다면발현(Pleiotropy), 유전자는 서로 얽혀 복잡하게 작용한다

 "하나의 유전자, 하나의 기능"이라는 오래된 믿음에 던지는 질문

학창 시절 생물 시간에 배운 멘델의 완두콩 실험을 기억하시나요? "둥근 콩 유전자는 둥근 모양을, 주름진 콩 유전자는 주름진 모양을 만든다." 이 명쾌한 법칙은 우리에게 '하나의 유전자는 하나의 형질을 결정한다(One gene, one trait)'는 고정관념을 심어주었습니다.

하지만 우리 몸은 완두콩보다 훨씬 복잡하고 정교합니다. 만약 단 하나의 유전자가 고장 났을 뿐인데, 뇌 기능이 저하되고, 피부색이 변하며, 독특한 체취까지 난다면 믿으시겠습니까? 전혀 관련 없어 보이는 이 증상들이 사실은 하나의 뿌리에서 나왔다면요?

오늘 우리는 유전학의 숨겨진 멀티플레이어, '다면발현(Pleiotropy)'의 세계로 깊이 들어가 보려 합니다.

1. 다면발현(Pleiotropy)이란 무엇인가? - 유전학의 멀티태스커

다면발현(Pleiotropy)은 그리스어로 '더 많은(pleion)'과 '방식(tropos)'이 합쳐진 단어입니다. 유전학적으로는 "하나의 유전자가 두 가지 이상의 전혀 다른 표현형(형질)에 영향을 미치는 현상"을 정의합니다.

쉽게 비유하자면 '마스터 키(Master Key)'와 같습니다. 하나의 열쇠로 현관문, 방문, 금고까지 모두 열 수 있는 것과 비슷하죠. 또는 첫 번째 도미노가 넘어지면서 여러 갈래의 도미노 줄을 동시에 쓰러뜨리는 '도미노 효과'로도 설명할 수 있습니다.

왜 이런 현상이 일어날까요?

유전자가 만드는 결과물인 '단백질'이 우리 몸속에서 '투잡', '쓰리잡'을 뛰기 때문입니다.

• 단백질의 다기능성: 하나의 단백질이 여러 종류의 세포에서 각기 다른 기능을 수행할 수 있습니다.
• 핵심 대사 경로 관여: 어떤 단백질이 생명 유지에 필수적인 대사 경로의 초입에 관여한다면, 이 단백질의 변화는 그 하류에 있는 모든 생리적 기능에 연쇄적인 영향을 미치게 됩니다.

2. 다면발현이 빚어낸 놀라운 사례들: 교과서 밖 실제 이야기

다면발현은 드문 예외가 아니라, 생명체에서 매우 흔하게 발견되는 현상입니다. 대표적인 세 가지 사례를 통해 그 복잡미묘한 메커니즘을 살펴보겠습니다.

Case 1. 페닐케톤뇨증(PKU): 하나의 효소 결핍이 부른 나비효과

페닐케톤뇨증은 전형적인 다면발현의 예시입니다. 원인은 12번 염색체에 있는 PAH 유전자의 돌연변이 단 하나입니다. 이 유전자는 '페닐알라닌'이라는 아미노산을 분해하는 효소를 만듭니다.

• 단 하나의 문제: PAH 효소가 작동하지 않아 체내에 페닐알라닌이 축적됨.

다면발현 결과(증상)

• 지적 장애: 축적된 페닐알라닌이 뇌세포를 손상시킵니다.
• 색소 결핍: 페닐알라닌은 멜라닌 색소의 원료이기도 합니다. 이것이 제대로 대사되지 않으니 머리카락과 피부색이 연해집니다.
• 독특한 체취: 비정상적인 대사 산물이 땀과 소변으로 배출되어 곰팡이 냄새 같은 특이한 체취가 납니다.

Case 2. 마르판 증후군(Marfan Syndrome): '위대한 거인들'의 비극

큰 키와 비정상적으로 긴 손가락 때문에 '거인병'으로도 오해받는 마르판 증후군은 FBN1 유전자의 이상으로 발생합니다. 이 유전자는 우리 몸을 지탱하는 결합 조직의 핵심 성분인 '피브릴린-1'을 만듭니다. 결합 조직은 우리 몸 어디에나 존재하기 때문에, 그 영향도 전신에 걸쳐 나타납니다.

• 골격계: 뼈를 감싸는 막이 느슨해져 뼈가 과도하게 성장합니다 (큰 키, 긴 손가락).
• 눈: 수정체를 잡아주는 지지대가 약해져 수정체 이탈이 발생합니다.
• 심혈관계: 가장 치명적인 문제입니다. 대동맥의 탄력성이 떨어져 혈압을 이기지 못하고 부풀어 오르거나 파열될 수 있습니다.
• 흥미로운 사실: 역사적으로 파가니니, 링컨 대통령, 라흐마니노프 등이 이 질환을 앓았을 것으로 추정됩니다. 그들의 천재적인 재능(예: 파가니니의 놀라운 손가락 기교) 뒤에는 이런 유전적 배경이 있었을지도 모릅니다.

Case 3. 겸상 적혈구 빈혈증: 질병인가, 축복인가?

HBB 유전자의 단일 염기 변이는 헤모글로빈의 모양을 낫(sickle) 모양으로 만듭니다. 이는 심각한 빈혈과 통증을 유발하는 치명적인 유전 질환입니다.

하지만 말라리아가 창궐하는 아프리카 지역에서 이 유전자는 놀라운 '생존 이점'을 제공합니다. 말라리아 원충은 낫 모양의 적혈구 내에서는 제대로 번식하지 못하기 때문입니다.

이는 하나의 유전자가 '질병 유발'과 '감염병 저항성'이라는 정반대의 형질에 동시에 관여하는 극적인 다면발현의 사례입니다.

3. 한 걸음 더: 다면발현의 심화 탐구

길항적 다면발현(Antagonistic Pleiotropy): 젊음의 이점, 노년의 대가

다면발현은 우리가 "왜 늙는가"에 대한 진화론적 해답을 제시하기도 합니다. 1957년, 진화생물학자 조지 윌리엄스(George C. Williams)는 '길항적 다면발현 가설'을 제안했습니다.

어떤 유전자가 젊은 시절(번식기)에는 생존과 번식에 유리한 영향을 주지만, 나이가 든 후에는 노화나 질병을 유발하는 해로운 영향을 준다면, 자연선택은 이 유전자를 선택한다는 것입니다.

• 예시: 남성 호르몬인 테스토스테론 수치를 높이는 유전자는 젊은 시절 근육량 증가와 번식 성공률을 높여주지만(이점), 노년기에는 전립선암의 위험을 높일 수 있습니다(대가).

※ 참고 문헌: Williams, G. C. (1957). Pleiotropy, Natural Selection, and the Evolution of Senescence. Evolution, 11(4), 398–411.

[비교] 헷갈리면 안 돼요! 다면발현 vs 다인자 유전

많은 분이 혼동하는 두 개념을 명확히 구분해 봅시다.

구분	다면발현 (Pleiotropy)	다인자 유전 (Polygenic Inheritance)
핵심 개념	One-to-Many (1 → 多)	Many-to-One (多 → 1)
정의	하나의 유전자가 서로 다른 여러 개의 형질에 영향을 미치는 현상	여러 개의 유전자가 상호작용하여 하나의 형질을 결정하는 현상
유전자와 형질	1개의 유전자 → 다수의 형질	다수의 유전자 → 1개의 형질
형질의 특징	질적으로 구분되는 불연속적 형질이 많음 (예: 질병 유무, 특정 증상)	양적으로 측정되는 연속적 변이를 보임 (예: 키, 몸무게, 피부색)
대표 예시	페닐케톤뇨증(PKU): 하나의 유전자 이상이 지능, 피부색, 체취에 모두 영향	사람의 키: 수백 개의 유전자가 복합적으로 작용하여 최종 키를 결정

4. 다면발현을 이해하는 것이 왜 중요한가?

다면발현은 단순한 생물학적 호기심을 넘어 현대 의학에서 매우 중요한 의미를 갖습니다.

• 약물 부작용의 예측: 신약 개발 시, 특정 유전자를 타깃으로 하는 약물이 예상치 못한 장기에 부작용을 일으킬 수 있습니다. 이는 타깃 유전자가 가진 다면발현적 특성 때문일 가능성이 큽니다.
• 질병의 통합적 진단: 환자가 호소하는 다양한 증상이 별개의 질병이 아니라, 하나의 유전자 문제로 인한 연관된 증상임을 파악하여 정확한 진단을 내릴 수 있습니다.

마무리하며

유전자는 설계도가 아닌, 거대한 네트워크다.

우리는 종종 유전자를 기계 부품의 설계도처럼 생각합니다. "이 부품은 엔진, 저 부품은 바퀴." 하지만 실제 유전자의 세계는 수많은 실이 복잡하게 얽힌 거대한 네트워크에 가깝습니다. 실 하나를 당기면 네트워크 전체가 미세하게 흔들리는 것처럼 말이죠.

다면발현은 생명체가 얼마나 효율적이고도 정교하게 설계되었는지, 그리고 그 복잡성 속에 얼마나 많은 비밀이 숨겨져 있는지를 보여주는 가장 우아한 증거일지도 모릅니다.