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[친절한 유전상담 이야기] <7> 유전율(Heritability)
의학약학 최빛나 (2021-08-05)

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유전(Heredity)

 “아이고 귀여워라, 코가 아빠랑 똑같네!” “삼촌 어릴 때랑 정말 비슷하게 생겼다.” 집안에 아기가 태어나면 가족들은 이건 누굴 닮고, 저건 누굴 닮았는지 찾기 바쁘다. 이런 일들은 아이가 성인이 될 때까지(때로는 다 커서도..) 외모, 성격, 학업능력까지 참 다양한 부분에서 계속된다. 예를 들면 “우리 딸은 엄마를 닮아서 정말 똑똑해” “할아버지의 예술적 감각을 물려받았구나” 등이 있다. 아이는 당연히 부모를 닮고, 형제자매와 가까운 친척들과도 다양한 부분이 비슷하다. 그래서 가족들을 통해 아이의 미래의 모습을 추측해 볼 수 있는데, 예를 들면 어느 정도 키가 클지 부모를 보면 대략 감을 잡을 수 있다. 물론, 아닌 경우도 많지만!

왜 이런 특징들이 계속해서 가족 내에 공통적으로 존재하는 걸까? 먼저, 가족끼리 비슷한 ‘환경’을 공유하기 때문이다. 두 번째로, 부모님들이 의도적으로 아이를 자신들과 비슷하게 양육할 가능성도 있다. 그리고 마지막으로 아이를 둘러싼 환경과 양육방식 외에 중요한 것이 바로 “유전자”다. 생물학적 부모로부터 전달된 DNA로 인해 만들어지는 결과물인 DNA, 이 유전자를 통한 유전은 가족 내에 비슷한 모습이 계속 존재하게 되는 중요한 요인이다. 극단적인 예로 일란성 쌍둥이는 다른 형제들보다 훨씬 많이 닮아 있다.

이렇게 형질이 유전자를 통해 다음 세대로 전해지는 현상을 유전이라고 한다. 혈액형이나, 유전병과 같은 형질들은 전적으로 유전자에 의해 결정된다. 반면에 많은 형질들은 유전자의 영향을 일부분만 받는다. 예를 들면, 가족 중에서 유독 특별하게 뭔가 다른 사람들을 발견할 수 있는데, 유독 키가 큰 삼촌이나, 보수적인 교육자 집안의 예술가 같은 경우다. 이런 특징들 역시 유전된다고 말하기도 하지만, 사실 아주아주 많은 환경요인이 영향을 준다.

 

유전율(Heritability)?

유전율은 형질에 유전자가 얼마나 많은 영향을 주는지를 설명하는 방법이다.

1. 큰 정의: 유전율은 유전적 변화에 의해 설명되는 어떤 형질의 변동비율이다. 즉, 사람들의 DNA 차이가 그들의 형질의 차이를 얼마나 잘 설명할 수 있는지 측정하는 방법이다. 유전율은 0(유전학이 형질에 대해 아무것도 설명하지 못함)과 1(유전학이 모든 것을 설명함) 사이의 값으로 계산된다. 예를 들어, 키의 유전 가능성은 약 0.80이고 하룻밤 수면시간의 상속 가능성은 0.15~0.20다.(유럽인, Vissher et al., Gottlieb et al.)

2. 유전율은 유전학을 통해 형질을 얼마나 잘 예측할 수 있는지 나타내기도 한다. 즉, 나의 유전자를 통해 거꾸로 부모의 특성을 잘 예측할 수 있는지 유전율을 통해 알 수 있다. 그러나 DNA를 통한 예측은 모든 유전적 변이의 효과를 정확하게 알아야 가능하다. 그러니 현실에서는 거의 불가능한 경우가 많다. 하지만 유전적 특성을 더 많이 알아낼수록 예측의 정확도는 올라가게 되어있다.

3. 유전율은 유전자가 형질의 발현에 얼마나 중요한 역할을 하는지 나타낸다. 1에 가까운 높은 유전율은 유전자가 사람들 간의 차이를 매우 잘 설명한다는 것을 의미하며, 0에 가까운 낮은 유전율은 개인 간의 형질 차이가 유전적이지 않다는 것을 나타낸다. 그런데 어떤 형질이 높은 유전성을 가지고 있다고 해서, 어떤 특정한 유전자가 명백한 생물학적 방법으로, 직접적으로 그 차이를 유발하는 것은 아니다. 높은 유전율에는 DNA 변이와 관련된 직간접적인 인과관계가 총체적으로 내포되어 있다.

4. 유전율은 개인의 소유가 아니라 인구의 재산이다. 한 형질의 유전성이 설명되려면 유전적 요인의 결과로 집단 안에서 얼마나 많은 개체 수의 변동성이 있는지를 반영해야 하기 때문이다. 그래서 질병에 따라 유전율을 통해 개인이 왜 병에 걸렸는지를 설명하는 것은 적절하지 않을 수 있다.

5. 유전율은 형질이 어떻게 측정되었는지에 따라 다르게 산출된다. 측정하기 어렵고 무작위 측정 오차가 더 큰 형질은 유전율이 작게 산출된다. 그리고 누가 특성을 측정하느냐에 따라 (예: 병원마다 신체측정에서 어떤 것을 기준으로 하는지 다를 수 있음) 또는 단순화된 측정과 의도된 측정 사이에서 차이가 날 수 있다. (예: 우울증 약을 복용하는 것의 유전율 VS. 우울증의 유전율)

6. 유전율은 인구, 집단에 따라 다르다. 유전적 특성은 모든 집단 내의 형질의 총체적 변화를 수반하기 때문에, 모집단 내에서만 의미가 있다. 따라서 특정 국가, 민족, 연령, 사회경제적 지위에 따라 달라질 수 있다.

 

다시 한번 생각해 봐야 할 것들

1. 유전율은 운명이 아니다. 어떤 특성이 유전되고 부모에게 존재한다고 해서 그 특성을 가질 운명을 타고난 것은 아니다. 그럴 가능성이 높지만 필연적이지 않다.

2. 유전율은 변화하는 수치. 유전율은 유전적 요인과 환경적 요인의 영향 사이의 균형을 반영하기 때문에, 환경을 변화시키면 그 특성의 유전성을 바꿀 수 있다.

3. 유전율은 형질에 영향을 미치는 인간의 능력을 측정하지 않는다. 머리 색깔은 유전될 가능성이 높지만 원하는 색으로 염색할 수 있다. 체질량지수는 유전될 수 있지만, 그렇다고 식이요법과 운동이 영향을 미치지 못한다는 뜻이 아닌 것처럼. 유전율은 “자연과 양육”의 힘에 대한 최종 결론이 아니다.

4. 높은 유전율이 집단 간의 차이가 유전적이라는 것을 의미하는 것이 아니다. IQ 점수가 인종 간에 차이 나는 현상을 유전학 탓으로 돌렸던 역사적 기록이 있다. 위에서 말한 것처럼, 유전율은 측정, 인구, 환경의 선택에 한정되므로, 이것들이 변화할 경우 바뀔 수 있다. 그러므로 개체 간의 태생적 차이에 대한 증거로 형질의 추정 유전율을 사용하는 것은 옳지 않다.

 

근데 왜 갑자기 유전율?

특정 형질과 특정 집단의 유전율을 추정하는 것은 최종 목표가 아니라 해당 형질을 이해하기 위한 출발점이다. 게다가 일반적으로 유전율은 형질에 영향을 미치는 모든 잠재적 유전자 변이의 일부만을 이용한다.

유전학자나 생물학자들에게 유전율은 어떤 형질을 연구하는 것이 유익한 일일지 판단하는 지표가 될 수 있다. 다른 요인들과 달리 유전과 형질이 어느 정도 관련되어 있는지를 측정함으로써, 유전학적 원인에 대해 더 많이 알고 싶다면 얼마나 유전학을 고려해야 하는지 생각해 볼 수 있다.

건강관리 측면에서 신체적 측정(BMI, 혈압 등)과 장애의 유전율은 가족력이 얼마나 환자의 건강을 예측할 수 있는지, 즉 유전자 검사가 질병 위험과 치료 결과를 예측하는 데 얼마나 유용해질 수 있는지에 대한 통찰력을 제공한다.

유전율을 추정하는 것은 사회과학 분야에서도 관심이 있는데, 성격부터 교육, 수면 일정, 자녀 수까지 삶의 많은 측면들이 조금은 유전될 수 있다는 것이 유전율 연구를 통해 밝혀져 왔다. DNA는 사회적 부분과 복잡하고도 간접적으로 연관되어 있다.

마지막으로, 우리의 특성에 대한 유전성을 아는 것은 우리가 누구인지를 아는 데 있어서 DNA가 하는 역할을 조금 더 이해할 수 있도록 하는 일이다. 유전학은 “유전과 환경”을 나누듯이 간단하지 않지만, 인간 특성의 유전성을 연구하는 것은 적어도 그 힘들이 어떻게 상호 작용하는지 보여주고, 이는 우리가 미래에 유전자를 통해 무언가 배울 수 있는 길을 열어준다.

유전상담을 공부하던 학생일 때는 주로 희귀질환에 대해서만 생각했었다. 그런데 회사에서 유전상담사로 일하다 보니 비만, 당뇨, 고혈압과 같은 대사질환과 개인 특성에 대한 유전적 특성을 많이 다룬다. 그래서 자연스럽게 유전율에 관심을 깊게 가지게 되었다. 유전율이 높고 낮음 보다는, 그 의미에 대해서 풀어내는 과정이 의미 있었다. 위에서 말한 유전율이 가지는 특성 중 몇 가지는 유전자 검사와 결과를 설명할 때 아주 유용하게 쓰인다. 모든 것을 의미하는 것은 아니며, 바뀔 수도 있다는 것이 대표적이다.

유전자 검사는 종류가 매우 많고 목적도 다양한데, 어떤 것은 검사 라기보다는 ‘서비스’에 가깝다. 왜냐면, 결과가 형질에 미치는 영향이 너무 소소하기 때문에 “검사”라는 확정적인 단어가 어색할 때가 많기 때문이다. 이런 서비스를 잘 이해하고 이용할 수 있도록 돕는 것은 기업에서 일하는 유전상담사의 대표적인 역할이다. 검사 후 상담에서 가장 많이 듣는 질문이. “저는 술을 잘 먹는 편인데, 결과가 보통이라고 하네요. 검사 정확한 거 맞아요?”인데, 이때 형질의 유전율 개념을 내담자에게 잘 설명하면 늘 좋은 효과가 있었다.

 

“형질은 키, 몸무게, 성격, 커피를 얼마나 많이 마시는지, 의학적인 건강 상태 등 다양하고 포괄적인 의미로 한 사람에게서 관찰되는 모든 특성을 의미합니다. 유전자 변이가 형질에 미치는 영향은 직접적으로 생물학적 메커니즘으로 명확하게 설명할 수 없는 경우가 대부분입니다. 대신 한 개의 변이는 어떤 작은 변화를 일으킬 수 있고 그것이 개인이 환경을 선택하고 상호작용하는 데 영향을 줄 수 있습니다. 만약 우리가 책에서 나는 냄새를 너무 좋아했다면 학창 시절에 학교 공부를 더 잘했을 수도 있겠죠? “

 

유전율은 어떻게 계산할까?

앞서서 유전율을 유전되는 변이에 의해 설명되는 형질의 다양성 비율이라고 했는데, 이것이 도대체 무슨 말인가. 유전율에 대한 정의는 종종 다양하게 변할 수 있다. 그건 유전율에 대한 이상적인 개념과 실제로 과학적으로 계산 가능한 것에 차이가 존재하기 때문이다. 이제 유전율의 계산법을 몇 가지 소개하려고 한다. 미리 말해 둘 것은 유전학 역학연구에서 사용하는 용어와 조금 다를 수 있다는 것과 내가 이해할 수 있는 수준에서 작성했고, 일반적으로 유전상담사가 유전율을 실제로 계산하지는 않는다는 점이다.

유전율 계산에 대해서 알아보는 이유는 정확하게 알고 설명하기 위함이다. 앞으로 접하게 될 수많은 질병과 개인 특성, 그리고 유전자 연구에 대해 더 잘 설명하기 위해 뭐든지 정확하게 개념을 이해하는 것이 중요하다.

총 유전율(H2)  

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σ2G (유전적 총 분산)은 유전 영향력을 의미하고, σ2E (환경적 총 분산)은 환경 영향력을 의미한다. 분산은 변수의 흩어진 정도를 계산하는 지표다. 즉, 유전/환경적 영향을 받는 조건에서 한 집단 안의 개인차가 얼마나 나는지 의미한다. 분산 계산법을 찾아보면 이해가 더 잘 된다. 총 유전율(H2)에서 σ2G는 유전변이가 미치는 영향이 아주 큰 경우 (멘델리안 유전)와 아주 작은 경우(SNP) 또는 유전자 간에 상호작용이 아주 복잡한 경우 등 많은 영향력을 모두 포함한다.  * σ2P = σ2G + σ2E

좁은 의미의 유전율(h2)

유전율(Heritability)

유전율(Heritability)

실제로 총 유전율을 구하는 일은 어렵다. 가능한 모든 유전적 변이와 가능한 모든 상호작용 효과를 고려해야 하기 때문에 많은 전제 조건(가정)을 두어야 계산할 수 있다. 그래서 이것을 단순화한 것이 좁은 의미의 유전율(h2)이다.

좁은 의미의 유전율은 유전적 총 분산(σ2G)을 σ2A(상가적 효과에 의한 분산), σ2D(우성효과에 의한 분산), σ2I(상위유전자 효과에 의한 분산) 이렇게 세 가지로 나눈다. 그리고 유전자에 우성/열성(E가 e보다 우성에 가깝다면, Ee의 영향력은 EE와 같다)이 없고, 유전자 간에 어떤 상호작용(A가 있으면 B가 무조건 동반된다 등)도 없다고 가정하여, σ2D 와 σ2I를 없애 버리고! σ2A(상가적 효과에 의한 분산)만 고려한다. (실제로 σ2D와 σ2I를 구하는 것은 매우 어렵다.)

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상가적 효과에 의한 유전분산 σ2A

부모로부터 EE를 물려받는 경우 키는 0.4m 상승되고, ee를 물려받는 경우 키는 0.4m 감소한다. 이때 heterozygotic 케이스에서 결정되는 신장은EE 와 ee의 중간지점에 위치하게 된다. 이처럼 대립유전자의 영향력이 순수하게 각 대립유전자에 할당되어 있는 수치의 총합으로 계산 가능 하다면, 이것이 상가적 효과에 의한 유전분산이다.

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그래서 총 유전율인(H2)보다 좁은 의미의 유전율(h2)이 거의 대부분 더 작다.(h2 H2) 그리고 좁은 의미의 유전율(h2)은 환경영향이 잘 통제된 쌍둥이나 가족 내 연구에서 유전성을 연구할 때 많이 사용된다.

 

SNP 유전율(h2g)

유전율(Heritability)

어떤 형질에 영향을 준다고 알려진 SNP(Single nucleotide polymorphism)들의 영향력을 묶어서 계산한 것이 SNP 유전율(h2g)이다. 단일 뉴클레오티드 다형성(SNP)는 유전자 특정 위치에 존재하는 A.T.G.C 염기의 다양성이다. A를 갖는 사람도 있고, T, G, C를 갖는 사람도 있다. 각각은 형질에 미치는 영향력이 다르며, 대부분 아주 약소하다. 유전학이 발전하면서 이런 SNP 정보를 대규모 집단에서 많이 수집할 수 있게 되었는데, 대표적으로 전장 유전체 연관 분석(GWAS) 연구가 있다.

SNP 유전율(h2g)은 좁은 의미의 유전율(h2)보다 대부분 작다.(h2g h2 H2) 유전변이(SNP)의 일부분을 묶어서 계산한 것이고, SNP의 영향력은 유전성이 높다고 알려진 유전자들(원인유전자) 보다 대부분 형질발생에 미치는 영향력이 작기 때문이다.


 

[참고]

http://www.nealelab.is/blog/2017/9/13/heritability-201-types-of-heritability-and-how-we-estimate-it

http://www.nealelab.is/blog/2017/9/13/heritability-101-what-is-heritability

https://blog.naver.com/davide95/222150193384

 

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최빛나 (테라젠바이오)

유전상담에 대해 소개하고 정보를 공유합니다. 그리고 비의료인 출신의 상담사로서 현재를 열심히 살고 있는 저의 이야기를 하고자 합니다.

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  댓글 2 댓글작성: 회원 + SNS 연동  
카카오회원 작성글 조윤*********  (2022-06-22 15:38)
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안녕하세요!

유전 상담에 관해 올려주신 글 너무 재미있게 읽고있습니다!
저는 유전 상담 석사를 도전해볼까 생각하는 학생인데요 혹시 몇가지 개인적으로 질문 드려도 될까요?
괜찮으시다면 이메일로 연락드리고 싶습니다..!
괜찮으시다면 여기 댓글 혹은 yoonbin.joh@gmail.com 으로 연락 주세요. 감사합니다!
회원작성글 BRIC  (2022-06-23 08:46)
2
안녕하세요. BRIC입니다. 해당 글은 연재자님께 메일로 전달드렸습니다. 감사합니다. BRIC 드림
 
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