진화론과 유전자

1950년대에는 집단의 유전자 빈도 변화를 확률 과정으로 취급하는 고도의 수학적 이론이 존재했지만, 그것을 실제 진화와 종내 변이의 문제에 적용시키는 것은 분자 차원에서의 연구가 궤도에 오르기 전까지는 불가능했다. 그 이유는 지금까지의 진화와 변이의 연구가 유전자로부터 멀리 떨어진 표현형(주로 눈에 보이는 형태)을 대상으로 이루어졌으며, 문제를 유전자 자체의 내부구조 차원에서 파악할 수 없었기 때문이다. 따라서 실제 진화 과정에서 종 내에서 새로운 돌연변이 유전자가 어떤 속도로 대체되고 있는지 알 수 없었다.

 

 

그러나 이러한 제약은 분자 유전학의 개념과 방법이 진화나 집단 유전학의 연구에 1960년 중반부터 도입됨에 따라 제거되었다.그 결과 두 가지 면에서 현저한 진보가 이루어졌다. 첫째는 상동 단백질, 특히 헤모글로빈 분자를 척추동물 간에 비해 여기에 고생물학의 지식을 가미하여 진화과정에서 아미노산 치환 속도를 추정할 수 있게 되었다는 점이다. 두 번째 진보는 전기영동법을 이용하여 집단 내 효소 단백에 관한 유전적 다형을 조사할 수 있게 된 것이다. 이에 따라 종내에서 유전자 수준의 변이가 얼마나 존재하는지 믿을 수 있는 추정치를 처음으로 얻을 수 있게 됐다.

 

 

이들 분자 레벨에서의 진화와 변이에 관한 데이터의 출현은 이 분야에 있어서의 새로운 시대의 도래를 알리는 것이었다.우선 진화에 대해서는 당시 아미노산 배열을 비교할 수 있었던 것은 헤모글로빈이나 티 토크 롬 c 등 극히 소수의 단백질에 대해서만이었는데, 필자가 이를 바탕으로 포유동물의 게놈(반수 염색체 조) 당 변화율에 제외하고 꽂아보면 진화 과정에서 포유동물의 종은 평균 2년에 한 개 정도의 비율로 새로운 돌연변이(DNA 염기의 변화)를 축적해 왔다(즉 종 내에서 치환해 왔다)는 놀라운 추정치를 얻었다. 다음으로 종내 변이에 대해서는 전기영동법을 사용하여 효소 단백질에 대해 종내 변이를 조사한 당시의 데이터는 사람이나 초파리 집단에서 각 개체는 1000개 이상의 유전자 자리에서 헤테로 접합 상태에 있다고 생각되는 결과가 나왔다. 이는 이전에 생각했던 것보다 훨씬 높은 유전적 변이성이다. 이러한 예상외의 결과를 집단 유전학의 입장에서 설명하기 위해서는, 아무래도 자연도태에 중립 한 돌연변이의 우연적 부동이 분자 레벨에서의 진화에 주역을 맡고 있다고 생각하지 않을 수 없다는 것이다.

 

「기능적으로 중요하지 않은 분자(또는 분자내의 중요하지 않은 부분)일수록, 그렇지 않은 것보다 진화 과정에서 아미노산이나 DNA 염기의 치환이 급속히 일어나, 치환율(진화 속도)의 최고는 돌연변이율로 정해진다」라고 하는 생각에 이른 것은 1973년경으로, 이것이 전통적인 진화 유전학에서 보면 완전히 이단적인 생각임을 충분히 알고 있었다. 그 후 몇 년 만에 클릭(F. Crick)이 “미니 레볼루션”이라 부른 분자생물학의 제2 혁명기가 도래했다. 그리고 DNA 염기서열에 관한 데이터가 폭발적인 기세로 발표되게 됐어. 그 결과 분자 진화 연구는 단백질의 아미노산 배열 비교 시대에서 염기서열 비교 시대로 넘어간 감이 있다. 이러한 연구에서, 진화에 있어서의 DNA 염기의 치환에서는, 단백질의 아미노산에 변화를 일으키지 않는 것이, 일으키는 것보다 훨씬 큰 속도로 일어나고 있는 것도 확실해. 생물체를 만들고 생명을 유지하는 데 근본적인 역할을 하는 것은 단백질로, 그 기능은 입체구조에 의존하는데, 이는 최종적으로는 아미노산 배열에 의해 결정된다는 점을 감안하면 DNA 염기의 치환 중에서 아미노산에 변화를 일으키는 것은 그것을 일으키지 않는 것보다 표현형에 대해 일반적으로는 훨씬 큰 영향을 줄 것이다. 한편 자연도태는 개체의 표현형으로 작용하여 개체의 생존과 번식에 의해 결정되기 때문에 당연히 아미노산에 변화를 주지 않는 DNA 염기의 변화는 자연도태에 걸리기 어려울 것이다. 그러나 진화 과정에서는 아미노산에 변화를 일으키지 않는 것이 변화를 일으키는 것보다 훨씬 높은 비율로 치환되고 있어 종 내에 큰 속도로 축적되고 있는 것이다.

　여기서 바로 문제가 되는 것은 세대와의 관계입니다.기존의 유전자 돌연변이 연구결과에 따르면 사람, 생쥐, 초파리 같은 세대 길이가 현저하게 다른 생물들 사이에서도 자연스럽게 일어나는 돌연변이 비율은 연당이 아니라 세대당 거의 비슷하다. 따라서 한 세대에 걸리는 시간이 짧은 생물과 긴 생물은 물리적 시간(년)을 단위로 나타낸 유전자 돌연변이율에 큰 차이가 있어 좋을 것이다. 예를 들면, 마우스와 인간은 세대의 길이에 적어도 40배의 차이가 있으며, 만약 세대당 돌연변이율이 양자에서 동일하다면, 1년당 중립 돌연변이율에도 이 정도의 차이가 있어 좋을 것이다. 따라서 연 단위로 측정했을 때, 이 양자의 공통 조상에서 마우스에 이르는 진화 가지에서는 사람으로의 진화 가지보다 적어도 40배의 속도로 아미노산 치환이 일어나고 있어 좋을 것 같다. 그러나 실제로는 그렇게 되지 않고 거의 같은 속도다(실제 데이터에서 구한 아미노산 치환율에 대해 보면 마우스의 분지에서의 연당 치환율은 사람보다 겨우 50% 높은 정도로 차이가 있다고 해도 비교적 적다).

　 기존의 돌연변이 연구 결과와 중립설에 의한 설명이 이처럼 모순되는 것처럼 보이는 사실은 중립설의 비판에 자주 이용되어 왔다.종래의 돌연변이 데이터를 보면, 예를 들어 마우스에서의 이리(albino)의 그것도 모두 세대당 10만 분의 3 정도이다. 또한 열성 치사 유전자의 자연 돌연변이율에 대해서도 사람, 초파리, 마우스 3자가 세대별로 나타낼 때 서로 비슷한 정도의 추정치를 얻을 수 있습니다.

　 한편 물리적 시간으로 말하면 인간의 한 세대는 초파리의 그것보다 대략적으로 1000배 길며, 만약 자연적으로 일어나는 열성치사 돌연변이가 물리적 시간에 비례하여 발생한다면 인간에서는 초파리에서의 돌연변이율(v=10-5)의 1000배 즉, 매대 유전 자당 1%라는 비정상적인 고율에서 일어나게 되며 이는 관찰 사실에 맞지 않는다. 뿐만 아니라 만약 이런 고율로 열성 치사 유전자가 인간으로 매대에 발생한다면 돌연변이 총하중은 엄청나 종으로서의 사람은 도저히 존속할 수 없을 것이다.