복대립 유전(ABO 혈액형 등)

대립유전자는 동일한 유전자좌에 위치하는 유전자의 여러 변이 형태를 가리킨다. 하나의 유전자좌에는 일반적으로 두 개의 대립유전자가 존재하며, 이는 각각 부모로부터 하나씩 물려받는다. 이 두 대립유전자의 조합을 유전자형이라고 한다.

복대립 유전에서는 특정 유전자좌에 세 가지 이상의 대립유전자가 집단 내에 존재한다. 예를 들어, ABO 혈액형을 결정하는 유전자에는 I^A, I^B, i라는 세 가지 주요 대립유전자가 있다. 개인의 유전자형은 이 중 두 개의 조합으로 결정된다.

개인의 유전자형은 생식세포(정자나 난자)를 통해 다음 세대로 전달된다. 각 생식세포는 부모의 유전자형을 구성하는 두 대립유전자 중 무작위로 하나만을 포함한다. 이 과정을 통해 자손은 새로운 유전자형 조합을 가지게 된다.

유전자형은 개체가 가진 대립유전자의 조합을 가리킨다. 예를 들어 ABO 혈액형 시스템에서 유전자형은 I^A, I^B, i 중 두 개의 조합, 즉 I^A I^A, I^A i, I^B I^B, I^B i, I^A I^B, ii와 같이 표현된다.

반면 표현형은 이러한 유전자형에 의해 실제로 발현되어 관찰 가능한 형질이다. ABO 혈액형의 경우, 적혈구 표면의 항원 유무에 따라 A형, B형, AB형, O형이라는 네 가지 표현형이 존재한다. 유전자형과 표현형의 관계는 단순한 1:1 대응이 아닐 수 있다. 하나의 표현형이 여러 다른 유전자형에 의해 결정될 수 있으며, 하나의 유전자형이 항상 동일한 표현형을 나타내는 것도 아니다[1].

복대립 유전에서 표현형과 유전자형의 관계는 대립유전자 간의 우성-열성 관계에 의해 규정된다. ABO 혈액형에서 I^A와 I^B는 서로에 대해 공우성 관계에 있어, I^A I^B 유전자형을 가진 개체는 A와 B 항원을 모두 발현하는 AB형이라는 표현형을 보인다. 반면, i 대립유전자는 I^A와 I^B에 대해 열성이므로, I^A i 유전자형은 I^A I^A 유전자형과 마찬가지로 A형 표현형을 나타낸다. ii 유전자형만이 O형 표현형을 결정한다.

이 관계를 표로 정리하면 다음과 같다.

따라서, 표현형을 통해 정확한 유전자형을 유추하는 데에는 제약이 따른다. A형 표현형을 보이는 개체의 유전자형은 I^A I^A일 수도 있고 I^A i일 수도 있다. 이러한 관계는 혈액형의 유전 상담, 부모자식 확인, 그리고 집단 내 유전자 빈도 계산에 중요한 기초가 된다.

ABO 혈액형 시스템은 9번 염색체의 장완(9q34.1-q34.2)에 위치한 단일 유전자좌에 의해 결정된다. 이 유전자좌는 글리코실트랜스퍼라제 효소를 암호화하며, 세 가지 주요 대립유전자인 *A*, *B*, *O*를 가진다. 이 세 대립유전자는 복대립 유전의 전형적인 예를 보여준다.

*A* 대립유전자는 N-아세틸갈락토사민을 첨가하는 글리코실트랜스퍼라제를 생성하고, *B* 대립유전자는 D-갈락토스를 첨가하는 효소를 생성한다. 반면, *O* 대립유전자는 기능성이 없는 효소를 생성하거나 전사되지 않아 어떠한 당도 첨가하지 못한다[3]. 이 구조적 차이가 적혈구 표면에 존재하는 항원의 종류를 결정한다.

*A*와 *B* 대립유전자는 서로에 대해 공우성을 나타내며, *O* 대립유전자는 둘 모두에 대해 열성이다. 개인은 부모로부터 각각 하나의 대립유전자를 물려받아 총 두 개의 대립유전자를 가지게 되며, 이 조합(유전자형)이 A, B, AB, O라는 표현형(혈액형)으로 나타난다.

ABO 혈액형은 적혈구 표면에 존재하는 특정 항원의 유무와 종류에 따라 결정된다. 이 항원은 당단백질이나 당지질 형태로 존재하며, 유전적으로 암호화된 글리코실트랜스퍼라제 효소에 의해 합성된다. 주요 항원은 A 항원과 B 항원이며, 이들의 존재 여부가 A형, B형, AB형, O형을 구분하는 기준이 된다.

항원의 유형은 대립유전자에 의해 지정된 효소의 활성에 따라 달라진다. A 대립유전자는 A 항원을 생성하는 N-아세틸갈락토사민 전이 효소를 암호화하고, B 대립유전자는 B 항원을 생성하는 갈락토오스 전이 효소를 암호화한다. O 대립유전자는 기능이 없는 효소를 생성하거나 전혀 생성하지 않아, A나 B 항원이 만들어지지 않는다.

혈액형 시스템에서는 항원뿐만 아니라 혈청 내의 항체 존재도 중요한 특징이다. 개체는 자신의 적혈구에 없는 항원에 대해 자연적으로 항체를 보유한다. 예를 들어, A형 혈액을 가진 사람은 적혈구에 A 항원이 있지만, 혈청에는 B 항원을 공격하는 항-B 항체를 가지고 있다. 이 관계는 다음과 같이 정리할 수 있다.

이러한 항체의 존재는 수혈 시에 결정적인 중요성을 가진다. 만약 수혈받는 사람의 혈청에 있는 항체가 공여자의 적혈구 항원과 반응하면, 응집반응이 일어나 심각한 수혈 부작용을 초래할 수 있다. 따라서 AB형은 모든 혈액형으로부터 수혈을 받을 수 있는 '보편적 수혈자'로, O형은 모든 혈액형에게 수혈을 할 수 있는 '보편적 공혈자'로 간주되는 것은 이 항원-항체 반응 원리에 기인한다[4].

ABO 혈액형의 유전은 멘델의 유전 법칙을 따르지만, 단순한 우열 관계가 아닌 공우성과 불완전 우성이 혼합된 방식으로 이루어진다. 핵심은 A, B, O 세 개의 대립유전자가 하나의 유전자좌에 존재하며, 이들의 조합에 따라 표현형이 결정된다는 점이다.

유전 방식은 다음과 같은 규칙을 따른다. A와 B 대립유전자는 서로에 대해 공우성 관계에 있어, 유전자형이 AB인 경우 A와 B 항원이 모두 발현되어 AB형이 된다. 한편, O 대립유전자는 A나 B에 대해 열성이다. 따라서 A형 표현형은 AA 또는 AO 유전자형에 의해, B형 표현형은 BB 또는 BO 유전자형에 의해 결정된다. O형은 두 개의 O 대립유전자(OO)를 가질 때만 나타난다.

이 표에서 알 수 있듯, 자녀의 혈액형은 부모의 가능한 유전자형 조합에 따라 달라진다. 예를 들어, 부모가 모두 O형이면 자녀는 반드시 O형이다. 그러나 AB형과 O형 부모에서 A형 또는 B형 자녀는 나올 수 있지만, O형이나 AB형 자녀는 나올 수 없다. 이러한 유전 원리는 부모자식 확인이나 법과학적 조사에서 중요한 근거 자료로 활용된다.

Rh 혈액형 시스템은 ABO 혈액형 다음으로 임상적으로 가장 중요한 혈액형 분류 체계이다. 이 시스템의 핵심은 적혈구 막에 존재하는 RhD 항원의 유무에 따라 혈액을 Rh 양성(Rh+) 또는 Rh 음성(Rh-)으로 구분하는 것이다. RhD 항원을 암호화하는 유전자는 1번 염색체에 위치하며, 대표적인 대립유전자는 D와 d이다. D 대립유전자는 항원을 생성하는 반면, d 대립유전자는 비기능적 단백질을 생성하거나 아무것도 생성하지 않는다[7].

Rh 혈액형의 유전은 단순한 우성-열성 관계를 보인다. 유전자형이 DD 또는 Dd인 개체는 RhD 항원을 가지므로 Rh 양성 표현형을 나타낸다. 반면, 유전자형이 dd인 개체만이 Rh 음성이 된다. 이는 ABO 시스템과 달리 공우성이나 불완전 우성이 관여하지 않는 전형적인 멘델 유전의 형태이다. Rh 시스템에는 실제로 C, c, E, e 등 다른 항원들도 포함되어 있으나, 임상적으로 가장 중요한 것은 D 항원이다.

Rh 혈액형의 가장 큰 임상적 중요성은 수혈 반응과 신생아 용혈성 질환에 있다. Rh 음성인 사람이 Rh 양성 혈액을 수혈받으면, 체내에 항-D 항체가 생성되어 이후 수혈 시 심각한 용혈성 수혈 반응을 일으킬 수 있다. 또한, Rh 음성 산모가 Rh 양성 태아를 임신할 경우, 모체의 면역 체계가 태아의 적혈구를 공격하여 신생아의 심각한 빈혈, 황달, 심지어 사망을 초래할 수 있다. 다행히 현대 의학에서는 예방적 주사(Rh 면역글로불린)를 통해 이러한 문제를 효과적으로 관리한다.

MNS 혈액형 시스템은 적혈구 표면에 존재하는 항원에 의해 구분되는 주요 혈액형 시스템 중 하나이다. 이 시스템은 1927년 칼 란트슈타이너와 필립 레빈에 의해 발견되었으며, 초기 실험에 사용된 토끼의 면역혈청을 통해 처음 확인되었다[8].

이 시스템은 주로 글리코포린 A와 글리코포린 B라고 불리는 두 가지 주요 당단백질에 의해 결정된다. 이 당단백질은 적혈구 막을 관통하는 구조를 가지며, 그 아미노산 서열의 차이가 항원성을 부여한다. MNS 시스템은 매우 복잡한 다형성을 보이며, 50개 이상의 항원이 이 그룹에 속하는 것으로 알려져 있다. 주요 항원은 다음과 같이 분류할 수 있다.

M과 N 항원은 공우성 관계에 있는 한 쌍의 대립유전자에 의해 암호화된다. 개체는 유전자형이 MM, MN, NN일 수 있으며, 이는 각각 표현형 M, MN, N에 해당한다. S와 s 항원도 유사한 공우성 관계를 가지며, 글리코포린 B를 통해 발현된다. U 항원은 S/s 시스템과 밀접한 관련이 있다.

MNS 혈액형은 일반적으로 수혈 반응을 일으키지 않지만, 드물게는 이 시스템에 대한 항체가 생성되어 수혈 부작용이나 신생아 용혈성 질환의 원인이 될 수 있다. 특히 항-S, 항-s, 항-U 항체는 임상적으로 중요한 용혈 반응을 유발할 수 있다. 이 시스템의 항원은 말라리아 원충인 플라스모디움 팔시파룸이 적혈구에 침입하는 데 이용되는 수용체 역할을 한다는 연구 결과도 있어 진화생물학적 관심을 끌고 있다.

복대립 유전 현상은 인간의 혈액형뿐만 아니라 다양한 동물과 식물에서도 널리 관찰된다. 이는 하나의 유전자좌에 세 개 이상의 서로 다른 대립유전자가 존재하여 여러 가지 표현형을 만들어내는 유전 방식을 의미한다.

동물계에서는 고양이의 모피 색깔 유전이 대표적인 예이다. 한 유전자좌에 검정색(B), 갈색(b), 희석된 색(d) 등 여러 대립유전자가 존재하며, 이들의 조합에 따라 검정, 초콜릿, 계피색, 라일락, 파란색(희석된 검정), 베이지색(희석된 갈색) 등 다양한 모피 색이 결정된다[9]. 또한, 달팽이의 껍질 나선 방향 유전에서도 우성 대립유전자(D, 우측 나선)와 열성 대립유전자(d, 좌측 나선)의 복대립 현상이 보고되었다.

식물에서도 복대립 유전은 흔하다. 완두의 종자 단백질을 결정하는 유전자에는 여러 대립유전자가 있어 단백질 구성에 변이를 일으킨다. 담배의 자가불화합성 유전자좌(S-locus)는 수십 개의 대립유전자를 가질 수 있으며, 암술과 화분의 S-대립유전자가 일치하면 수정이 억제되어 자가수정을 방지한다. 이는 근친교배를 막는 중요한 기작이다.

이러한 사례들은 복대립 유전이 생물의 형질 다양성을 증가시키는 보편적인 유전 메커니즘임을 보여준다. 단일 유전자좌에서 여러 대립유전자의 존재는 멘델 유전의 단순한 우열 관계를 넘어서는 풍부한 변이를 가능하게 하며, 이는 자연선택과 진화의 원재료가 된다.

공우성은 한 쌍의 대립유전자가 우열 관계 없이 모두 발현되어, 이형접합체의 표현형이 두 동형접합체의 표현형과 구별되는 현상이다. ABO 혈액형에서 IA와 IB 대립유전자는 공우성 관계에 있다. IAIB 유전자형을 가진 개체는 A 항원과 B 항원을 모두 만들어내므로 AB형이라는 독특한 표현형을 나타낸다. 이는 두 대립유전자가 각각의 항원을 독립적으로 생성하도록 지시하기 때문이다.

반면, 불완전 우성은 이형접합체의 표현형이 두 동형접합체의 표현형의 중간 형태를 보이는 경우를 말한다. 공우성과 달리 두 대립유전자의 산물이 혼합되거나 상호작용하여 중간형질이 나타난다. 식물의 꽃 색깔 유전이 대표적인 예이다. 붉은 꽃(RR)과 흰 꽃(rr)을 교배했을 때, 그 자손(F1)의 유전자형은 Rr이 되며, 이들은 분홍색 꽃이라는 두 부모의 중간 색상을 나타낸다.

이 두 현상은 모두 멘델의 유전 법칙에서 가정한 완전한 우열 관계를 따르지 않는다는 공통점이 있다. 그러나 그 메커니즘과 결과는 명확히 구분된다. 아래 표는 두 개념의 주요 차이점을 요약한다.

따라서, 복대립 유전 시스템 내에서 대립유전자들은 단순한 우성-열성 관계를 넘어 공우성이나 불완전 우성과 같은 다양한 유전적 상호작용을 통해 다양한 표현형을 만들어낸다.

멘델 유전은 단순한 우열 관계를 따르는 한 쌍의 대립유전자에 의해 형질이 결정되는 것을 설명한다. 이는 완전우성을 가정하며, 우성 대립유전자 하나가 존재하면 열성 대립유전자의 표현을 완전히 가린다. 예를 들어, 완두콩의 꽃 색깔에서 보라색 대립유전자(A)는 흰색 대립유전자(a)에 대해 완전히 우성이며, 유전자형이 Aa인 개체는 항상 보라색 꽃을 피운다.

반면, 복대립 유전은 하나의 유전자 좌위에 세 개 이상의 서로 다른 대립유전자가 존재하는 경우를 다룬다. ABO 혈액형이 대표적이며, I^A, I^B, i의 세 가지 대립유전자가 한 유전자 좌위에 존재한다. 여기서 멘델의 단순한 우열 관계는 적용되지 않으며, 대립유전자 간의 관계는 더 복잡하다. I^A와 I^B는 서로에 대해 공우성을 나타내어 함께 존재할 때 AB형이라는 새로운 표현형을 만들고, i는 이들 둘에 대해 열성이다.

두 유전 방식을 비교하면 다음과 같은 차이점이 명확히 드러난다.

결론적으로, 멘델 유전은 유전의 기본 원리를 제공하는 단순화된 모델이라면, 복대립 유전은 실제 자연계에서 훨씬 더 흔하게 관찰되는, 한 유전자 내에서도 다양한 대립형질이 존재할 수 있는 복잡한 현상을 설명한다. 복대립 유전은 멘델의 법칙을 확장하고 보완하는 개념으로, 유전적 다양성이 단순한 우열 관계 이상의 메커니즘으로 생성될 수 있음을 보여준다.

수혈은 환자의 혈액을 기증자의 혈액으로 대체하는 의료 절차이다. ABO 혈액형 시스템의 불일치는 심각한 용혈성 수혈 부작용을 일으킬 수 있다. 이는 수혈받은 혈액의 적혈구가 환자의 혈청 내에 존재하는 항체에 의해 파괴되는 현상이다. 예를 들어, A형 혈액형을 가진 사람은 혈청에 항-B 항체를 가지고 있으므로, B형이나 AB형 혈액을 수혈받으면 반응이 일어난다. 따라서 수혈 전에는 공여자와 수혜자의 ABO 및 Rh 혈액형을 반드시 검사하고 교차 시험을 실시하여 적합성을 확인한다.

조직이식과 장기이식에서도 혈액형의 적합성은 중요한 고려 사항이다. 특히 혈액 공급이 풍부한 장기(예: 신장, 심장)의 이식에서는 혈액형 불일치가 초급성 거부 반응을 유발할 위험이 있다. 이는 수혜자의 혈액 내 순환 항체가 이식된 장기의 혈관 내피 세포에 존재하는 ABO 항원과 반응하여 혈전 형성과 장기 손상을 일으키기 때문이다. 따라서 대부분의 경우 ABO 혈액형이 동일한 공여자와 수혜자를 매칭한다.

그러나 일부 경우, 예를 들어 소아 환자나 특정 항체 제거 치료 후에는 혈액형 불일치 장기이식이 시도되기도 한다. 또한 골수 이식이나 줄기세포 이식 후에는 수혜자의 혈액형이 공여자의 혈액형으로 점차 바뀌는 경우가 관찰된다. 이는 새로운 조혈모세포가 공여자의 혈액형 특성을 가진 혈액 세포를 생산하기 때문이다.

ABO 혈액형 시스템은 부모자식 확인에서 중요한 유전적 지표로 활용된다. 자녀의 혈액형은 부모로부터 물려받은 대립유전자에 의해 결정되므로, 부모의 가능한 유전형과 표현형을 고려하여 생물학적 관계의 가능성을 평가할 수 있다. 예를 들어, O형인 부모 사이에서는 O형 자녀만 태어날 수 있으며, AB형인 부모 사이에서는 A형, B형, 또는 AB형 자녀가 태어날 수 있지만 O형 자녀는 태어날 수 없다[16]. 이러한 배제 원칙은 법과학 분야, 특히 친자 확인 소송에서 기본적인 선별 도구로 사용된다.

그러나 ABO 혈액형만으로는 부모를 확정할 수 없으며, 오직 특정 개인이 생물학적 부모가 *아닐* 가능성만을 판단하는 데 사용된다. 따라서 보다 정확한 확인을 위해서는 다른 혈액형 시스템이나 DNA 지문 분석과 같은 추가 검사가 필수적이다. 다음 표는 부모의 혈액형 조합에 따른 자녀의 가능한 혈액형과 불가능한 혈액형을 보여준다.

법과학에서는 Rh 혈액형 및 MNS 혈액형 시스템과 같은 다른 복대립 유전 시스템도 함께 분석하여 배제 가능성을 높인다. 역사적으로 혈액형은 범죄 현장에서 발견된 혈액의 개인 식별에 활용되기도 했다. 현대에는 훨씬 더 정밀한 DNA 분석 기술이 주로 사용되지만, 혈액형 분석은 여전히 예비 검사나 보조적 증거로서의 가치를 지닌다. 또한, 대규모 인구 집단의 혈액형 빈도 데이터는 법통계학적 계산에 활용되어 특정 혈액형을 가진 용의자가 범죄 현장의 혈액을 남길 확률 등을 추정하는 데 기여한다.

혈액형의 진화적 기원은 아직 완전히 밝혀지지 않았으나, 여러 가설이 제시된다. 가장 널리 연구된 ABO 혈액형 시스템은 인간뿐만 아니라 다른 영장류와 일부 박테리아에서도 발견된다[18]. 이는 ABO 유전자가 매우 오래된 진화적 역사를 가지고 있음을 시사한다. 주요 가설 중 하나는 항원의 다양성이 병원체에 대한 저항성과 관련되어 있다는 것이다. 예를 들어, 특정 혈액형이 말라리아나 콜레라와 같은 감염병에 대해 다른 정도의 취약성 또는 저항성을 부여할 수 있다는 연구 결과가 있다. 이러한 선택 압력이 인구 집단 내에서 다양한 대립유전자를 유지하는 데 기여했을 가능성이 있다.

혈액형의 분포는 지리적 지역에 따라 현저한 차이를 보인다. 예를 들어, B형 대립유전자의 빈도는 아시아에서 가장 높고, 아메리카 원주민 인구에서는 거의 존재하지 않는다. O형은 전 세계적으로 가장 흔하지만, 특히 중남미 원주민 집단에서는 그 빈도가 90% 이상에 이른다. 이러한 변이는 고대 인구의 이동, 유전적 부동, 그리고 지역적으로 다른 병원체에 대한 자연선택의 결과로 해석된다. 특정 혈액형이 유리한 환경에서는 그 빈도가 증가하고, 불리한 환경에서는 감소하는 과정이 반복되면서 현재의 분포 패턴이 형성되었다.

결론적으로, 혈액형의 진화적 의미는 단일 요인보다는 복합적인 요인에 의해 형성되었다. 병원체와의 공진화, 인구의 이동 및 격리, 무작위적인 유전적 변화 등이 복합적으로 작용하여 인간 집단 간에 관찰되는 다양한 혈액형 빈도 분포를 만들어냈다. 이는 중립 진화 이론과 선택 이론이 모두 부분적으로 설명할 수 있는 현상이다.

ABO 혈액형의 분포는 인종과 지역에 따라 뚜렷한 차이를 보인다. 이는 집단 간 유전자 풀의 차이와 역사적 진화 과정, 특히 특정 질병에 대한 저항력과 같은 선택 압력의 결과로 여겨진다[20].

아시아, 특히 한국과 일본에서는 A형과 O형의 비율이 높은 반면, B형의 빈도도 유럽에 비해 상대적으로 높다. 한국의 경우 O형이 약 28%, A형이 약 34%, B형이 약 27%, AB형이 약 11%로 알려져 있다[21]. 반면, 서유럽과 오스트레일리아에서는 O형과 A형이 압도적으로 많고 B형의 빈도는 10% 미만으로 낮다. 아메리카 대륙의 원주민 집단에서는 거의 100%에 가까운 O형 비율을 보이기도 한다.

이러한 분포 차이는 고대 인구의 이동과 격리, 유전적 부동, 그리고 장티푸스나 천연두와 같은 감염병이 특정 혈액형에 다른 영향을 미쳤을 가능성 등 복합적인 요인에 기인한다. 따라서 혈액형 분포는 특정 집단의 유전적 역사를 이해하는 중요한 단서가 된다.