돌연변이(mutation)는 DNA 서열의 변화입니다. 이러한 변화는 자연적으로 발생하거나 환경 요인에 노출되어 발생할 수 있습니다. 돌연변이는 단백질의 아미노산 서열을 어떻게 변경하는지, DNA의 작은 영역이나 큰 영역에서 발생하는지, 체세포 또는 생식세포에서 발생하는지 등에 따라 여러 가지로 특징 지을 수 있습니다.
단일 뉴클레오타이드에서 일어나는 돌연변이를 점 돌연변이(point mutation)라고 합니다. 유전자 내에서 점 돌연변이가 발생하면, 유전자가 암호화(coding; 부호화; 코딩)하는 아미노산 배열에 어떤 일이 일어나는지에 따라 결과의 심각한 정도가 달라질 수 있습니다. 침묵 돌연변이(silent mutation)는 아미노산 서열을 바꾸지 않으며 유기체에 아무런 영향을 미치지 않습니다. 과오 돌연변이(missense mutation; 미스센스 돌연변이)는 단일 아미노산을 변화시키고, 만약 이 변화가 단백질의 기능을 변화시킨다면 심각한 영향을 끼칠 수 있습니다. 넌센스 돌연변이(nonsense mutation)는 단백질을 조기에 잘라내는 종결코돈(stop codon; 종료코돈)을 만들어내어 단백질을 기능하지 못하게 만들 수 있습니다. 프레임쉬프트 돌연변이(frameshift mutation)는 하나 이상의 뉴클레오타이드가 단백질 암호화 DNA 서열에 삽입되거나 삭제되어 돌연변이가 있는 위치로부터 하류(downstream)에 있는 모든 코돈에 영향을 줄 때 발생합니다.
돌연변이의 가장 극단적인 형태인 염색체 변형(chromosomal alteration)은 염색체의 물리적 구조를 변화시킵니다. 염색체 변형은 단일 염색체 내 큰 DNA 구역의 삭제(deletion), 중복(duplication), 반전(inversion) 또는 다른 염색체의 일부 통합을 포함할 수 있습니다. 이러한 돌연변이는 일반적으로 점 돌연변이보다 훨씬 더 심각합니다. 왜냐하면 돌연변이가 영향을 주는 구역에 많은 유전자와 조절요소(regulatory element)가 있기 때문입니다. 염색체 변형은 영향을 받은 세포의 핵형분석(karyotyping)을 통해 탐지할 수 있습니다.
돌연변이는 어떤 세포에서도 일어날 수 있지만, 오직 난자와 정자에 존재하는 생식세포 돌연변이(germline mutation)만 자손에게 유전될 수 있습니다. 예를 들어, 유전병(hereditary disease)은 유해한 생식세포 돌연변이(deleterious germline mutation)에 의해 야기되는 유전질환(genetic disorder)의 한 부류입니다. 유전병은 1번부터 22번까지의 염색체에서 발생하는 상염색체성(autosomal)일 수도 있고, X 또는 Y 염색체에서 발생하는 반성(sex-linked)일 수도 있습니다. 유전병의 한 예는 주로 허파에 영향을 미치는 질병인 낭포성섬유증(cystic fibrosis)입니다. 이 병은 CFTR 단백질에서 하나의 아미노산을 제거하는 CFTR 유전자 내의 삭제로 인해 발생합니다. 낭포성섬유증은 한 개의 변이된 유전자와 한 개의 정상적인 유전자를 가진 사람이 그 병에 걸리지 않는다는 것을 의미하는 상염색체 잠성(autosomal recessive) 질병입니다 (주: 우성(dominant) 또는 열성(recessive)이라고 표현할 수 있지만 우성/열성은 현성/잠성으로 개선해야 할 표현입니다). 헌팅턴병(Huntington’s disease), 신경퇴행성 질환(neurodegenerative disorder) 같은 질병들은 상염색체 현성(autosomal dominant)이며, 이 병이 발생하려면 오직 한 개의 변이된 유전자만 필요하다는 것을 의미합니다.
체세포 돌연변이(somatic mutation)와 생식세포 돌연변이 모두 DNA 복제 중에 자연적으로 발생할 수 있지만, 환경에 있는 방사선이나 화학물질에 노출되어 발생할 수도 있습니다. DNA를 손상하고 돌연변이를 일으키는 외부 요인을 돌연변이원(mutagen)이라고 합니다. 환경 돌연변이원으로 잘 알려진 것은 자외선(ultraviolet radiation, 줄여서 UV)입니다. 자외선은 가시광선보다 더 많은 에너지를 전달하며 염기쌍(base pair) 사이의 결합을 끊음으로써 DNA를 손상하고, 같은 DNA 가닥의 타이민(thymine; 티민) 염기끼리 짝을 이루는 타이민 이합체(thymine dimer)를 만듭니다. 태양은 자외선의 자연적인 공급원입니다. 가장 해로운 파장인 UV-C는 대기 중 높은 곳에서 차단되지만, UV-A와 UV-B는 지구 표면에 도달합니다. 인위적인 자외선 노출은 주로 태닝 베드를 포함하는데, 이것은 주로 적은 양의 UV-B로 UV-A 광선을 내뿜습니다. 다행히도 세포는 손상된 DNA를 복구하는 기작을 가지고 있지만, 때때로 피부 세포와 같이 빨리 분열하는 세포에선 세포 분열 전에 DNA 손상이 복구되지 않습니다. 세포 성장과 분열을 조절하는 데 중요한 유전체 영역에서 DNA 손상이 발생하고 복구되지 않으면 암으로 이어질 수 있습니다.
