많은 사람들은 자신의 혈액형(Blood Type)이 무엇인지 알고 있고, 응급처치 시에 혈액형이 일치되어야만 함을 이해하고 있다. ABO식 혈액형은 수혈을 포함하여 임상적용에 있어서 가장 중요한 혈액인자(blood factor)이다. 하지만, ABO식 혈액형의 중요성을 이해하는 것이 임상적용에만 한정되는 것은 아니다. 유전자 염기서열을 빠르게 알아낼 수 있는 새로운 능력으로 말미암아, ABO식 혈액형은 인류의 이동양식과 기원을 결정짓는데 또한 중요한 요소라는 것이 알려지고 있다.

무엇이 혈액형을 결정하는가?

ABO식 혈액형(ABO blood types)은 세포를 ‘자신(self)'의 것으로 또는 그 사람에게 속하는 것으로 확인하는 세포표면 표식인자(cell surface marker)에 의해 결정된다. 이 세포표면 표식인자들은 특정한 당의 배열이 추가로 더 붙어있는 단백질이나 지질(lipid)에 의해서 특성이 부여된다. 그림 1은 A, B, O형을 결정하는 당의 배열을 보여준다.[1] A형과 B형이 추가적인 당(A형은 엔아세틸갈락토사민(N-AcetylGalactosamine), B형은 갈락토오스(galactose))를 가지고 있다는 것을 제외하고는, 각각 동일하다는 점에 주목하라.

그림 1. ABO 항원특이성. ABO 항원은 항원말단에 있는 단 하나의 당이 다르다. 항원의 당질부분(carbohydrate portion)만 묘사되어 있다.

이러한 당의 배열은 외부항원(foreign antigens)들을 인식해서 파괴하는 항체(antibodies)들을 만들어내는 면역반응을 자극할 수 있는 한 항원의 부분이다. 혈액형이 A형인 사람들은 항원 B에 노출될 때 항체 B를 만들어내고, 혈액형이 B형인 사람들은 항원 A에 노출될 때 항체 A를 만들어낸다. 하지만, AB형 혈액형은 세포에 존재하는 양쪽 항원을 ‘자신’으로 인식하기 때문에 어떠한 항체도 만들어내지 않는다. O형은 O형인 사람들의 세포에 항원 A와 B가 둘 다 없기 때문에 항체 A와 B를 모두 만들어낸다[표 1]. 항체 A와 B는 면역글로빈(immunoglobins)의 ‘M' 종류(class)에 속하며, 외부항원에 노출될 때 B-세포 림프구(B-cell lymphocytes)의 면역글로빈 유전자들로부터 발현되어진다. 면역글로빈 유전자들은 복잡한 편집(editing) 과정과 선택 과정(selective process)들을 통해 거의 무한한 수의 항체들을 만들어낼 수 있다.[1] 결과적으로 하나의 상보적(complementary) A 항원 또는 B 항원을 유전적으로 물려받은 하나의 특정한 ‘항체 A’ 유전자나 ‘항체 B’ 유전자는 없다.

표 1. ABO식 혈액형

항원 A, B, 혹은 O형의 특이성에 대한 유전자가 혈액형을 결정짓는다. 글라이코실트랜스퍼라제(glycosyltransferase)라는 효소는 이 유전자의 산물이고[2], 이 효소의 염기서열 차이(다형성)는, 이 효소가 엔아세틸갈락토사민을 부착시킬 것인지(항원 A), 갈락토즈를 부착시킬 것인지(항원 B), 혹은 당이 없도록(O형) 할 것인지를 결정한다[그림 1]. 사람들은 혈액형에 있어서 두 가지 유전자, 혹은 더 정확하게 부모로부터 각각 하나씩 두 가지 대립유전자(alleles)를 물려받는다. 이 대립유전자들은 A형(type A)의 경우 IA로, B형(type B)의 경우 IB로, O형(type O)의 경우 i로 표시되어진다. 항원 A와 항원 B에 대한 글라이코실트랜스퍼라제 대립유전자들은 둘 다 함께 유전될 때 두 항원을 만들면서 혈액형 AB형으로 표현된다. 혈액형 A형이나 B형에 대한 대립유전자가 O형과 함께 유전될 때, 개체는 A형이나 B형이 될 것이다. 이것은 O형 대립유전자가 활동을 하지 않거나 열성이기 때문에 꼭 그런 것이 아니라, 대신 A 혹은 B 글라이코실트랜스퍼라제의 활동 결과이자, 동시에 O형 대립유전자에 대한 글라이코실트랜스퍼라제가 불활성이기 때문이다.[2] O형인 사람은 불활성 글라이코실트랜스퍼라제에 대한 대립유전자를 둘 다 가지고 있다.

혈액형과 인류의 기원

그렇다면 이것은 인류의 기원을 밝히는데 어떠한 도움을 주는가? 창조주간의 두 사람(아담과 이브)이나 노아의 방주에 탄 여덟 사람으로부터 오늘날 인류에 존재하는 모든 ABO식 혈액형이 발생되었다는 것이 가능할까? 만약 아담과 이브가 각각 혈액형 A형과 B형에 대해 이질접합체(heterozygous, O형에 대한 대립유전자와 A나 B형에 대한 대립유전자)였다면, 그들은 그림 2에 예시되어 있듯이 ABO식 혈액형 중 어느 혈액형이라도 가진 자녀들을 출산할 수 있었을 것이다. 퓨넷바둑판(Punnett square)은 주어진 커플의 자녀들에게 가능한 표현형이 무엇인지를 간단히 보여준다. 아담과 이브가 출산했을 많은 수의 자녀들로부터, 모든 ABO식 혈액형이 그들의 자손들에게 전해졌을 것이라는 것을 상상하는 것은 어렵지 않다.

그림 2. 아담과 이브로부터 4가지 혈액형의 가능한 유전.
각 혈액형의 대립유전자 IA=A, IB=B, i=O.

만약 아담과 이브가 ABO식 혈액형의 유전자 자리(gene locus)에 대해 이질접합체라면, O형 대립유전자에 대한 대립유전자 빈도(allele frequency, 한 개체군내에서 하나의 특정한 대립유전자의 비율)가 50%(4가지 대립유전자 중에서 2가지)이고, A형에 대한 대립유전자빈도가 25%(4가지 대립유전자 중에서 1가지)이며, B형에 대한 대립유전자 빈도가 25%이다[그림 2]. 만약 이러한 대립유전자들에 대한 선택압력(selective pressures)이나 유전적 부동(genetic drift)이 없다면, 대립유전자 빈도는 모든 자손에 걸쳐 일정하게 유지될 것이다. 퓨넷바둑판 내의 전반적인 대립유전자 빈도는 사실상 아담과 이브에 대한 것처럼 자녀들에 대해서도 같다. 이 시나리오는 또한 노아의 가족과 그 자손들에 대해서도 같을 것이다.

현재 대립유전자의 빈도

오늘날의 인간은 이러한 대립유전자 빈도를 반영하는가? 대답은 ‘그렇다’ 이다. 표 2는 여러 개체군에 대한 대립유전자 빈도를 보여준다. (이것들은 혈액형 빈도수가 아님을 유의하라.) O형 대립유전자의 빈도는 전반적으로 증가하고, 많은 개체군에서는 B형 대립유전자의 빈도가 급강하한다. 그러나 예상한 대로, 각 대립유전자의 빈도는 인류역사의 초기나 노아의 가족과 가깝다. 빈도의 변화(O형 내의 증가와 B형 내의 감소)는 이동시기에 대립유전자 중의 하나가 더 높거나 낮은 빈도를 가졌던 종족군의 이동에 의해서 유발될 수 있다. 그것은 또한 무작위적인 유전적 부동이나 글라이코실트랜스퍼라제를 불활성이 되도록 하는 돌연변이(A형으로부터 O형의 혈액형이 나타나도록 하기도 하고, O형 대립유전자 빈도의 증가에 대한 한 가지 원인일 수 있는)의 결과일 수도 있다.

표 2. 여러 개체군에 대한 대립유전자 빈도 [3, 4]

유감스럽게도, ABO 대립유전자의 기원은 글라이코실트랜스퍼라제에 대한 실제적 유전자를 검사할 때 더 복잡해진다. 미국 국립 생물정보센터(National Center for Biotechnology Information; NCBI) 웹사이트에는[5] ABO 유전자에 대해 180가지 이상의 변이(다형성)가 열거되어 있고, 이 다형성의 각각은 3가지 ABO 대립유전자 중의 1가지로 할당될 수 있다. 대부분의 이러한 다형성은 글라이코실트랜스퍼라제의 활동성이나 혈액형을 바꾸지 않으나 인류가 지구촌을 가로질러 이동한 후에 형성된 인종집단(ethnic groups)을 확인할 수 있다. 돌연변이와 염색체 교차사건(chromosome crossing-over events)은 이러한 이형(variants)들에 대해 가장 타당하다고 여겨지는 원인이다.[6]

다른 ABO 혈액형으로 나타나는 글라이코실트랜스퍼라제의 기능을 결정짓는 것으로 DNA 차이, 즉 다형성(polymorphisms)이 있다. 이러한 차이는 조금밖에 없지만, 사소하지는 않다. 항원 A 합성에 적합한 특정 글라이코실트랜스퍼라제는 (354개 중에서) 단지 4개의 아미노산 잔기(amino acid residues) 차이로 B 항원 특이성을 지닌 효소(antigen B-specific enzyme; B 항원 특이효소)와 다르고, A와 O 특이성을 지닌 효소의 유전암호를 지정하는 대립유전자 내에 몇 가지 DNA 염기서열 차이가 있다. A와 B 글라이코실트랜스퍼라제 사이의 4가지 차이점은 효소로 하여금 항원 A와 B를 구별짓는 특징적인 말단의 당을 지정하도록 하기에 충분하다. A 특이성을 지닌 대립유전자 내의 단일 DNA 결손(deletion)은, 효소의 활동성을 제거하고 O형에 효과적으로 나타나면서, 글라이코실트랜스퍼라제 유전자의 불완전한 변형물을 만들어내게 된다.

혈액형 O형의 기원에 대한 암시

세 가지 대립유전자 중의 하나가 다른 두 가지의 조상이라고 주장될 수 있다. 예를 들면, O 대립유전자의, 결과적으로 혈액형 O형의 기원은 단지 A 항원에 대한 글라이코실트랜스퍼라제 활동의 기능손실로 나타나는 결손의 결과일 뿐이다. 어떤 단백질 내의 기능손실로 나타나는 돌연변이는 혈액형 O형이 다른 두 혈액형에 대해 어떤 해로운 결과나 선택적 이점(selective advantage)을 가지지 않는 것으로 나타나기 때문에, 기껏해야, ‘거의 중립적인’ 돌연변이일 것이다. 왜냐하면 중립적이거나 거의 중립적인 돌연변이는 어떠한 선택적 이점도 없기 때문에, 상당한 시간이 흐른 뒤에 생물체의 많은 개체군 내에서 이러한 돌연변이가 고착되는 것은 거의 불가능해 보이기 때문이다.(고착 = 100% O 대립유전자). 예를 들면, 만약 혈액형 O형을 만든 돌연변이가 사실상 A형보다 1% 더 유리하다면, 최초의 10,000명이라는 개체군으로부터 오늘날의 인구로 이러한 돌연변이가 고착되기 위해서는 100,000 세대가 걸릴 것이다.[7, 8] 돌연변이의 시기에 개체군이 크면 클수록, 고착에 더 오랜 시간이 걸릴 것이고, 돌연변이는 고착되기가 더 힘들었을 것이다.

분자생물학적 진화론의 시간틀에서 현대인은 대략 200,000년 전에 출현하였다고 보는데[9], 10,000명이라는 개체군 내에서 오늘날 살아있는 모든 사람들의 60%까지 O 대립유전자빈도를 증가시키기에는 너무나 짧은 시간틀이다. 분명히 성경적 시간틀은 그러한 고착에 대해 훨씬 더 짧다. A 대립유전자에서 O 대립유전자로의 전환을 초래하는 결손은 침팬지에서는 존재하지 않고, 인간과 침팬지 사이의 염기서열 비교는 이 대립유전자가 인간 계통에 유일하며[10, 11], 혈액형 O형의 기원에 대한 진화론적 시나리오가 한층 더 이해하기 어렵다는 것을 보여준다. 만약 O 대립유전자가 오늘날 사람들 속에서 드물고 특정한 종족 내에서 나타난다면, 이 시나리오가 더 잘 들어맞을 것이다. 하지만, O 대립유전자가 전 세계적으로 단연코 가장 흔한 대립유전자이며, 만약 돌연변이적 사건을 거쳐 그것이 생겨났다면, 인구수가 극히 적었을 때, 그리고 인류가 인종집단으로 분리되어 전 세계적으로 퍼져나가기 이전에 일어났어야만 함을 암시한다.

만약 그것이 노아의 대홍수 때에 일어나서 노아의 가족 구성원 중의 한 사람에 의해 전달되었다면, 돌연변이를 거쳐 현재의 O 대립유전자빈도를 획득하는 것이 가능하다. 노아나 노아의 부인이 O 대립유전자를 가져서 그들의 아들 각자에게 전했을 수도 있으며, 혹은 대립유전자가 어떤 아들의 자손에서 돌연변이 되었을 수도 있을 것이다. 대홍수 때와 대홍수 직후의 인류종족은 인구가 많아짐에 따라 분명히 돌연변이를 일으킨 대립유전자가 흔하게 되도록 할 수 있는 개체군 크기였을 것으로 간주한다. 단지 여덟 명의 초기 개체수에도 불구하고, O 대립유전자는 대홍수후 사람들 내의 무작위적인 유전적 변동(genetic drift)을 통해 빈도가 쉽게 증가할 수 있었을 것이다. 그리고 이것은 오늘날 관찰되는 현재 수준을 반영하고 있으며, 컴퓨터 시뮬레이션 고착 모델링과 일치한다.[12]

결론

만약 아담과 이브가 3가지 모든 혈액형 대립유전자를 가지고 있지 않았다면, 인류의 수가 매우 적었을 동안에, 그리고 인류가 전 세계적으로 분산되기 이전에, O 대립유전자를 만든 돌연변이가 있었음이 틀림없다. 혈액형 O형의 기원이 창조 때의 아담과 이브 내에 있었던지, 혹은 대홍수 직전이나 후에 일어난 돌연변이 사건으로 발생했던지 간에, 오늘날의 모든 인류는 두 사람이나 또는 소수의 사람들로부터 후손되어 마침내 전 세계로 퍼져나갔음을 강력하게 뒷받침한다. 따라서 두 시나리오 모두 인류의 기원에 대한 성경적 모델과 일치한다.

References

1. Goldsby, R.A. et al. 2000. Kuby Immunology. 4th ed. New York: W.H. Freeman.
2. Yamamoto, F. et al. 1990. Molecular genetic basis of the histoblood group ABO system. Nature 345 (6272):229-33.
3. Minkoff, E.C. 1983. Evolutionary Biology. Menlo Park, CA: Addison Wesley.
4. Sinnot, E.W. et al. 1958. Principles of Genetics. 5th ed. New York: McGraw-Hill Book Company.
5. www.ncbi.nlm.nih.gov/gv/rbc/xslcgi.fcgi?cmd=bgmut/systems_info&system=abo.
6. Hosseini-Maaf, B. et al. 2003. ABO exon and intron analysis in individuals with the AweakB phenotype reveals a novel O1v-A2 hybrid allele that causes four missense mutations in the A transferase. BMC Genetics 4:17.
7. Patterson, C. 1999. Evolution. Ithaca, NY: Comstock Publishing Associates.
8. Sanford, J.C. 2005. Genetic Entropy & the Mystery of the Genome. 2nd ed. Lima, NY: Elim.
9. Cann, R. L. et al. 1987. Mitochondrial DNA and human evolution. Nature 325 (6099):31-6.
10. Kitano, T. et al. 2000. Gene diversity of chimpanzee ABO blood group genes elucidated from intron 6 sequences. The Journal of Heredity 91 (3):211-4.
11. Kermarrec, N. et al. 1999. Comparison of allele O sequences of the human and non-human primate ABO system. Immunogenetics 49 (6):517-26.
12. Hartl, D.L. and A.G. Clark. 1989. Principles of Population Genetics. 2nd ed. Sunderland, MA: Sinauer Associates Inc.

* Dr. Criswell has a Ph.D. in molecular biology and is a biology professor at the ICR Graduate School.