나뭇잎 교과서

염색체와 DNA

세포 하나에 든 DNA를 한 줄로 늘이면 사람 키보다 조금 깁니다. 이 긴 분자는 어떻게 지름 수 μm의 핵에 들어가고, 필요할 때 제대로 나뉠까요? 그리고 흔히 섞어 쓰는 유전자, DNA, 염색체라는 말은 각각 무엇을 가리킬까요?

본문

염색체와 DNA

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사람 세포 하나에 든 DNA를 모두 이어 붙이면 길이가 약 2 m에 이른다. 그런데 이 DNA가 들어 있는 핵의 지름은 약 6 μm, 곧 0.006 mm에 불과하다. 길이로 30만 배가 넘는 실을 이렇게 작은 공간에 어떻게 넣을 수 있을까? 그리고 넣어 둔 DNA는 엉키지 않고 어떻게 다시 꺼내 쓸까?

그림 1. DNA는 히스톤 단백질에 감겨 뉴클레오솜을 이루고, 이것이 다시 꼬이고 접혀 염색사가 된다. 세포가 분열할 때는 더욱 응축되어 막대 모양의 염색체가 된다(굵기는 대략값).
먼저 알아야 할 것세포와 핵, DNA는 염기 A, T, G, C로 된 이중 나선(통합과학), nm와 μm 단위.

3.1.1DNA, 유전자, 염색체

DNA는 뉴클레오타이드가 길게 이어진 두 가닥이 꼬인 이중 나선이며, 염기 A는 T와, G는 C와 짝을 이룬다. DNA 가운데 특정한 단백질을 만드는 정보가 담긴 부분을 유전자라 한다. 사람의 DNA에는 약 2만 개의 유전자가 있지만, 유전자는 전체 DNA의 일부에 불과하다.

정리 3.1.1 염색체의 구조

DNA가 히스톤 단백질을 감아 뉴클레오솜을 이루고, 뉴클레오솜이 실처럼 이어진 것을 염색사라 한다. 세포가 분열할 때 염색사가 고도로 응축되면 염색체가 된다. 분열 직전의 염색체는 DNA가 복제되어 같은 정보를 가진 두 염색 분체가 동원체에서 붙어 있다.

그림 1의 슬라이더로 응축 단계를 올려 보자. 지름 2 nm의 DNA가 히스톤에 감기면 11 nm 굵기의 구슬 꿰미가 되고, 이것이 꼬이고 접혀 수백 nm 굵기가 되며, 분열기에는 1 μm가 넘는 굵은 염색체가 된다. 단계마다 길이가 크게 줄어든다.1

3.1.2핵형

사람의 체세포에는 46개의 염색체가 있다. 이 가운데 모양과 크기가 같은 두 개씩이 짝을 이루는데, 하나는 아버지, 하나는 어머니에게서 받은 것으로 이를 상동 염색체라 한다. 남녀에게 공통인 상염색체 22쌍과 성별을 정하는 성염색체 1쌍(여자 XX, 남자 XY)이 있다.

한 생물이 가진 염색체의 수, 모양, 크기 같은 특징을 핵형이라 하고, 분열 중기의 염색체 사진을 크기순으로 짝지어 늘어놓은 것을 핵형 분석이라 한다. 핵형 분석으로 성별과 염색체 수의 이상을 알 수 있다. 예를 들어 21번 염색체가 3개이면 다운 증후군이 나타난다. 염색체 수의 이상은 감수 분열에서 상동 염색체나 염색 분체가 제대로 나뉘지 않을 때 생긴다.

아버지에게서어머니에게서 한 염색체 = 두 염색 분체가운데 점 = 동원체같은 크기의 두 염색체 = 상동 염색체
그림 2. 복제된 염색체는 두 염색 분체로 되어 있고, 같은 크기와 모양의 두 염색체가 상동 염색체를 이룬다.

3.1.3예제 풀이

예제 3.1.2

사람 체세포의 DNA는 약 60억 염기쌍이고, 이중 나선에서 이웃한 염기쌍 사이의 거리는 0.34 nm이다. DNA 전체의 길이를 구하여라. 분열기 염색체 46개의 길이를 모두 더하면 약 200 μm라면, DNA는 몇 배로 응축된 것인가?

DNA 길이는 \(6 \times 10^9 \times 0.34 \times 10^{-9} = 2.04\) m, 곧 약 2 m이다.

200 μm는 \(2 \times 10^{-4}\) m이므로 응축된 비율은 \(\dfrac{2.04}{2 \times 10^{-4}} \approx 10\,000\)배이다. 실을 만 분의 1로 감고 접은 셈이다. 분열하지 않을 때는 덜 응축된 염색사 상태로 있어, 유전자를 읽어야 하는 부분은 풀어 놓고 쓰지 않는 부분은 감아 둔다.

이렇게 감겨 있으면 분열할 때 엉키거나 끊어지지 않고 딸세포로 고르게 나뉠 수 있다. 아래 탐구 카드에서 DNA 응축과 유전자, 염색체의 관계, 핵형 분석을 직접 해 보자.

  1. 히스톤은 양전하를 띤 아미노산이 많아, 음전하를 띤 DNA의 인산 뼈대와 잘 붙는다. 히스톤에 화학적 표지가 붙으면 감긴 정도가 바뀌어, 유전자가 켜지고 꺼지는 데 영향을 준다.
마무리

DNA는 히스톤에 감겨 뉴클레오솜을 이루고, 염색사를 거쳐 분열기에는 염색체로 응축된다. 사람의 체세포에는 상염색체 22쌍과 성염색체 1쌍, 모두 46개의 염색체가 있다. 그래서 처음 질문의 2 m나 되는 DNA는 단백질에 감기고 여러 번 접혀 작은 핵 속에 들어가고, 필요한 부분만 풀어 쓰인다.

탐구 1

2 m나 되는 DNA가 어떻게 핵 속에 들어갈까?

DNA 응축 · 로그 눈금 비교
굵기
—
길이 압축
—
고른 염색체
—
46개 모두
—

길이는 염기쌍 수 × 0.34 nm ÷ 압축 배율로 구했다. 염색체 크기는 사람 표준 유전체(GRCh38) 값이고, 46개 합은 여성 기준 약 60억 염기쌍이다. 압축 배율은 대략적인 값이며, 간기 염색사는 부위마다 풀린 정도가 다르다.

  1. 질문사람 체세포 하나에 든 DNA를 모두 이으면 약 2 m이다. 그런데 핵의 지름은 6 μm 안팎이다. 어떻게 들어갈까?
  2. 복원DNA는 두 가닥이 꼬인 이중 나선으로, 폭이 약 2 nm이고 염기쌍이 하나 늘 때마다 0.34 nm씩 길어진다. 체세포에는 염기쌍이 약 60억 개 있으니 60억 × 0.34 nm ≈ 2 m이다.
  3. 설명그래서 DNA는 히스톤이라는 단백질을 감아 뉴클레오솜을 만든다. 뉴클레오솜이 구슬처럼 이어진 실이 염색사이고, 염색사는 다시 감기고 고리로 접힌다. 세포가 분열할 때는 한층 더 응축해 막대 모양의 염색체가 된다.
  4. 연결핵을 지름 6 m짜리 방으로 키웠다고 해 보자. 같은 비율이면 DNA는 굵기 2 mm, 길이 2,000 km인 실이 된다. 이만한 실을 그냥 구겨 넣으면 엉켜서 복제하거나 나눌 수 없으므로, 단계를 밟아 차례로 감아야 한다.
  5. 적용단계를 하나씩 올려 오른쪽 초록 막대가 핵 지름 선 근처까지 내려오는 것이 몇 단계인지 보자. 1번과 21번 염색체를 바꿔 가며 비교해 보자.
  6. 판단염색사와 염색체는 다른 물질이 아니라, 같은 DNA-단백질 복합체가 얼마나 응축했는가의 차이이다. 간기에는 풀려 있어야 유전자를 읽을 수 있고, 분열기에는 뭉쳐 있어야 엉키지 않고 나뉜다. 또 30 nm 섬유 같은 중간 단계는 시험관에서 본 모습이고, 살아 있는 세포에서는 훨씬 불규칙하게 접힌다는 연구가 많다. 그래서 그림처럼 깔끔한 계단은 모식이다.

확인조건이 달라지면

DNA 복제를 막 마친 체세포(G₂기)가 있다. 이 세포의 핵 속 DNA를 모두 이으면 길이가 대략 얼마일까?

탐구 2

유전자, DNA, 염색체는 서로 어떤 관계일까?

상동 염색체 · 염색 분체 · 대립유전자

어느 사본의 DNA를 볼까요? (그림의 염색체를 눌러도 됩니다)

염색체
—
그 DNA의 염기쌍
—
이 유전자 사본
—
고른 사본의 대립유전자
—

  1. 질문“ABO 혈액형 유전자는 9번 염색체에 있다.” 이 문장에서 유전자, 염색체, 그리고 그 안의 DNA는 각각 무엇을 가리킬까?
  2. 복원염색체는 DNA가 단백질과 함께 응축한 것이다. 그리고 복제 전 염색체 하나에는 긴 DNA 분자가 딱 하나 들어 있다.
  3. 설명유전자는 그 긴 DNA 가운데 특정 형질에 관한 정보가 담긴 한 구간이다. 가령 11번 염색체의 DNA는 염기쌍이 약 1억 3,500만 개인데, HBB 유전자는 그 가운데 약 1,600 염기쌍뿐이다. 그래서 염색체 하나에 유전자가 수백에서 수천 개 늘어서 있다.
  4. 연결체세포에는 모양과 크기가 같은 염색체가 두 개씩 있는데, 하나는 어머니, 하나는 아버지에게서 온 상동 염색체이다. 둘은 같은 자리에 같은 유전자를 갖지만, 그 내용인 대립유전자는 다를 수 있다. 또 복제가 끝나면 염색체마다 똑같은 염색 분체가 두 가닥 생긴다.
  5. 적용‘복제 후’를 누르고 HBB의 네 사본을 차례로 골라, 서열이 똑같은 것끼리 묶으면 어떻게 나뉘는지 보자. 다른 곳이 몇 군데인지도 세어 보자.
  6. 판단“유전자 하나 = 형질 하나”, “DNA = 유전자”는 흔한 오해이다. 사람 DNA에서 단백질 정보를 담은 부분은 약 1.5%에 불과하고, 나머지에는 유전자를 언제 켤지 조절하는 부분과 아직 역할을 모르는 부분이 섞여 있다. 또 염색 분체 둘의 서열이 같다는 것은 복제 오류와 교차가 없을 때의 이야기이다.

확인조건이 달라지면

어떤 사람의 1번 상동 염색체 한 쌍에서, 한 유전자 자리의 대립유전자가 R과 r이다. 이 사람의 체세포가 DNA 복제를 마쳤을 때(G₂기) 세포 속 R은 몇 개일까?

탐구 3

염색체 하나가 더 들어가는 일은 감수 분열의 어느 단계에서 생길까?

염색체 비분리와 염색체 수 이상
생식세포 네 개의 염색체 수
—
정상 생식세포와 수정했을 때
—

한 쌍의 상동 염색체만 그렸다(두 색은 각각 부모에게서 받은 염색체). 감수 2분열의 비분리는 둘로 나뉜 세포 중 한쪽에서만 일어났다고 두었다.

  1. 질문다운 증후군은 21번 염색체가 세 개(47개)인 경우로, 어머니의 나이가 많을수록 빈도가 높아진다. 염색체 하나가 어떻게 더 들어가게 될까?
  2. 복원감수 1분열에서는 상동 염색체가 나뉘고, 감수 2분열에서는 염색 분체가 나뉘어 염색체 수가 절반(n)인 생식세포 네 개가 생긴다(생명과학).
  3. 설명감수 분열에서 염색체가 제대로 나뉘지 않고 한쪽으로 함께 가는 것을 비분리라 한다. 감수 1분열에서 상동 염색체가 비분리되면 네 생식세포가 모두 비정상(n+1 둘, n−1 둘)이고, 감수 2분열에서 염색 분체가 비분리되면 절반만 비정상(n+1, n−1 하나씩)이다. 그리고 n+1 생식세포가 정상 생식세포와 수정하면 2n+1(트리소미), n−1이면 2n−1(모노소미)이 된다.
  4. 연결대부분의 상염색체 모노소미와 트리소미는 발생을 멈추게 하지만, 21번(다운), 18번(에드워드), 13번(파타우) 트리소미는 태어날 수 있다. 성염색체 이상으로는 터너 증후군(45,X), 클라인펠터 증후군(47,XXY), 47,XXX, 47,XYY 등이 있다. 난자는 태아 때 감수 1분열을 시작해 수십 년 뒤 배란 때 마치기 때문에, 나이가 많을수록 비분리가 늘어나는 것으로 본다.
  5. 적용1분열 비분리와 2분열 비분리에서 생식세포의 염색체 수를 비교해 보자. 그리고 정자의 XY 비분리(1분열)로 생긴 정자가 정상 난자(X)와 만나면 어떤 핵형이 되는지, 2분열 비분리로 XX 정자가 생기면 어떻게 되는지 확인해 보자.
  6. 판단염색체 수 이상은 대부분 부모의 유전자가 나빠서가 아니라 생식세포를 만드는 과정에서 우연히 생긴다. 또 같은 진단명이라도 사람마다 나타나는 특성과 정도가 크게 다르므로, 진단명만으로 한 사람의 능력이나 삶을 판단해서는 안 된다.

확인조건이 달라지면

색맹 유전자가 없는 부모(XᴿXᴿ × XᴿY) 사이에서 클라인펠터 증후군(XXY)이면서 색맹인 아들이 태어날 수 없는 까닭은?

탐구 4

흩어진 염색체 사진으로 핵형을 맞출 수 있을까?

핵형 분석 · 상동 염색체 · 염색체 이상 · 끌어 놓기
시료
남은 염색체
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배치한 염색체
—
핵형 표기
—

염색체를 끌어서 아래 번호 자리에 놓아 보자. 터치 화면에서는 염색체를 한 번 눌러 고른 뒤 자리를 눌러도 된다. 크기, 동원체 위치, 띠무늬가 같은 두 개가 상동 염색체이다. 길이는 실제 염색체 DNA 길이(Mb)에 비례하게 그렸고, 띠무늬는 구별을 돕기 위한 모식이다(실제 G 띠무늬와 다름).

  1. 질문세포 분열 중기의 세포를 염색해 현미경으로 찍으면 염색체가 뒤엉켜 흩어져 보인다. 이 사진만 보고 그 사람에게 염색체 이상이 있는지 어떻게 알 수 있을까?
  2. 복원염색체는 DNA와 단백질로 이루어지며, 분열 중기에는 가장 많이 응축되어 잘 보인다. 이때 각 염색체는 복제된 두 염색 분체가 동원체에서 붙어 있는 모양이다. 그리고 사람의 체세포에는 염색체가 46개 있다.
  3. 설명한 생물이 가진 염색체의 수, 크기, 모양을 핵형이라 하고, 이를 크기와 동원체 위치 순으로 짝지어 늘어놓은 것이 핵형 분석이다. 크기와 모양, 띠무늬가 같은 두 염색체를 상동 염색체라 하며, 하나는 아버지에게서, 하나는 어머니에게서 왔다. 사람의 체세포는 상동 염색체가 23쌍인 2n = 46이고, 그 가운데 22쌍은 남녀 공통인 상염색체, 1쌍은 성을 결정하는 성염색체(여자 XX, 남자 XY)이다.
  4. 연결감수 분열에서 상동 염색체나 염색 분체가 제대로 갈라지지 않는 것을 비분리라고 한다. 그래서 비분리로 염색체가 하나 더 많거나 적은 생식세포가 수정하면 염색체 수가 47이나 45인 사람이 태어날 수 있다. 21번이 3개이면 다운 증후군(47,XX,+21 또는 47,XY,+21), X가 하나뿐이면 터너 증후군(45,X), XXY이면 클라인펠터 증후군(47,XXY)이다.
  5. 적용시료 1을 직접 정리해 보자. 큰 것부터 짝을 찾고, 동원체가 끝에 붙은 작은 염색체(13~15번, 21번, 22번)를 구별해 본다. 그다음 시료 2~5를 정리해 각각 정상 남녀인지, 어떤 염색체 이상인지 판독하고, 시간이 없으면 ‘자동 정렬’로 결과만 보고 핵형 표기를 읽어 보자.
  6. 판단핵형 분석으로는 염색체의 수와 큰 구조 이상만 알 수 있다. 낫 모양 적혈구 빈혈증처럼 유전자 하나의 염기 서열이 바뀐 유전자 돌연변이는 핵형이 정상으로 보인다. 또 X 염색체(C군)는 6~12번과 크기가 비슷해 띠무늬 없이 크기만으로는 헷갈리기 쉽다. 그래서 실제 핵형 분석은 G 띠 염색으로 띠무늬를 비교해 판정한다.

확인조건이 달라지면

핵형이 47,XXY인 사람이 태어났다. 부모의 핵형은 모두 정상이다. 이 사람이 생긴 과정으로 가능한 것은?

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