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GWAS 분석으로 확인한 얼굴 형태를 결정짓는 유전자 위치
얼굴 모양 또한 유전자의 표현형 중 하나이지만, 지금까지는 정상적인 얼굴 형태에 대한 기초 연구가 이루어지지 않았다. 이에 네덜란드, 호주, 영국, 독일, 캐나다의 연구진들은 여러 국가에서 유럽 출신의 개인들을 선별하여 얼굴 모양의 표현형에 대한 GWAS(Genome-wide association study) 분석을 실시하였다.
3차원 자기 공명 이미지(MRI) 및 2차원 이미지에서 얻은 데이터를 기준으로 표현형을 수집하였고, SNP microarray genotyping을 통해 얼굴의 형태를 결정 짓는 유전자로 PRDM16, PAX3, TP63, C5orf50, COL17A1를 선택하였다. 그 다음 유전자들의 얼굴 표현형과 관련된 5가지 독립적 위치를 확인하였다. 이 결과는 얼굴에 불만인 부위들에 대한 얼굴 기형의 원인을 파악하거나 범죄용의자의 외모를 파악하는 등 과학수사에도 이용될 것으로 전망된다.
얼굴 생김새에 영향을 주는 5가지 유전자
네덜란드 에라스무스대 의료센터의 Manfred Kayser팀은 네덜란드, 호주, 독일, 캐나다, 영국 출신의 유럽인 5,388명의 얼굴 모양을 자기공명장치로 촬영하여 얻은 자료를 이용하여, 얼굴 특성 48개와 연관된 250만 개 이상의 DNA를 분석하였다. 이와 더불어 3,867개의 2차원 사진들을 추가로 이용하였다.
연구 결과, 기존에 얼굴 생김새에 영향을 주고 안면 질병에 연관된다고 예측되어온 3가지 유전자를 확인하고 새로운 유전자 2가지를 발견했다. 새로이 발견된 유전자는 C5orf50과 COL17AL이다.
5개의 유전자 중 PAX3은 근육세포 생성을 조절하는 역할을 하는 유전자로, 코의 높이와 두 눈 사이의 거리를 결정하여 코 위치를 결정하는 유전자이다. 이 유전자에 변이가 생길 경우, 양쪽 눈 색깔이 다르고 눈 사이가 비정상적으로 멀어지며, 심할 경우 청각장애까지 동반하는 선천성 장애인 ‘바르덴부르크증후군(Waardenburg syndrome)’에 걸릴 가능성이 있다.PRDM16은 체내 지방을 이용 및 저장을 결정짓는 스위치 역할의 유전자로 코의 넓이와 높이에 영향을 끼치는 유전자이다. TP63은 미간(눈 사이의 거리)에 관계있는 유전자로, 변이가 생기면 치아를 빠지게 하거나 피부를 얇게 만들며, 광범위한 영역에 주근깨를 만드는 ADULT 증후군( acro-dermato-ungual-lacrimal-tooth syndrome)이라는 희귀병을 유발한다. 새로 발견된 유전자 중COL17A1유전자는 콜라겐과 연관이 있고 변이가 생기면 물집 등을 유발한다. C5orf50 유전자의 경우 COL17A1 유전자와 함께 ‘나지온(nasion)’이라 불리는 코뼈와 앞머리뼈 사이의 봉합선 모양에 영향을 준다고 보고했다. C5orf50은 나지온의 위치를 결정하고, COL17A1은 나지온과 두 눈 사이의 거리와 연관성이 있었다.
연구진들의 다양한 유전자 분석을 통한 얼굴형태론
연구진들은 각 국가별로 다른 연구방법을 사용하여 유전자를 분석하였다. 네덜란드 연구진은 Rotterdam Study(RS)는 발생 결정 요인을 조사하는 것으로 주로 심장 혈관, 신경, 안과, 내분비계, 정신, 노인질병에 관한 GWAS 분석 방법 중 하나이다. 이 연구 방법으로 15,000명의 참가자들에게서 얻은 데이터를 기반으로 SNP microarray를 실시하여 특징을 식별하였다.
호주와 영국의 연구진은 Brisbane Longitudinal Twin Study(BLTS)와 Queensland Twin Imaging Study(QTIMS), St.Tomas’ UK Adult Twin Registry(TwinsUK)로 주로 쌍둥이를 연구하였다. 브리즈번의 12, 14, 16살의 청소년 쌍둥이와 퀸즈랜드의 545쌍의 형제 자매를 대상으로 이미지 분석을 하였고, 세인트토마스의 1,366명의 성인 쌍둥이를 대상으로 SNP microarray을 하였다. 독일 연구진은 Study of Health In Pomerania(SHIP)를 이용하여 5000명의 참가자에서 797개의 SNP genotyping 데이터 결과를 얻었다. 또한 캐나다 연구진은 Saguenay Youth Study(SYS) 방법을 이용하여 568명의 유전체 검사를 실시하였다.
MRI를 통해 얼굴 상부의 9가지에 초점을 맞추었다. Zyg(광대뼈), Eye(눈), Alr(미간), Nsn(코 가장자리), PRN(코 앞부분), Sbn(코 중간)의 좌우를 비교하여 이미지에서 정확도를 측정하였다. 영상뿐 아니라 이번 연구에서는 쌍둥이들의 유전자 차이, 환경적인 영향을 고려하여 표현형 간의 상관관계에 대해서도 추정하였다. Illumina의 HumanOmin2.5를 이용하여 genotyping하고, SNP microarray Affymetrix 6.0을 통해 유전형을 조사하였다. 얼굴 형태에 영향을 끼치는 SNP는 총 343만 7,411개가 확인되었고, 그 중 공통적으로 확인된 SNP는 255만 8,979개로 확인되었다.
안면 유전자 연구 결과의 이용 가치
이번 연구는 먼 미래에 범죄수사관들이 응용할 가능성이 있다는 점에서 주목 받았다. DNA를 확인해서 범인의 얼굴 묘사가 가능해진다면, 목격자의 증언보다 확실한 증거를 얻을 수 있기 때문이다. 목격자의 증언은 사람의 기억이나 인지에 의존하기 때문에 한계가 있지만 DNA 분석은 이보다 훨씬 신뢰도가 높다
영국 브리스톨대 라비니아 파터노스터(Lavinia Paternoster) 교수는 “키처럼 얼굴 모양도 다른 수백, 수천 가지 유전제의 작은 영향을 받을 것으로 예상된다”고 말했다. 또, 카이저 교수는 “유럽인의 경우 DNA 분석으로 눈이나 머리 색깔을 맞힐 확률은 70~80%에 이르며, 앞으로 더 많은 얼굴 요소들을 예상할 수 있게 될 것”이라고 말했다.
유전자의 연구로 안면 기형이나 장애를 가지고 있는 많은 환자에게 희망이 생겼다. 또한 조금 더 발전하여 과학 수사에도 이용되기 시작하면 범인 검거 비율 또한 높아지게 될 것이다. DNA 분석을 통한 SNP의 발견으로 개개인간의 특성이 확인되어 치료가 가능하다면, 현대인들의 얼굴에 대한 불만이 자신감으로 바뀌게 될 수도 있을 것이다. 또한 앞으로의 과학 발전으로 공통적인 유전자 외에도 한국인 만의 특징에 맞는 유전자를 발견하여 의료기술에 이용하게 될 전망이다.
참고문헌
A Genome-Wide Association Study Identifies Five Loci Influencing Facial Morphology in Europeans
http://www.plosgenetics.org/article/info%3Adoi%2F10.1371%2Fjournal.pgen.1002932
A genetic study of anteroposterior and vertical facial proportions using model-fitting.
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/sites/entrez?db=pubmed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title%20Word&term=A%20genetic%20study%20of%20anteroposterior%20and%20vertical%20facial%20proportions%20using%20model-fitting
Genome-wide association study of three-dimensional facial morphology identifies a variant in PAX3 associated with nasion position.
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3309180/
저자
글 : hjpark
편집 : Thkim
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키워드 : PRDM16, PAX3, TP63, C5orf50, COL17A1, GWAS(Genome-wide association study), SNP microarray genotyping, 바르덴부르크증후군(Waardenburg syndrome), ADULT 증후군(acro-dermato-ungual-lacrimal-tooth syndrome), 나지온(nasion)
