한 세기 넘게 그레고어 멘델의 완두콩 실험은 유전학의 성경이었다. 우성과 열성 대립유전자가 가보처럼 전해진다는 깔끔한 이야기. 하지만 알고 보니 DNA만이 부모가 물려줄 수 있는 전부는 아니다. 새로운 연방 자금 지원 쥐 연구에 따르면, 후성유전적 표지(유전자 기능을 조정하지만 기본 코드는 바꾸지 않는 화학적 변형)가 멘델의 고전적 규칙을 깨뜨릴 수 있다. 조사된 후성유전적 유전 패턴 중 약 7%가 예상대로 행동하지 않았으며, 연구팀은 이전에 식물과 파리에서만 관찰되었던 드문 유전 현상도 발견했다.
"후성유전학의 비멘델적 유전 패턴은 게놈 서열 자체의 변경보다, 특히 환경적 압력에 반응하여 다양하거나 새로운 형질을 획득하는 더 빠른 방법일 수 있습니다." 존스홉킨스 대학의 블룸버그 석좌 교수이자 텍사스 A&M 대학 동료들과 공동 연구를 이끈 앤드루 파인버그 박사가 말했다. 5월 20일 《네이처 지네틱스》에 발표되고 국립보건원과 국립과학재단의 지원을 받은 이 연구 결과는 멘델이 완두콩으로 그린 깔끔한 그림에 새로운 주름을 추가한다.
멘델의 법칙은 유전자의 다른 버전인 대립유전자가 어떻게 유전되는지 설명하며, 우성 대립유전자는 형질을 발현하고 열성 대립유전자는 짝이 맞을 때까지 숨어 있다. 그러나 과학자들은 이미 유전체 각인(genomic imprinting)과 같은 예외가 존재한다는 것을 알고 있었다. 이는 대립유전자의 활성 여부가 어느 부모에게서 왔는지에 따라 달라지는 현상이다. 새로운 연구는 다섯 개의 추가 유전자에서 각인을 발견했으며, 비멘델적 후성유전 유전이 이전에 생각했던 것보다 더 흔할 수 있음을 밝혀냈다. 어떤 경우에는 유전된 후성유전 패턴이 부모 중 어느 쪽에도 추적되지 않았다. 말하자면 후성유전적 유령인 셈이다.
이러한 효과를 추적하기 위해 연구자들은 세 세대의 쥐(첫 번째 26마리, 두 번째 34마리, 세 번째 19마리)의 조직 샘플에서 DNA 메틸화(탄소와 수소 화학 그룹이 유전자 프로모터 영역에 부착되는 일반적인 후성유전 변형)를 분석했다. 그들은 유전 서열과 12개의 알려진 유전 메틸화 패턴을 모두 모니터링했으며, 긴 읽기 DNA 시퀀싱을 사용하여 대립유전자 차이와 원거리 메틸화 부위를 더 명확하게 파악했다.
비성염색체 전반에 걸쳐 연구팀은 멘델적 기대를 저버린 522건(조사된 패턴의 약 7%)을 확인했다. 그중에는 양쪽 부모 모두에게 없는 54건의 "발현적(emergent)" 유전 사건이 포함되었다. 한 가지 놀라운 예에서, 특정 대립유전자에 메틸화가 없는 두 마리의 쥐가 그 대립유전자의 두 복사본 모두에 메틸화가 있는 자손을 생산했다. "메틸화가 갑자기 나타난 것처럼 보였습니다." 파인버그가 말했다. 이 연구는 또한 포유류에서 처음으로 paramutation의 증거를 발견했다. 정자 발달에 중요한 역할을 하는 Capn11 유전자에서 한 대립유전자의 메틸화가 다른 대립유전자의 메틸화를 촉발했다. "마치 메틸화가 다른 대립유전자로 전이되는 것과 같습니다." 파인버그가 설명했다. 이 paramutation은 식이, 스트레스, 외상과 같은 환경 요인의 영향을 받는 것으로 알려진 반복 유전 요소와 연결된 영역에서 발생했다.
"이 연구는 과학자들이 질병과 건강 상태를 유발하는 형질이 어떻게 유전되는지 완전히 이해하기 위해 게노믹스와 에피게노믹스를 더 자주 통합하도록 설득할 수 있습니다." 공동 저자이자 존스홉킨스 블룸버그 공중보건대학의 생물통계학 교수인 카스퍼 한센 박사가 말했다. 연구팀은 이제 인간 게놈 데이터에서 유사한 패턴을 찾을 계획이며, 이는 임상 유전학자가 유전 질환과 환경 영향이 세대를 거쳐 어떻게 파급되는지 이해하는 데 도움이 될 수 있다.