유전학의 역사

유전학의 역사() 또는 유전학사(遺傳學史)는 히포크라테스, 아리스토텔레스 및 에피쿠로스에 의한 공헌과 함께 고전 시대부터 시작되었다. 인간은 경험적으로 선사시대부터 생물의 특징이 부모로부터 자식에게 유전되는 것을 이용한 품종개량을 해왔다. 과학적인 방법을 사용한 현대 유전학은 오스트리아의 아우구스티노 수도회 수사였던 그레고어 요한 멘델의 연구와 함께 시작되었다. 유전학의 아버지라고도 불리는 멘델은 1866년에 완두의 교배 실험에 관한 논문 〈식물 교잡에 관한 실험〉(, )을 발표하였는데, 현재는 생명과학 교과서에 멘델의 유전법칙으로 정리되어 있다. 유전 현상에 대한 몇몇 이론들이 수세기 전부터, 멘델의 연구 이후에도 수십 년 간 제안되었는데, 멘델의 유전법칙 이전에는 혼합 유전과 같은 다양한 유전 이론이 통용되고 있었다.
멘델의 논문은 발표 당시에는 주목을 받지 못하였으나, 1900년에 휴고 드 브리스(네덜란드), 카를 코렌스(독일), 에리히 폰 체르마크(오스트리아)에 의한 "멘델의 재발견" 과정에서 유전학의 기본 이론으로 자리잡았다. 1903년에 월터 서턴이 "유전물질은 염색체 위에 존재하며, 염색체를 통해 자손에게 전달된다"는 염색체설을 주장한 이후에 유전학계는 유전물질의 규명을 위해 노력하였다. 1915년까지 멘델 유전학의 기본 원리가 다양한 생물체, 특히 초파리("Drosophila melanogaster")에 적용되었다. 1925년에 토머스 헌트 모건과 그의 동료들은 널리 받아들여지게 된 멘델 모델을 더욱 발전시켰다. 모건은 "각각의 유전자는 염색체 위에 일정한 위치에 있으며, 대립유전자는 상동염색체의 동일한 위치에 존재한다"는 유전자설을 주장하였다.
실험적인 연구와 함께 수학자들은 집단유전학의 통계적 틀을 개발하여 유전학적 설명을 진화 연구에 도입하였다. 1928년에 프레더릭 그리피스는 폐렴균의 형질전환 실험을 하였고, 1944년에 오즈월드 에이버리는 그리피스의 실험을 훨씬 더 정교하게 설계하여 유전물질이 DNA라는 것을 증명하였지만, 단백질이 유전물질일 것이라는 당시 학계의 강한 믿음 때문에 이 실험 결과는 받아들여지지 않았다. 1952년에 앨프리드 허시와 마사 체이스는 박테리오파지를 이용한 허시와 체이스의 실험을 통해 DNA가 유전물질이라는 것을 증명하였고, 학계에서도 이를 받아들였다.
유전자를 물려받는 기본 패턴이 확립되면서, 많은 생물학자들은 유전자의 물리적 특성에 대한 연구를 시작했다. 1940년대와 1950년대 초의 실험들은 염색체의 한 부분인 DNA에 유전자가 있음을 알려주었다. 1953년에 제임스 D. 왓슨과 프랜시스 크릭이 DNA 이중 나선의 구조를 밝혀내고, 1955년에 프레더릭 생어는 DNA와 아미노산의 관계를 규명하여 유전자 발현 기작을 밝혀내고 인슐린의 아미노산 배열을 규명하였다. 바이러스와 세균과 같은 새로운 모델 실험체에 초점을 맞춘 실험들과 그 성과들은 유전학을 분자유전학의 시대로 이끌었다.
다음 몇 년 동안 화학자들은 핵산의 염기 서열 분석 기술과 단백질의 아미노산 서열 분석 기술을 개발했으며, 다른 연구자들은 핵산과 단백질의 관계, 유전 암호를 밝히기 위한 연구를 수행했다. 유전자 발현의 조절은 1960년대의 핵심 쟁점이었다. 1970년대에 유전공학을 통해 유전자 발현을 조절하고 조작할 수 있었다. 20세기의 마지막 십년 동안 많은 생물학자들은 전체 유전체(게놈)의 염기 서열을 밝히기 위해 대규모 유전학 프로적트에 초점을 맞추었다. 2003년 인간 게놈 프로젝트가 완료되어 인간의 전체 게놈 지도가 완성되었다.
멘델 이전의 유전에 대한 생각.
고대의 유전이론.
유전에 대한 가장 영향력이 있는 고대의 이론은 히포크라테스와 아리스토텔레스의 이론이었다. 히포크라테스의 이론(아마도 아낙사고라스의 가르침에 기초를 둔 것으로 추정)은 훗날 찰스 다윈이 제안한 범생설(pangenesis)과 비슷하였다. 히포크라테스는 신체를 형성하는 요소들이 모여 다음 세대에 유전된다고 보았다. 아리스토텔레스는 비물리적인 이데아론 대신에 생물의 형질이 정액(혈액의 정화된 형태로 생각함)과 임신 중인 산모의 생리혈을 통해 자손에게 전달되며, 정액과 생리혈이 생물의 초기 발생을 지시하기 위해 자궁 속에서 서로 상호작용한다고 보았다. 히포크라테스와 아리스토텔레스 이래로 거의 모든 서구 학자들은 19세기 말까지 획득형질이 유전된다라고 생각했다. 동시에 개별 종은 고정된 본질을 가지고 있으며 유전되는 변화는 단순히 피상적인 것이라고 생각했다. 아테네의 철학자 에피쿠로스는 가족들을 관찰하고 남성과 여성 둘 다 유전형질(에피쿠로스는 “sperm atom"이라고 부름)을 전달한다고 제안했고, 유전의 우성형질과 열성형질에 대해 주목하고 유전형질의 분리와 독립적인 구분을 주장했다.
300년 경에 고대 인도의 의학 서적인 《차라카 삼히타》(Charaka Samhita)에서는 자손의 형질이 4가지 요인에 의해 결정된다고 보았는데, (1) 어머니의 생식물질, (2) 아버지의 정자, (3) 임신한 어머니가 섭취한 음식물 (4) 태아로 들어간 영혼이 그것이다. 이 4가지 요인 각각에는 4가지 부분이 있어 부모와 영혼의 업보가 어떤 속성이 지배적인지를 결정함으로써 자손에게 형질을 부여한 16가지 요인을 창안했다.
9세기에 아프리카계 아랍인 작가 알 자히즈(Al-Jahiz)는 자연 환경이 동물의 생존 가능성에 미치는 영향을 고려했다. 그는 자신의 저서 《동물의 서》에서 다음과 같이 기록하고 있다.
1000년에 아랍 의사인 아부 알 카심 알 자라위(Abu al-Qasim al-Zahrawi, 서구에서는 알부카시스(Albucasis)로 알려져 있음)는 자신의 의학 개론서인 《알 타스리프》(Al-Tasrif)에서 이베리아 반도에 있던 일가의 병력 연구 결과를 근거로 혈우병의 유전적 본질을 분명히 기술한 최초의 의사였다. 1140년에 유다 하레비(Judah HaLevi)는 《쿠자리》(Kuzari)라는 책에서 우성 유전형질과 열성 유전형질을 기술했다.
식물계통분류학 및 잡종 형성.
18세기에 식물과 동물의 다양성에 대한 지식이 증가하고, 그에 따라 분류학에 대한 관심이 높아지면서 유전에 관한 새로운 생각들이 등장하기 시작했다. 린네를 비롯한 요제프 고트리이프 쾰로이터(Joseph Gottlieb Kölreuter), 칼 프리드리히 폰 거르트너(Carl Friedrich von Gärtner), 샤를 빅토르 노댕(Charles Victor Naudin)과 같은 연구자들은 잡종 형성 특히 종간 잡종에 대한 광범위한 실험을 수행했다. 종간 잡종 연구자들은 잡종 불임 및 여교배(戾交配, backcrossing)의 높은 가변성을 포함하여 다양한 유전 현상을 기술했다.
또한 식물 육종가들은 많은 중요한 식물 종에서 안정적인 변종을 개발하고 있었다. 19세기 초에 프랑스의 오퀴스탱 사주렛(Augustin Sageret)은 일부 식물 품종을 교배했을 때 부모 중 하나에 나타난 어떤 형질이 보통 자손에게도 나타남을 알아내고 우성의 개념을 확립했고, 또한 부모에게서 발견된 일부 조상 형질이 자손에서 나타날 수 있다는 것을 발견했다. 그러나 영국의 존 가턴(John Garton)에 의한 식물 육종에 대한 과학적 접근이 있었음에도 불구하고, 식물 육종가들은 그들의 연구에 대한 이론적 기반을 확립하거나 생리학 연구에 그들의 지식을 공유하려고 시도하지 않았다.
멘델.
그레고어 멘델은 1856년과 1863년 사이의 교배 실험에서 완두의 특정 형질의 유전 패턴을 추적하여 어떤 형질이 우성이고, 어떤 형질이 열성인가라는 문제가 간단한 통계학적 규칙을 따른다는 것을 보여주었다. 이러한 멘델 유전의 패턴은 유전에 대한 통계 적용이 매우 유용할 수 있다는 것을 보여주었고, 또한 여러 세대 동안 교배되어도 형질이 분리되어 남아 있기 때문에 19세기의 혼합 유전을 반박하였다.
멘델은 통계적 분석을 통해 자신이 형질이라고 기술한 개념을 정의했다. 자신의 역사적인 논문에서 멘델은 형질을 만드는 물질을 지정하기 위해 "유전인자"라는 용어를 사용했다.
멘델은 완두의 교배 실험에 대한 연구 결과를 1865년 2월 8일과 1866년 3월 8일에 두 부분으로 나누어 발표한 후, 1866년에 브르노에 있는 자연사 학회에 〈식물 교잡에 관한 실험〉(, ) 이란 제목의 논문을 출판했다.
멘델 이후, 멘델의 재발견 이전까지.
범생설.
멘델의 연구는 상대적으로 잘 알려져 있지 않은 과학 학술지에 발표되었으며, 과학계의 관심을 받지 못했다. 멘델 시대의 생물학은 많은 부분이 미지의 영역으로 남아있었으며, 멘델 스스로도 자신의 완두에 대한 실험을 모든 생물 종에 일반화 시킬 수 있다고 생각하지 않았다. 대신, 유전 방식에 대한 논쟁은 자연 선택에 의한 다윈의 진화론에 의해 이루어졌다. 다윈의 유전 이론인 범생설(pangenesis)은 그다지 널리 수용되지 못했다. 다윈의 사촌인 프랜시스 골턴은 범생설을 보다 수학적으로 다듬어서 유전에 대한 생물측정학을 발전시켰다. 비록 유전의 정확한 메커니즘이 밝혀지지 않은 상황이었지만, 골턴과 그의 후계자인 칼 피어슨이 이끈 생물측정학은 유전과 진화에 대한 통계적 모델을 구축하려고 시도했었다.
생식질 연속설.
1883년에 독일의 아우구스트 바이스만은 외과적으로 꼬리를 제거한 쥐를 교배하는 실험을 수행했다. 그 결과 쥐의 꼬리를 외과적으로 제거한 것은 자손의 꼬리에 아무런 영향을 미치지 않았고, 범생설과 용불용설은 도전을 받게 되었다. 라마르크의 용불용설은 생물의 일생동안 일어난 변화 즉, 후천적으로 얻은 획득형질이 자손에게 유전될 수 있다고 설명했다. 바이스만은 유전 정보는 정자와 난자 같은 생식세포에 의해서만 다음 세대로 유전된다고 주장한 생식질 연속설(germ plasm theory)이라는 유전 이론을 제안했다.
멘델의 재발견.
휴고 드 브리스는 생식질의 성질이 무엇인지에 대해 궁금해했으며, 특히 생식질이 페인트처럼 섞이는지 아닌지 또는 정보가 파손되지 않는 분리된 패킷으로 운반되는지 여부에 대해 궁금해했다. 1890년대에 드 브리스는 다양한 식물 종을 대상으로 교배 실험을 수행했으며, 1897년에 유전된 형질이 부모로부터 하나씩 물려받는 두 개의 개별 정보 인자에 의해 결정되고, 이 입자들이 다음 세대로 전달된다는 논문을 발표했다. 1900년에 드 브리스가 논문을 준비하고 있을 때 드 브리스의 연구와 관련이 있다고 생각한 지인이 멘델의 1866년의 논문을 드 브리스에게 보여주었다. 처음에 드 브리스는 멘델의 논문에 대한 우선권을 언급하지 않고, 1900년에 자신의 논문을 발표했다. 같은 해에 다른 식물학자인 카를 코렌스는 옥수수와 완두의 교배 실험을 수행하고, 자신과 비슷한 결과를 얻은 멘델의 논문을 보고, 자신의 결과를 발표하기 전에 관련 실험에 대한 문헌을 조사하고 있었다. 코렌스는 멘델의 논문에 대한 우선권을 인정하지 않고 멘델의 논문을 도용한다고 드 브리스를 비난하였다. 같은 시기에 또 다른 식물학자인 에리히 폰 체르마크도 완두 교배 실험을 하여 멘델과 같은 결과를 얻었다. 체르마크도 관련 연구에 대한 문헌을 조사하던 중 멘델의 논문을 발견하였다. 드 브리스는 자신의 후속 논문에서 멘델의 공로를 언급하고, 자신은 멘델의 연구를 단지 확장했을 뿐임을 인정했다.
분자유전학의 출현.
멘델의 재발견 이후, 유전 메커니즘 문제에 대해 윌리엄 베이트슨과 칼 피어슨 간의 논쟁이 있었고, 로널드 피셔가 〈멘델 유전의 가정에 대한 친족 간의 상관관계〉()라는 논문에서 이 문제를 해결하였다.
1910년에 토머스 헌트 모건은 특정 염색체 상에 유전자가 존재함을 보여주었다. 나중에 모건은 유전자가 염색체의 특정 부위를 차지한다는 것을 보여주었다. 이러한 지식을 바탕으로 해서 모건과 그의 제자들은 초파리("Drosophila melanogaster")의 염색체 지도를 최초로 만들기 시작했다. 1928년에 프레더릭 그리피스는 유전자가 형질전환될 수 있음을 보여주었다. 그리피스의 실험으로 알려진 이 실험에서 죽은 병원성 세균에 있는 어떤 물질이 비병원성 세균 내로 들어가 비병원성 세균을 병원성 세균으로 형질전환시켰음을 알게 되었다. 형질전환을 일으킨 물질은 병원성 세균의 유전정보를 비병원성 세균으로 운반하였고, 그리피스는 이 물질이 유전물질이라고 생각하였다.
이 후 일련의 발견으로 유전물질은 DNA(디옥시리보핵산)로 이루어져 있다는 사실을 알게 되었다. 1941년에 조지 웰스 비들과 에드워드 로리 테이텀은 유전자 돌연변이가 대사 경로의 특정 단계에서 이상을 일으킨다는 것을 보여주었다. 이것은 특정 유전자가 특정 단백질을 암호화하는 1유전자 1효소설을 이끌어냈다. 오즈월드 에이버리, 콜린 먼로 매클라우드(Colin Munro MacLeod, 맥클린 맥카티(Maclyn McCarty)는 1944년에 DNA가 유전정보를 가지고 있음을 보여주었다. 1952년에 로절린드 프랭클린과 레이먼드 고슬링(Raymond Gosling)은 나선 형태를 시사하는 선명한 X선 회절 패턴을 만들었고, 1953년에 제임스 D. 왓슨과 프랜시스 크릭은 DNA의 분자 구조를 밝혀냈다. 이러한 발견들은 DNA의 유전정보가 RNA로 전사되고, 이 RNA의 정보를 토대로 단백질로 번역된다는 것을 나타내는 분자생물학의 중심 원리를 확립시켰다. 이 후에 중심 원리에는 레트로바이러스의 역전사와 같은 예외가 있는 것으로 밝혀졌다.
1972년에 벨기에 헨트 대학교의 발터 피어스(Walter Fiers)와 그의 동료들은 박테리오파지 MS2의 외피 단백질 유전자의 염기서열을 최초로 밝혀냈다. 리처드 J. 로버츠와 필립 앨런 샤프는 1977년에 유전자가 단편으로 절단될 수 있음을 발견하였다. 이것은 하나의 유전자가 여러 단백질을 만들 수 있다는 발상을 이끌어냈다. 많은 생물 유전체의 성공적인 염기서열 분석은 유전자의 분자적 정의를 복잡하게 만든다. 특히 유전자는 분리된 구슬처럼 DNA 상에 나란히 위치하는 것처럼 보이지 않는다. 대신에 구별되는 단백질을 만드는 DNA의 영역이 겹칠 수 있으므로 "유전자는 하나의 긴 연속체"라는 의견이 출현했다. 월터 길버트는 1986년에 RNA가 간단한 촉매와 유전정보 저장의 역할을 수행할 수 있다면 DNA나 단백질은 초기 지구의 원시 생명 시스템에서 요구되지 않는다고 최초로 가정했다.
DNA 수준에서 유전학에 대한 현대의 연구는 분자유전학으로 알려져 있으며, 전통적인 다윈의 진화론과 집단유전학의 통합은 현대 진화설(종합설)로 알려져 있다.