유전적 다양성

Genetic diversity
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유전적 다양성은 한 종의 유전적 구성에서 유전적 특성의 총수로, 종의 수에서 종 내부의 차이까지 광범위하게 분포하며, 한 종의 생존 범위에 기인할 수 있다.[1] 유전적 특성이 변화하는 경향을 설명하는 유전적 가변성과 구별된다.

유전적 다양성은 사람들이 변화하는 환경에 적응하는 한 가지 방법의 역할을 한다. 다양성이 증가하면, 모집단의 일부 개인은 환경에 적합한 대립각을 가질 가능성이 더 높다. 그 개인은 그것을 가지고 있는 자손을 생산하기 위해 살아남을 가능성이 더 높다. 이러한 개인들의 성공으로 인해 인구는 더 많은 세대에 걸쳐 계속될 것이다.[2]

Annotated Diagram of Natural Selection.jpg

인구유전학의 학문 분야에는 유전적 다양성에 관한 몇 가지 가설과 이론이 포함되어 있다. 중립적 진화론은 다양성이 중립적 대체물의 축적의 결과라는 것을 제안한다. 다양화 선택이란 한 종의 두 하위 집단이 특정 장소에서 서로 다른 알레르기를 선택하는 서로 다른 환경에 살고 있다는 가설이다. 예를 들어, 한 종이 그 안에 있는 개인의 이동성에 비해 큰 범위를 가지고 있는 경우 이러한 현상이 발생할 수 있다. 주파수 의존적 선택은 알레르기가 보편화될수록 취약해진다는 가설이다. 이는 호스트와 병원체의 상호작용에서 발생하는데, 호스트 사이에서 방어적 알레르기의 높은 빈도는 병원체가 그 알레르기를 극복할 수 있다면 병원체가 확산될 가능성이 더 높다는 것을 의미한다.

전형적인 인간 카리오타입의 그래픽 표현.

종 내 다양성

러시아 식물 유전학자 니콜라이 바빌로프 사무실의 다양한 옥수수 품종

2007년 국립과학재단이 실시한 연구는 유전적 다양성(종 다양성 내)과 생물다양성이 서로 의존하고 있다는 것을 발견했다. 즉, 종들 간의 다양성을 유지하기 위해서는 한 종 내의 다양성이 필요하며, 그 반대의 경우도 마찬가지라는 것을 발견했다. 리차드 란카우 박사는 이 연구의 수석 연구원에 따르면, "계통에서 어떤 한 가지 유형이라도 제거되면, 그 주기는 무너질 수 있고, 공동체는 하나의 종에 의해 지배하게 된다"[3]고 말했다. 유전자형과 표현형 다양성은 단백질, DNA, 유기체 수준에서 모든 종에서 발견되어 왔다. 자연에서 이 다양성은 비랜덤적이고, 구조성이 높으며, 환경적 변동과 스트레스와 상관관계가 있다.[4]

유전적 다양성과 종의 다양성 사이의 상호의존성은 섬세하다. 종 다양성의 변화는 환경의 변화로 이어져, 나머지 종들의 적응으로 이어진다. 종의 상실과 같은 유전적 다양성의 변화는 생물학적 다양성의 상실로 이어진다.[2] 국내 동물 개체군의 유전적 다양성의 상실도 연구되어 왔고 시장의 확대와 경제 세계화에 기인하고 있다.[5][6]

유전적 다양성의 진화적 중요성

적응

모집단 유전자 풀의 변동은 모집단이 변화하는 환경에 적응할 수 있는 특성에 따라 자연 선택이 가능하도록 한다. 형질을 위한 선택 또는 반대 선택은 환경의 변화에 따라 발생할 수 있다 – 유전적 다양성의 증가(새로운 돌연변이를 위해 선택 및 유지되는 경우) 또는 유전적 다양성의 감소(불리한 대립을 선택할 경우)를 초래한다.[7] 따라서, 유전적 다양성은 한 종의 생존과 적응성에 중요한 역할을 한다.[8] 변화하는 환경에 적응할 수 있는 인구의 능력은 필요한[9][10] 유전적 다양성의 존재 여부에 따라 달라질 것이다. 한 집단이 더 많은 유전적 다양성을 가질수록 그 집단이 적응하고 생존할 수 있는 가능성이 더 높아질 것이다. 반대로, 기후 변화나 새로운 질병과 같은 변화에 대한 인구의 취약성은 유전적 다양성의 감소와 함께 증가할 것이다.[11] 예를 들어, 클라미디아와 코알라 레트로바이러스(KoRV)를 퇴치하는 데 코알라가 적응하지 못하는 것은 코알라의 낮은 유전적 다양성과 관련이 있다.[12] 이 낮은 유전적 다양성은 또한 코알라의 기후변화 적응 능력과 미래에 인간이 초래하는 환경변화에 대해 유전학자들이 우려하고 있다.[12]

소인구

많은 인구는 유전 물질을 유지할 가능성이 더 높기 때문에 일반적으로 유전적 다양성이 더 높다.[7] 소수는 무작위적인 우연에 의해 시간이 지남에 따라 다양성의 상실을 경험할 가능성이 더 높으며, 이를 유전적 표류라고 한다. 알레르(유전자 변이)가 고정으로 표류할 때, 같은 위치의 다른 알레르기가 없어져 유전적 다양성이 상실된다.[13] 작은 모집단 크기에서는 유전적 구성이 비슷한 개인들 사이에 교배, 교배 등이 발생할 가능성이 더 높기 때문에 고정될 정도로 더 흔한 대립이 지속되어 유전적 다양성이 감소한다.[14] 따라서 유전적 다양성에 대한 우려는 개체 수가 적고 인류가 유발하는 인구 효과가 높기 때문에 큰 포유류에게 특히 중요하다.[16]

유전적 병목현상은 개체 수가 적은 시기를 거치면 발생할 수 있으며, 이로 인해 유전적 다양성이 급격히 감소한다. 개체수의 증가에도 불구하고 유익한 돌연변이(아래 참조)는 드물고, 유전자 풀은 적은 시작인구에 의해 제한되기 때문에 전체 종족이 작은 개체군에서 시작한다면 유전적 다양성이 계속 낮아지는 경우가 많다.[15] 이것은 유전적으로 건강한 구조된 개체나 종을 위해 일할 때 보존 유전학의 영역에서 중요한 고려사항이다.

돌연변이

무작위 돌연변이는 일관되게 유전적 변이를 일으킨다.[7] 돌연변이는 유전자 풀에 새로운 유전자가 도입되기 때문에 단기적으로 유전적 다양성을 증가시킬 것이다. 그러나 이 유전자의 지속성은 표류 및 선택(위 참조)에 따라 달라진다. 대부분의 새로운 돌연변이는 건강에 중립적이거나 부정적인 영향을 미치는 반면, 어떤 돌연변이는 긍정적인 영향을 끼친다.[7] 유익한 돌연변이는 지속될 가능성이 더 높기 때문에 유전적 다양성에 장기적으로 긍정적인 영향을 미친다. 돌연변이 비율은 게놈에 따라 다르며, 더 큰 개체군은 더 큰 돌연변이 비율을 가지고 있다.[7] 더 작은 개체군에서는 변이가 표류에 의해 제거될 가능성이 더 높기 때문에 지속 가능성이 더 낮다.[7]

유전자 흐름

유전자 흐름은 종종 이주에 의한 유전 물질의 이동이다(예를 들어 바람 속의 꽃가루나 새의 이동). 유전자 흐름은 새로운 문제를 사람들에게 소개할 수 있다. 이러한 알레르기는 개체군에 통합될 수 있으며, 따라서 유전적 다양성을 증가시킬 수 있다.[16]

예를 들어, 아프리카 모기의 아노펠레스 감비아에서 살충제 내성 돌연변이가 발생했다. 일부 감비아 모기가 아노펠레스 콜루진 모기의 개체로 이동하면서 유익한 저항 유전자가 한 종에서 다른 종으로 전이되었다. 유전자 다양성은 돌연변이에 의해 감비아에서, 유전자 흐름에 의해 A. 콜루지인에서 증가되었다.[17]

농업에서

작물에서

인간이 처음 농사를 짓기 시작했을 때, 그들은 선택적 번식을 이용하여 바람직하지 않은 작물을 생략하면서 농작물의 바람직한 특성을 물려주었다. 선택적 사육은 거의 유전적으로 동일한 식물의 전체 농장을 단일 배양으로 이끈다. 유전적 다양성은 거의 혹은 전혀 농작물이 광범위한 질병에 극도로 취약하게 만든다; 박테리아는 끊임없이 변형되고 변화하며 질병을 유발하는 박테리아가 특정한 유전적 변이를 공격하기 위해 변화할 때, 그것은 많은 양의 종을 쉽게 없앨 수 있다. 만약 박테리아가 공격에 가장 뛰어난 유전적 변화가 인간이 수확에 사용하기 위해 선택적으로 배양한 것이라면, 농작물 전체가 전멸될 것이다.[18]

아일랜드의 19세기 대 기근은 부분적으로 생물 다양성의 부족에 의해 야기되었다. 새로운 감자 식물은 번식의 결과로 오는 것이 아니라 모식물에서 오는 것이 아니라 유전적 다양성이 발달되지 않고, 전체 작물이 근본적으로 하나의 감자의 복제품이기 때문에 특히 전염병에 걸리기 쉽다. 1840년대에 아일랜드 인구의 많은 수가 감자에 의존했다. 그들은 피토프토라 인페스탄스라고 불리는 썩는 오미케테에 걸리기 쉬운 "루머" 품종의 감자를 심었다.[19] 이 곰팡이는 감자 수확량의 대부분을 파괴했고, 백만 명의 사람들을 굶겨 죽게 했다.

농업의 유전적 다양성은 질병뿐만 아니라 초식동물과도 관련이 있다. 마찬가지로, 위의 예와 같이, 단일 문화 농업은 플롯 전체에 걸쳐 균일한 특성을 선택한다. 만약 이 유전자형이 특정한 초식동물에 취약하다면, 이것은 농작물의 많은 부분을 잃게 할 수 있다.[20][21] 농부들이 이것을 극복하는 한 가지 방법은 상호작용을 통해서이다. 농부는 초식동물과 그들이 선호하는 숙주식물 사이의 장벽으로 관련되지 않거나 유전적으로 구별되는 농작물들의 열을 심음으로써 초식동물이 전체 플롯에 퍼지는 능력을 효과적으로 감소시킨다.[22][23][24]

가축에

가축 종의 유전적 다양성은 다양한 환경과 다양한 목적의 동물 사육을 허용한다. 선택적 사육 프로그램의 원료를 제공하고 환경 조건 변화에 따라 가축 개체군이 적응할 수 있도록 한다.[25]

가축의 생물다양성은 품종 멸종과 다른 형태의 유전적 침식으로 인해 사라질 수 있다. 유엔식량농업기구(FAO)가 운영하는 국내동물다양성정보시스템(DAD-IS)에 기록된 2014년 6월 기준 8774종 가운데 17%가 멸종위기에 처해 있고 7%는 이미 멸종위기에 처한 것으로 분류됐다.[25] 2007년 식량농업 유전자원위원회 주관으로 개발된 '동물유전자원 글로벌 행동계획'이 동물유전자원 관리에 관한 틀과 지침을 제공하고 있다.

동물 유전자원 유지의 중요성에 대한 인식이 시간이 지날수록 높아졌다. FAO는 식량과 농업을 위한 세계 동물 유전자원 현황에 관한 두 가지 보고서를 발표했는데, 이 보고서는 우리의 전 세계 가축 다양성과 그것들을 관리하고 보존할 수 있는 능력에 대한 상세한 분석을 다루고 있다.

바이러스 함의

백신 접종을 설계할 때는 바이러스의 높은 유전적 다양성을 고려해야 한다. 유전적 다양성이 높으면 표적형 백신 설계가 어려워지고, 바이러스가 빠르게 진화해 백신 치사성에 저항할 수 있게 된다. 예를 들어, 말라리아 예방접종은 단백질 항원의 높은 유전적 다양성의 영향을 받는다.[26] 또한 HIV-1 유전적 다양성은 현재 이용 가능한 바이러스 부하와 저항성 시험의 사용을 제한한다.[27]

낮은 유전적 다양성 대처

플랑크톤 유기체의 광합성.
탄자니아 치타.

내추럴

자연계는 유전적 다양성을 보존하거나 증가시키는 몇 가지 방법을 가지고 있다. 해양 플랑크톤 중에서 바이러스는 유전자의 이동 과정에 도움을 준다. 플랑크톤을 감염시키는 해양바이러스는 그들 자신의 것 외에 다른 유기체의 유전자를 지니고 있다. 한 세포의 유전자를 포함하는 바이러스가 다른 세포에 감염되면, 후자의 유전적 구성이 변한다. 이러한 지속적인 유전자 구성의 변화는 복잡하고 예측할 수 없는 환경 변화에도 불구하고 플랑크톤의 건강한 개체군을 유지하는 데 도움이 된다.[28]

치타는 멸종위기에 처한 종이다. 낮은 유전적 다양성과 결과적인 낮은 정자의 질은 치타의 번식 및 생존을 어렵게 만들었다. 게다가, 치타의 약 5%만이 성년까지[29] 살아남는다. 하지만 암컷 치타는 새끼 한배당 한배 이상의 수컷과 짝짓기를 할 수 있다는 것이 최근 밝혀졌다. 그들은 유도 배란을 겪는데, 이것은 암컷이 짝짓기를 할 때마다 새로운 난자가 생산된다는 것을 의미한다. 여러 마리의 수컷과 짝짓기를 함으로써, 어미는 새끼 한 마리 안에서 유전적 다양성을 증가시킨다.[30]

인간의 개입

유전적 다양성을 높여 종의 생존력을 높이려는 시도를 유전자 구조라고 한다. 예를 들어, 텍사스에서 온 8명의 표범들이 감소하고 있는 플로리다 표범 개체군에 소개되었는데, 이 개체수는 감소하고 있고, 교배 우울증을 겪고 있었다. 따라서 유전적 변화가 증가했고 플로리다 팬더의 인구 증가가 현저하게 증가했다.[31] 높은 유전적 다양성을 창조하거나 유지하는 것은 종의 구조 노력에 있어서 중요한 고려사항이다. 개체수의 수명을 보장하기 위해서 말이다.

방안

인구의 유전적 다양성은 몇 가지 간단한 척도로 평가할 수 있다.

  • 유전자 다양성은 게놈에 걸친 다형성 로시의 비율이다.
  • 이형성(異形性)은 특정 지역에 대해 이형성(異形性)인 모집단의 개인별 분율이다.
  • 위치당 알레르기는 또한 가변성을 입증하는 데 사용된다.
  • 뉴클레오티드 다양성은 개체군 내에서 뉴클레오티드 다형성(nucleotide polymorism)의 범위로서, 미토콘드리아 DNA,[32] 싱글 뉴클레오티드 다형성(single-nucleotide polymorism)과 같은 분자 표지를 통해 일반적으로 측정된다.

또한 확률적 시뮬레이션 소프트웨어는 알레르기와 모집단 크기와 같은 측정치가 주어진 모집단의 미래를 예측하는 데 일반적으로 사용된다.[33]

유전적 다양성도 측정할 수 있다.유전적 다양성을 측정하는 다양한 기록적인 방법은 다음과 같다.[34]

  • 종족 풍요는 종의 수를 측정하는 척도다.
  • 종은 풍부하다 종의 풍부함에 대한 상대적 척도
  • 종 밀도 단위 면적당 종 총 수 평가

참고 항목

참조

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외부 링크