Ka/Ks 의 진화론적인 의미 #

유전학적으로 Ka/Ks 비율은 생물체가 오랜 시간 진화해 오면서 자연에 의해 선택되어지는 유전자 선택력 (selective pressure acting)의 지표로 이용되는 것으로 단백질을 코딩하는 유전자 영역에서 단백질의 변형 없이 단순히 nucelotide 서열의 변화, Synonymous substitution site (Ks)의 수 대비 단백질 변형을 유발할수 있는 nucleotide 변형, Nonsynonymous site (Ka)의 비율을 말한다.

현재의 생물 집단을 구성하고 있는 다양한 유전적 및 표현형적 차이는 다양한 종류의 유전적 변이와 환경적 요인의 상호작용으로 주어진 환경에 가장 적합한 유전적 변이들이 계속적으로 선발된 결과이다. 이렇게 시간이 흐름에 따라 개체군내 대립유전자들의 비율이 변하는 것을 진화라 한다.

1859년 찰스 로버트 다윈 (Charles Robert Darwin, 1809년 2월 12일 ~ 1882년 4월 19일)은 그의 저서 '종의 기원'에서 최초로 자연선택을 기초로한 진화론을 제시했다. 그의 일기를 살펴보면 진화의 주요 수수께끼를 풀기 위해 애쓴 흔적을 알 수 있는데, 그는 시골 소년이었기 때문에 농사일이나 가축 사육에 대해 많은 지식을 가지고 있었다. 그 시대의 유능한 농부는 각 세대에서 특정한 개체만을 선택함으로써 품종을 개량하는 이른바, 인위선택으로 우수한 품종을 유지했으며, 오랜 민속 전통에 의해 2년마다 동물들의 품평회가 열리면 가장 좋은 동물들을 뽑아 상을 수여했다. 왜냐하면 그 동물들은 다음 해의 사육을 위해 이용되어야 하기 때문이다. 이유는 간단하다. 자손은 어버이를 닮는 경향이 있고 가장 좋은 어버이는 가장 좋은 새끼를 낳는다는 원리를 가지고 있기 때문이다. 이를 지켜 보던 다윈은 다음과 같은 질문과 함께 종의 기원 4장에서 자연선택의 개념을 소개했다.

1. 생존경쟁이 변이와 관계하여 어떻게 작용하는 것일까?
2. 인위선택의 원리가 자연에서도 적용될 수 있을까?
3. 나는 자연선택이 매우 효과적으로 작용할 수 있다고 생각한다.
4. 만약에 그런 변이가 일어난다면, 다른 개체에 비해서 생존과 출산에 더 좋은 기회를 갖는 다는 점을 의심할 수 있을까?
5. 반면에 매우 해로운 변이는 엄격히 소멸 될 것이라고 확신할 수 있다.

이렇게 유리한 변이는 보존 되고 해로운 변이는 소멸 되는 것을 나는 자연선택이라고 한다.

이렇게 자연에 보다 효과적으로 적응하기 위해 유전자의 표현형이 다양해지는 것이 유리하도록 다음 세대에 전달되는 것을 Positive Selection 이라 하고 이때 Ka/Ks 비율은 1을 넘게 된다. 즉, 단백질의 변형이 유도되는 Ka 비율이 단순 nucleotide의 변형만을 유도하는 Ks보다 높아지는 것으로 나비의 무늬가 점점 화려해 지도록 유전형이 다양해지는 형태가 이에 해당한다. 반면, 환경에 적응하기에 불리한 새로운 유전형은 집단에서 제거되도록 선발이 가해지는 Negative Selection(Purifying)은 Ka/Ks 비율이 1보다 작게 나타난다. 이러한 유전자들은 대부분이 생명유지의 필수적인 유전자들이 해당 된다. 마지막으로, 변이에 의해 새로운 유전형이 나타나더라도 외부의 환경에 의해 영향을 전혀 받지 않고 선발도 전혀 가해지지 않은 경우를 Neutral Selection이라 한다.

진화의 입장에서 봤을때, 생물이 다양해 질 수 있는 방법에는 여러 가지가 있지만, 개체 간의 DNA가 변화하여 새로운 대립유전자가 형성되는 돌연 변이는 진화의 역사에서 핵심적인 역할을 담당한다. 이를 이용해 우리는 생물 간 진화의 관계를 유전학적으로 검증하기 위해 다음과 같은 방법으로 실제 분석한다.

1. 분석하려는 생물종간의 homologen을 선발한다.
2. homologen의 nucelotide 서열을 비교하여 서로 차이 나는 site를 확인한다.
3. ka/ks 비율을 계산한다.

이를 위한 소프트웨어는 다음에서 활용할수 있다.

1. KaKs_Calculator
2. Free online server tool that calculates KaKs ratios among multiple sequences
3. SeqinR: A free and open biological sequence analysis package for the R language that includes KaKs calculation

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