문에서 인류 mtDNA에서의 재조합에 대한 증거를 주장했다. 그러나, 이어서 계통유전학적/통계학적 연구에 결점이 있는 데이터와 의심되는 통계 분석 방법을 이용한 것으로 나타났으며, 재분석 결과 유의한 차이가 없는 것으로 나타났다. 결국 이 발견은 서열 정렬의 오류 때문으로 밝혀졌으며 철회되었다. 이어진 연구로, 완전한 mtDNA 염기서열의 거대 데이터 세트로부터 연관 불평형과 거리의 상관관계를 조사한 결과 재조합의 증거를 발견하지 못했다. 그러나, 최근 인간 mtDNA에서 모계와 부계 mtDNA를 모두 가진 경우에는 재조합이 존재하는 것으로 보고되었다. 이러한 발견은 미토콘드리아도 기능적인 recombinase를 갖고있기 때문에 재조합이 가능하다는 것을 나타낸다. 그렇지만 부계 mtDNA의 누출이 매우 드문 현상이기 때문에, 재조합은 주요한 문제가 아니며, heteroplasmic DNA 분자가 없다면 어떤 재조합이 일어나도 결국 원래와 같은 mtDNA가 남게 될 것이다.

 

4. Mutation Rate (돌연변이율)

   MtDNA의 돌연변이율은 control region을 제외한 전체 유전체에서 0.017x10-6/site/year 로 계산되었다. 그러나, noncoding control region의 두 고변이부위 (HVR I, HVR II)의 비율은 훨씬 높다. 계통유전학적 비교에서 돌연변이율은 0.075x10-6/site/year 로 계산되었다.그러나 가족 또는 뿌리깊은 가계에서 mtDNA 돌연변이를 직접 조사한 결과는 0.0~1.46x10-6/site/year 이고, 전체 평균은 0.47x10-6/site/year 로 나타났다. 이것은 계통유전학적 계산값보다 훨씬 높은 것이다.

   인류 mtDNA에서 계통유전학적 기반과 가계도 기반의 돌연변이율 계산 불일치에 대한 가장 좋은 설명은 빠르게 진화하는 부위가 가계도 연구에서 우선적으로 발견되는 반면에, 계통유전학적 연구는 서서히 진화하는 부위에서까지 선발된다. 그러나, Howell 등은 이러한 차이가 한가지 원인이 아니며, 돌연변이 hot spots, 유전적 부동, 선택, 재발 돌연변이의 탐지 부족 등 때문이라고 주장했다. 계통유전학적인 변이율은 깊은 역사의 연구에 바람직한 반면, 최근 역사의 연구에 대해서는 가계도 변이율을 이용하는 것이 현명할 것이다. 이에 대한 대안으로, 집단 역사의 연구는 다른 진화율과 변이부위의 다른 종류를 가능하게 하는 모델을 혼합할 수 있다. 그러므로, 인류 mtDNA에 대한 돌연변이율의 평균 계산값이 실제 사건의 상태를 반영하지 않고, 계통유전학적 연구를 위한 단순화된 도구로써 볼 수 있을 것이다.

 

Human Mitochondrial DNA Variation (인간 미토콘드리아 DNA 변이)

1. What is Studied?

   인류 mtDNA 변이의 연구 초기에는 제한효소 절편 길이 다형성(RFLPs)을 기반으로 연구하였다. PCR과 PCR 산물의 빠른 염기서열 분석방법이 출현하면서, PCR 산물의 RFLP 분석, PCR 산물의 RFLP 분석뿐 아니라 control region의 첫 번째 고변이부위 (HVR I)의 분석도 수행되었다. 최근 몇 년동안, 고효율의 염기서열 분석 기술의 발달과 함께, 전체 미토콘드리아 유전체의 염기서열을 분석하는 것이 점점 일반화되고 있다. 전체 유전체 염기서열을 기반으로 한 계통유전학적 트리들은 HVR1 염기서열보다 더 나은 해상도를 제공하지 못했다. 잠재적인 미래 발달은 mtDNA를 위해 염기서열분석 microarray를 사용할 것이며, 이 방법은 임상 목적을 위해 성공적으로 테스트하였다. 전체 mtDNA 유전체 염기서열 연구에서는 아직까지 RFLP와 HVR I 염기서열 연구에 의해 이미 밝혀진 것 이상을 보여주지는 못했다. RFLP와 HVR I 염기서열과 비교해서 전체 genome 염기서열을 얻는데 들어가는 추가적인 비용과 노력을 생각하면, coding region 염기서열을 이용하는 것도 좋은 대안이 될 수 있다.

Human migration map

 

2. How are the Data Analyzed?

   인류 진화를 연구하는데 mtDNA를 이용하는 방법에는 두 가지, 계통-기반 방법과 집단-기반 방법이 있다. 계통-기반 방법은 하플로그룹이라고 부르는 mtDNA 계통의 역사를 해결하려고 하는 것이다. 반면에 집단 기반 방법은 개체별 집단의, 지리적 지역, 또는 인류 집단 그룹을 이용한 집단의 이동을 연구하기 위한 것이다. 하플로그룹은 공유하는 돌연변이에 의해 정의되는 서열의 연관된 그룹을 나타내며, 지역적 특이성을 보이는 경향이 있다. Macrohaplogroup L과 그 하위그룹인 L1, L2, L3는 아프리카에 국한되어 있으며, macrohaplogroup M과 N은 동부아프리카의 L3에서 기원하였고 유라시아와 신세계로 퍼져나갔다. 하플로그룹 H, I, J, N1b, T, U, V, W는 유럽인 계통 사람들의 특징이고, 하플로그룹 A, B, C, D는 시베리아에서 우세하게 나타나는 하플로그룹 G, Y, Z와 함께 아시아와 신세계에서 발견된다. 하플로그룹이 mtDNA의 공통 조상을 반영하기 때문에, 알려진 이주 경로에 거주하거나 다양한 지리적 지역으로부터 기원한 집단내의 혼합 비율을 계산하는데 유용하게 이용될 수 있다.

   하플로그룹을 연구하면서 계통-기반 방법이 갖는 문제점은 그것이 단지 하플로그룹 자신의 역사만을 밝히는 것이고, 그들이 존재하는 개체별 집단의 역사에 대한 직접적인 관점을 제공해주지는 못한다. 집단의 연령과 하플로그룹의 연령을 동등하게 다루는 경향이 있는데, 각 개체별 하플로그룹의 분포는 이주하여 분리된 것을 반영한다고 추정할 수 있다. 이주하는 집단에서 하플로그룹의 연령은 이주할 때가 아니고 하플로그룹을 정의하는 점돌연변이가 나타난 시기를 의미한다. 유사이전의 인류 역사를 연구하기 위해, 집단 유연관계를 조사하는데 통계학적인 방법을 이용하는 것이 결정적이다. 예를 들면, 트리 또는 다차원 척도 (multidimensional scaling, MDS) 플롯 (그림 2)에서 유전적 거리 값을 계산하거나 집단 유연관계를 시각적으로 보여줄 수 있다.

 

3. What Have We Learned?

   MtDNA 분석의 중요한 발견 중 하나는 현대 인류 기원의 "최근의 아프리카인 기원“ 가설이 확실한 사실로 되었다는 것이다. 전 세계 집단의 mtDNA 변이 연구는 이 가설에 대한 증거를 계속해서 발견하였다. 인류 mtDNA의 가장 최근의 공통 조상(TMRCA, the most recent common ancestor)은 약 100,000~200,000년 전에 아프리카에 위치해 있었다. 게다가, 네안데르탈인의 화석과 유럽의 초기 현대 인류로부터 mtDNA를 직접 분석했으나, 현대 인류에서 네안데르탈인 mtDNA의 기여는 나타나지 않았다.

   MtDNA 연구로부터 얻은 또 다른 관점은, 인류 집단을 형성하는 이주에 대해 더 잘 이해하게 되었다는 것이다. 그러나, mtDNA는 단지 하나의 유전자좌밖에 없고, 집단의 모계 역사만을 반영한다. 단일 유전자좌의 역사는 기회(chance, drift) 효과 또는 유전자좌에 작용하는 선택 때문에 집단의 역사를 정확하게 반영할 수 없다. 그러므로 더 명확하게 하기 위해서, mtDNA 변이의 연구는 남성 특이적인 Y-염색체에 대한 데이터로 보완할 필요가 있고, 상염색체 데이터와 함께 조사하는 것이 이상적이다.

   그러나, 최근 조심스럽게 고려할 필요가 있는 몇 가지 심각한 문제에 직면했다. 첫째, mtDNA가 핵에 삽입된 numts가 생각보다 더 일반적으로 존재한다는 것이다. 인간 유전체 서열의 분석 결과 250에서 600개 사이로 다양한 길이의 삽입된 서열이 발견되었으며, 가장 큰 조각은 전체 미토콘드리아 유전체를 거의 다 포함한다. 핵 유전체에 있는 미토콘드리아의 삽입체는 핵의 돌연변이율로 진화하기 때문에, numts는 “분자 화석”으로 이용될 수 있다고 알려져 있다. 그러나 numts는 표준적인 방법으로 조사할 경우 감지할 수 없다. 그리고 numts의 결과를 실제 mtDNA 염기서열이 나타난 것으로 생각하여 잘못된 계통학적 또는 의학적 결론을 내릴 수 있다.

   두 번째 문제는 발표된 데이터에서 quality control이 부족하다는 것이다. 잘못된 mtDNA 서열이 출판되고 데이터베이스에 등록되었다는 보고가 증가하고 있다.  집단 유전학과 진화 연구에서 이용되는 데이터는 품질이 높은 것이 바람직하며, sequencing artefact의 탐지를 돕는 통계학적 방법이 유용할 수 있다. 그렇지만, 통계학적인 분석만으로 모든 에러를 발견할 수는 없고, 실험실 실험을 결코 대신할 수 없다.

   세 번째 심각한 논점은 mtDNA가 선택적으로 중립이 아니라는 증거가 증가하고 있다는 것이다. 몇 가지 미토콘드리아 유전자에서 nonsynonymous 돌연변이의 비율은 인간에서 synonymous 돌연변이보다 더 높다. 이것은 대부분의 돌연변이가 조금 덜 해롭기 때문이며, 그들은 집단 내에서 다형성을 이룰 수 있지만 고정되지는 않기 때문에 종 사이에서의 차이는 만들지 않는다. 그러나, 재발 돌연변이는 탐지할 수 없기 때문에, 종 내에서 다형성이 지나치면 종 사이에서의 실제 분기가 적게 평가될 수 있다.

   또한 mtDNA 하플로그룹에서 보여지는 지리적 변이는, 인류가 아프리카로부터 다른 기후 조건으로 퍼진 것과 같이, 특정 계통에서 선택적으로 작용할 수 있다는 것을 반영한다고 주장한다. 그러나 이들은 이들 하플로그룹을 갖는 개체들에서 산화적 인산화에 기능적인 변화가 있는지는 추가적인 생화학적 분석을 필요로 한다.  Elson 등은 560개의 coding region 염기서열 데이터에서 기후에서 유도된 지리적으로 다양한 선택에 대한 증거를 찾지 못했다. 그들은 주로 ATP6를 제외한 13개의 단백질 암호화 유전자에서 작용하는 negative selection에 대한 증거를 발견했다. 전체적으로 일치하는 내용은 인간의 mtDNA에 주로 정제되는 선택이 작용한다는 것이다. 이것은 neutral한 진화가 유지되지 않을 수 있다는 가정과 마찬가지로, mtDNA 데이터를 이용해 계통유전학적 사건을 구성할 때 주의해야 한다는 것을 의미한다. 그러나, 아프리카 기원과 이후 현대 인류의 세계적인 분산과 같은 mtDNA 연구의 기본적인 결과는 non-neutral 진화에 의해 영향받지 않는다.

 

4. What is mtDNA Still Good For?

   비록 mtDNA가 인류 진화와 집단 역사를 설명할 수 있는 마커로서는 덜 이용될 것이지만, 많은 의문들을 위해 여전히 중요하다. 무엇보다도, 일부다처, 모계주의대 부계주의의 영향, 또는 카스트 제도에 의해 유도된 사회 계층화 등의 인류 진화에 영향을 미칠 수 있는 사회-문화적인 영향들을 밝히는데 유용하다.

   더욱이, mtDNA의 많은 사본 수 덕분에, mtDNA는 고대 DNA와 일부 법과학적인 분야에서 중요하게 이용될 수 있다. 오래된 화석 샘플에는 오직 mtDNA만 남아있기 때문에, mtDNA만 고대 집단의 유전적 유연관계를 알려줄 수 있다. 그러나 고대 DNA 연구의 주요 문제점은 현대 DNA의 오염인데, 불행히도 이 문제는 넓게 인식되지 못하고 있다. 이것은 특히 현대 인류의 고대 샘플을 분석할 때 문제가 된다. 오염된 mtDNA와 고대 DNA에 차이가 없기 때문이다. 그러므로 현대 인류에서 고대 DNA의 연구를 평가할 때에는 더 주의해서 실험해야 한다.

   법과학 분야에서, mtDNA의 이용은 확인할 수 없는 희생자의 식별을 가능하게 해준다. 이것은 전쟁 또는 테러의 희생자와 연관해서 점차 이용이 증가하고 있다.

   마지막으로, mtDNA의 소위 개인화된 유전적 역사에의 이용이 증가하고 있다. 이는 이주민/노예 조상의 기원을 추적하는 등 개인의 가계를 조사하는데 유전적 검사를 이용하는 것이다. 불행히도 이 검사에 mtDNA를 이용하는 것은 일반적인 고객들이 알아챌 수 없는 어려움이 뒤따른다. 예를 들어, 많은 사람들은 이같은 검사로 그들이 어느 마을에서 왔는지와 같은 특정 지역의 기원을 알 것으로 기대한다. 그러나 사실은 현재 mtDNA 데이터베이스가 그만큼 충분히 자세하지 못해서, 일반적인 mtDNA 타입은 특정 지역을 지적하는 것과 같이 충분한 지리적 특이성을 보여주지 못한다. 더욱이 많은 고객들이 그들의 생물학적 조상이 기원한 장소와 그들의 모계가 기원한 곳이 동일한 것으로 혼동한다. 기억해야 할 것은 mtDNA가 전체 인류 유전체의 0.0006%만을 포함한다는 것이다. mtDNA 분석은 인류 집단의 역사와 진화를 이해하기 위해서 유용하고 계속 연구되어야 하지만, 개인의 유전적 조상에 대한 의문을 가질 때에는 유전체의 나머지 99.9994%에 있는 일부 정보를 이용하는 것이 바람직할 것이다.

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  본 내용은 수업 발표를 위해 준비했던 "Mitochondrial DNA and Human Evolution" (Brigitte Pakendorf and Mark Stoneking, Annu. Rev. Genomics Hum. Genet. 2005. 6:165.83) 논문의 번역한 내용을 정리한 것입니다. 일부 그림은 인터넷에서 가져왔습니다.