3-8. 진핵생물의 세포분화와 기관형성 Feat. 수정란, 줄기세포, 전 형성능, 핵심조절유전자
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텔로미어란?
염색체 끝 부분에 붙어있는 반복 염기서열로,
염색체의 손상을 막아주는 역할을 함
텔로머라제란?
텔로미어가 손상되면 복구, 생성해주는 효소
노화를 방지하는 효소
정자와 난자가 만나서 형성된 수정란은 분열하며 서로 다른 세포로 분화하고, 기관을 형성합니다. 하나의 세포는 2세포기, 4세포기 등 다양한 과정을 거쳐 포배기 상태가 되는데요. 위 사진에서 포배기의 내세포 괴에 있는 세포들을 '줄기세포' 라고 합니다.
줄기세포는 아직 분화되지 않은 세포를 말하는데요. 어떤 세포든지 될 수 있는 만능세포인 셈이죠. 이런 줄기세포는 혈구세포, 근육세포, 신경세포 등 다양한 세포들로 분화합니다.
이번 포스트에서는 하나의 수정란으로부터 비롯한 세포가 어떻게 다른 종류의 세포로 분화하는지, 그리고 여기에 이어서 기관이 어떻게 형성되는지에 대해 자세하고 쉽게 설명드리겠습니다.
분화 : 하나의 수정란에서 비롯한 세포 -> 서로 다른 종류의 세포가 되는 과정
● '전 형성능' 발견 실험 -> 각각의 세포에는 모든 유전자 정보가 들어있다.
'전 형성능' 이란, 전부 형성할 수 있는 능력을 말합니다. 하나의 세포는 모든 기관으로 분화할 수 있고 그 결과 하나의 온전한 개체를 형성할 수 있다는 것이죠. 과학자들은 당근과 올챙이의 '전 형성능' 증명 실험으로 이 사실을 확인했습니다.
우선 [자료1]에서는 당근의 뿌리 세포가 온전한 개체로 발생했다는 것을 보여줍니다. 당근의 뿌리를 잘라 세포들을 배양했더니, '캘러스' 라는 일종의 줄기세포들이 형성되고, 이 캘러스가 분화해 온전한 당근으로 자랐다는 것인데요.
상식적으로 뿌리 세포를 배양한 것이어서 뿌리만 자라는 것이 맞는 것처럼 보이는데, 뿌리 뿐 아니라 줄기, 잎 등으로 분화해 온전한 당근이 된 것이죠.
즉, 당근의 뿌리 세포는 '전 형성능'을 갖는다는 것이 입증된 것입니다.
당근 뿐 아니라 올챙이에서도 '전 형성능' 증명 실험을 진행했습니다. 우선 개구리 난자에서 핵을 제거합니다. 그리고 올챙이의 소장세포에서 핵을 추출해 이 난자에 이식했는데요. 그 결과, 소장세포에서 추출한 핵임에도 불구하고 온전한 올챙이 개체로 생장했습니다.
만일 소장세포에 소장관련 세포만을 만들어내는 유전정보만 갖고 있다면, 온전한 올챙이 개체가 되는 것이 아니라 소장세포들만 배양되었을 것 입니다. 실험처럼 온전한 올챙이 개체가 발생한 것으로 보아, 소장세포의 핵에는 수정란의 핵과 동일한 유전정보가 들어있음을 보입니다.
즉, 개체의 모든 세포는 동일한 유전정보, 그리고 개체를 구성하는 모든 유전정보를 가지고 있음을 알 수 있습니다. 어떤 세포로 분화할지는 그 유전자 구성의 차이가 아닌, 발현의 차이 때문인 것이죠.
한 개체 내의 모든 세포는 동일한 유전정보를 갖는다.
모든 세포는 개체를 구성하는 모든 유전정보를 갖는다.
세포간의 차이는 '유전자 구성의 차이'가 아닌' 발현의 차이' 이다.
● 핵심조절유전자
앞서 설명드렸듯이, 한 개체의 세포는 모두 동일한 유전정보를 갖습니다. 그럼에도 불구하고 각기 다른 세포로 분화하는데요. 어떻게 이런 일이 발생할 수 있는지 '근육 세포'를 예로 설명드리겠습니다.
근육 세포는 근육 모세포가 분화되어 생성됩니다. 근육세포는 근육 단백질인 '마이오신' 과 '액틴' 으로 구성되는데요. 마이오신과 액틴은 단백질인 만큼, 그 단백질을 암호화하는 유전정보의 전사인자에 의해 전사가 이뤄집니다. 만일 전사인자가 없다면, 유전정보가 있다 하더라도 전사가 이뤄지지 않아 단백질이 만들어지지 않을 것입니다.
전사인자 역시 단백질이기 때문에, 이를 암호화하는 유전자가 있을 것입니다. 이 전사인자를 만들어내는 유전자를 '조절유전자' 라고 하는데요. 이와 관련된 내용은 이전에 포스트한 '젖당 오페론' 게시글에 자세히 설명되어 있으니 한 번 보시는 것을 추천드립니다.
이 조절유전자 또한 발현되려면 조절유전자의 전사인자가 있어야 되고, 그 전사인자를 만들어 내는 조절유전자가 있을 것인데요. 이런 식으로 쭈욱 올라가다보면 유전자 발현을 총괄하는 가장 상위 조절유전자가 있을 것 입니다. 이를 '핵심조절유전자' 라고 합니다. 근육세포에서는 '마이오디 유전자' 가 여기에 해당됩니다.
전사인자 : 해당 유전자의 전사를 이뤄지게 하는 인자
조절유전자 : 전사인자를 생성하는 유전자
핵심조절유전자 : 유전자 발현을 총괄하는 가장 상위 조절유전자
만일 핵심조절유전자는 발현하지 않고 하위의 조절유전자만 발현한다면 어떤 결과가 일어날까요? 위의 왼쪽 사진을 예시로 설명드리겠습니다.
'섬유 아세포'는 원래 근육 단백질을 생성하지 않는 세포입니다. 여기에 '액틴 유전자'와 '마이오신 유전자'를 도입한 것인데요. 참고로 액틴 유전자와 마이오신 유전자는 마이오디 유전자의 하위 조절유전자입니다.
섬유 아세포에 '액틴 유전자'와 '마이오신 유전자'를 도입한 결과, 근육 단백질이 생성되었습니다. 하지만 근육 세포가 되지는 않았는데요. 이에 반해 핵심조절유전자인 '마이오디 유전자'를 도입한 결과, 온전한 근육 세포로 분화한 것을 볼 수 있었습니다.
근육세포는 여러 개의 세포들이 융합되어 생성된 '다핵 세포'인데, 하위 조절유전자인 '액틴 유전자'와 '마이오신 유전자' 만으로는 근육 단백질만 생성할 뿐, 온전한 근육세포는 생성하지 못한 것이죠. 하지만 핵심조절유전자인 '마이오디 유전자'는 이를 가능케 했습니다.
즉, 핵심 조절 유전자는 그 하위의 단계들이 총괄적으로 모두 일어나게 할 수 있는 유전자인 것입니다.
● 다양한 세포로의 분화
정자와 난자는 만나서 수정란을 형성합니다. 정확히 말하면 정자의 핵과 난자의 세포질이 만나 수정란이 되는데요. 유전정보는 정자에서, 그 유전정보를 발현할지 여부를 결정하는 인자는 난자에서 오는 것이죠. 난자는 일반적인 체세포분열이 아닌 '난할' 이라는 과정을 수행합니다.
'난할'은 세포 핵은 동일하게 복제되지만, 세포질은 동일하게 복제되지 않는 특징을 갖습니다. 그래서 복제된 두개의 세포는 세포핵은 동일하지만 세포질은 다릅니다. 세포질에는 RNA 전사인자, 조절단백질 등이 있습니다. 즉, 복제된 세포들은 각기 다른 RNA 전사인자와 조절단백질 등을 갖는 것이죠.
난자의 세포질 : RNA 전사인자, 조절단백질 등이 들어있다.
난할로 인해 분열된 세포들의 세포질 함유 성분은 서로 다르다.
'전구세포'는 어떤 세포로 분화되기 전의 세포를 말합니다. 전구세포에서 세포분열로 2개의 세포가 될때, 세포질의 차이로 인해 전사조절인자의 분배가 다르게 이뤄집니다. 분열된 세포들은 계속해서 분열을 진행하는데, 분열 과정에서 전사조절인자가 점점 차이나게 되는 것이죠.
이런 전사조절인자의 차이로 인해 전구세포에서 다양한 세포들로의 분화가 가능한 것입니다.
● 기관 형성
세포가 모이면 조직이 되고, 조직이 모이면 기관이 됩니다. 기관을 형성할 때도, 세포가 분화하는 것과 원리가 동일합니다. 반복해서 말씀드리지만, 모든 세포의 유전자 정보는 동일합니다. 핵심조절유전자가 발현되는지 여부에 따라 그 종류가 달라지는 것인데요. 기관 역시 어떤 핵심조절유전자가 발현되느냐에 따라 결정됩니다.
초파리의 눈 부분에는 눈을 형성하는 핵심조절유전자가, 다리 부분에는 다리를 형성하는 핵심조절유전자가 발현한 것입니다.
성체의 눈을 형성하는 세포군과 다리를 형성하는 세포군의 유전정보는 동일합니다. 다만 핵심조절유전자 발현에 차이가 있을 뿐인 것이죠. 만일 다리를 형성할 세포에 인위적으로 눈을 형성하는 핵심조절유전자인 'Ey 유전자'를 발현시킨다면 어떤 일이 발생할까요?
놀랍게도, 초파리의 다리부분에 눈이 생기는 결과가 나왔다고 합니다.
즉, 발현하는 핵심조절유전자에 따라 기관이 형성된다는 사실을 알게 된 것입니다.
● 마무리
이번 포스트에서는 진핵생물의 세포분화와 기관 형성과정에 대해 설명드렸습니다. 모든 세포의 유전정보는 동일하다는 사실과, 그럼에도 불구하고 핵심조절유전자의 발현차이 때문에 세포 분화가 다르게 된다는 것만 잘 이해하셨으면 이번 포스트 이해는 끝난 것입니다.
이 블로그에서는 텔로미어(Telomere)와 텔로머라제(Telomerase)에 대해 중점적으로 다루고 있습니다. 텔로미어는 염색체 양 끝에 위치한 DNA구조인데요. 세포가 분열할 때마다 염색체 양 끝단인 텔로미어 길이가 짧아집니다. 텔로미어가 더 이상 분열할 수 없을 정도로 짧아지면 분열을 멈춥니다. 세포의 노화가 시작되는 것이죠.
텔로머라제는 이를 방지해 세포 노화를 억제하는 역할을 합니다. 최근 논문들에서는 텔로머라제가 텔로미어 길이 연장 뿐 아니라 다양한 면역 반응에도 관여한다고 하는데요.
텔로머라제에 대한 자세한 내용은 '관련 논문 카테고리'에 올릴 예정이니, 한 번 보시길 바랍니다.
글 마지막 부분에 전체 영상 보실 수 있게 링크 걸어두었으니 더 관심있으시면 한번 보시는 것을 추천드립니다.
※동영상 출처
채널명: 계숙 샘
동영상제목: [생명과학2] 2- 9차시 진핵생물의 세포 분화 및 기관형성의 유전자 발현
