제 4 장 발생과유전
발생은크게두가지요소에의해영향을받는다. 유전프로그램 (genetic program) 과환경적영향 (environmental factor) 이바로그것이다. 유전프로그램은내적인요소 (internal factor) 로서신체의어느부분이, 언제, 어떻게만들어질지에대한명령이다.
환경적영향은외적인요소 (external factor) 이다. 약물이나발암물질, 공해등환경적요인으로인해유전자에돌연변이가일어나게되면잘못된명령이내려질것이고이때문에기형적발생이이루어지게된다.
유전자가올바른지시를내리더라도환경이이를뒷받침하지못하면 - 예를들어영양부족이생긴다면 - 역시정상적인발생이이루어지지못할것이다. 때문에유전과환경, 이두요소는어느것이먼저라고할것없이대단히중요한특성들이다.
만일이중어느한가지라도변경되면변이내지는비정상적인발달, 심지어사망이초래될수있다. 이런의미에서우리는유전과환경을발생의 2대필수요소라부르고, 상호보완적인관계에있다고말한다.
유전과환경이외에도정상적인발생을위해서는다음의 3가지조건이추가로만족되어야한다. 첫째는세포수의증식 (cell division) 이다. 발생은앞에서설명한것처럼수정된세포 ( 수정란 ) 가세포분열을통해복잡한다세포성의개체로발달해가는과정이다.
사람의몸은약 100 조개 (1014 개 ) 의세포로되어 있으며이는수정란으로부터약 40 대째 (240) 세포 분열을한결과이다.
둘째는세포성장 (growth) 이다. 막분열을마친딸세포 (daughter cell) 들은일반적으로모세포 (mother cell) 보다작기때문에적당한크기로다시자라나야한다. 단순히크기만회복되는것이아니라기능적으로도그세포에주어진임무를할수있도록적절하게분화 (differentiation) 되어야한다.
개체성장이란전체세포의수가증가하면서동시에각세포의크기가증가한합의결과이다. 올바른성장을위해서는단백질을섭취하여끊임없이새로운원형질을합성해내는일과, 수분섭취에따른세포의팽화작용, 지방의축적, 무기물질 ( 섬유질등 ) 의증가등이수반되어야한다.
성장은체질, 온도, 영양상태, 성장촉진요인, 성장저해요인등여러가지요인에의해좌우되기도한다. 셋째는분화 (differentiation) 와통합 (integration) 이다. 분화란성장과분열의결과로세포와조직, 기관의성질이비가역적 (irreversible) 으로변화하는것을의미한다.
비가역적변화란한번진행되면다시돌아올수없는변화를말한다. 미분화세포는아직운명이결정되지않아어떤조직이나기관으로도분화할수있는다능력또는전능 (pluripotent) 을가지고있으며무한정한세포분열도가능하다.
그러나일단분화가되면더이상의세포분열이불가능해지고한가지기능만을위해특수화 (specialization) 된다. 그리고이렇게분화된세포들이자신의기능을수행하기위해위치를바꾸어가며적절하게재배열됨으로서조화있는개체를형성하게된다.
이렇게전체적인조화를찾아가는과정을우리는통합 (integration) 이라고부른다. 사람의수정란은 8세포기까지온전한미분화상태를유지한다. 즉 8세포기까지는그중어떤할구를하나떼어내다시자궁에착상시키더라도온전한개체로발생할수있다는것이다.
일란성쌍생아가가능한이유가바로여기에있다. 통합은신경계와내분비계에의해서조절된다. 이처럼개체가바르게발생하기위해서는성장과분화, 그리고통합의과정이필요하지만이모든것을뒷받침하는것은역시유전과환경이다.
그동안세포분화와통합에대한연구가많이이루어졌기에지금은세포분열의결과로개체가형성된다는후생설이맞다고확실하게증명되어있지만, 발생학초기시절에는분화의개념이없었기때문에미리형성된전구체가크기만커져서개체가된다는전성설이잘못대두되었던것이다.
게놈의등가성 복제양돌리의탄생은게놈의등가성을확인해주었다. 게놈의등가성이란머리끝에서발끝까지모든세포의유전자가똑같다는뜻이다. 때문에조건만적절히맞추어준다면분화를마친세포도수정란상태로되돌아갈수있다는말이다.
그러나만약두번째가설처럼세포가분화를거듭하면서필요없는유전자를선택적으로잃어버린다면게놈의등가성이깨어지게되고, 분화를마칠때쯤엔상당수유전자가소실된상태이기때문에절대로수정란상태로되돌아갈수없을것이다. 여기서 Spemann의실험을먼저소개하도록한다.
도룡뇽이나성게, 개구리처럼체외수정을하는동물들은알 (egg) 을구하기가비교적용이하다. 또한이들의알은투명하거나적어도반투명하기때문에현미경으로들여다보면서조작하기도용이한편이다.
Spemann은도룡뇽의초기포배세포에서핵을꺼내어, 이핵을방사선으로핵을파괴한난자에이식하였다. 그결과난자가마치수정란처럼분열하면서분화해나가기시작하는현상을관찰하였다.
이것은포배상태까지분화된세포의핵이여전히아무유전자도잃어버리지않고그대로지니고있음을확인해주는것이었다. Spemann은나중에올챙이의창자세포에서도핵을꺼내어핵이식실험을실시하였는데그결과역시동일하였다.
요즈음은마이크로인젝터 (microinjector) 라는기기가발달되어있어핵치환실험이훨씬용이해졌다. 마이크로인젝터는좌, 우양쪽에로봇팔이달려있는데한쪽팔에는진공펌프와연결된빨대가, 다른쪽에는유리대롱으로아주가늘게만든주사바늘이연결되어있다. 난자를빨대로고정시키고나서유리바늘로핵이나정자등원하는시료를주입시키는장치이다.
선택적발현 세포는필요할때마다바로그시점에요구되는유전자들만선택적으로발현 (expression) 시킨다. 예를들어방금점심식사를하였고때문에소화효소가필요하다면그에해당하는유전자들을발현시키지만, 시간이지나더이상소화효소가필요치않으면발현을정지시키는것이다.
즉필요하지않은유전자까지에너지를소모하며발현시킬이유가없기때문에선택적발현 (selective expression) 을통해세포의기능을최적화시키는것이다.
마찬가지로선택적발현을통해간세포는간세포로 서요구되는유전자만을발현시키고, 뇌세포는뇌 세포기능에필요한유전자만을발현시킨다.
물론세포생존을위해기본적으로필요한유전자들은 - 이런유전자들을기초유전자 (housekeeping gene 또는 householding gene) 라고부른다 - 모든세포에서공통적으로발현이된다. 모든세포가똑같은유전자를가지고있음에도불구하고각세포로서기능적, 형태적으로분화될수있는원리가바로선택적발현에있다.
선택적발현은주로전사차원에서조절이된다. 선택적발현역시분자생물학적실험을통해증명이가능하다. 먼저간과뇌세포에서 mrna를추출한다음역전사효소 (reverse transcriptase) 를이용해각각 cdna로바꾸고이를벡터 (vector) 인플라스미드 (plasmid) 에재조합한다음대장균에형질전환 (transformation) 시킨다.
mrna를 cdna로역전사하는이유는염기서열이상보적인 DNA 가닥을얻기위해서이다. 이렇게준비된대장균들을니트로셀룰로오스종이에부착시켜콜로니 (colony) 로키운다음 NaOH 용액을처리하면세포막이터지고 DNA가흘러나오는데, 알칼리성때문에외가닥으로풀려주형 DNA가노출되게된다.
이제간세포 RNA와뇌세포 RNA를각각방사능으로표지하여준비된주형 DNA 위에붓고적당한온도에서교잡 (hybri-dization) 반응을시키면다음과같은결과가얻어질것이다.
간세포 DNA 주형에간세포 RNA를반응시키면당연히모든콜로니에서분자교잡이발견된다. 주형으로쓰인 cdna들이모두간세포 mrna에서유래하였기때문이다. 반면에간세포 DNA 주형에뇌세포 RNA를반응시키면공통된염기서열이없어서분자교잡이일어나지않는콜로니도관찰되게된다.
이를해석하자면간세포 RNA와뇌세포 RNA 모두에분자교잡이이루어진콜로니의유전자는간과뇌에서모두발현되는것들이고, 간세포 RNA와는교잡반응이일어났으나뇌세포 RNA와교잡이이루어지지않은것들은간세포에서만특이적으로발현되는유전자이다.
마찬가지로뇌세포 cdna를주형으로하고간세포 RNA와뇌세포 RNA를방사능표지하여각각반응시키면뇌세포에서만특이하게발현되는유전자를선별적으로구별해낼수있다.
발생유전자들이서로교류하면서기능적으로통합한결과가바로분화라고이야기할수있고, 분화의결과온전한세포와개체가탄생할수있기때문에우리는그과정을형태형성 (pattern formation) 이라고말한다. 형태형성은발생생물학에서가장중요한용어중하나이다. 즉형태형성이란수정란이난할을거쳐각조직으로특수하게분화되어나가는과정에서적절한조화와통합을이루는기작을말한다.
제 5 장 발생생물학연구대상
다양한세포와생물들이발생생물학연구에이용되지만그중에서도효모 (yeast) 는단골로등장하는재료이다. 진핵세포중가장하등한세포이기때문이다. 때문에효모의발생기작은다른다세포생물보다단순하면서도그보다고등한생물의발생을이해하는데필요한기초자료를제공한다.
특히효모는두종류의반수체세포가교배를하기위해유전자발현을어떻게조절하는지보여주는좋은표본이다. 효모에도여러종류가있지만실험용으로는 saccharomyces cerevisiae를주로이용한다.
효모의경우를비약시키면동물의정자와난자에서도비슷한경우를찾아볼수있다. 즉 두개의반수체세포인정자와난자가어떻게서로를인식하고찾아갈까 라는질문에대한해답이다.
정자는난자가자기와의교배대상자 (mating partner) 인것을어떻게알아차릴까? 극단적으로표현하자면정자는주변의또다른정자를교배대상자로여기지않고어떻게멀리있는난자를찾아가는가? 여기에는분명히서로간신호가있지않을까? 그렇다면그신호는무엇일까? 라는것들이문제이고아직구체적인연구는없어도효모의경우에서답을유추해볼수있을것이다.
즉정자와난자의신호를조절하는유전자들이있 고또그유전자들의발현을조절하는 DNA 결합 단백질이여럿있을것이라는추정이다.
이처럼 C. elegans는세포가분열하고분화하는과정이모든개체에서동일하다. 그결과성만같으면모든개체의체세포가숫자적으로똑같으며전체적인배열역시똑같을수밖에없다.
자웅동체의체세포는 959개이며수컷에서는 1,031 개이다. 이렇게모든개체에서동일한세포가동일한장소에분화될수있는이유는 C. elegans의발생이세포자율적이기때문이다. 분화는세포자율적운명결정, 또는주변세포와의신호교환에의해결정된다는것을앞에서언급한적이있다.
C. elegan는전적으로세포자율적분화에의한발생을선택하고있다. 때문에각각의세포들은대부분자율적으로분화해나간다. 즉대부분의선충류체세포는서로그옆에인접해있더라도서로간영향을주거나받지않는다는것이다. 즉처음에꼬리로운명이결정된세포는최종적으로도꼬리의일부가된다.
반면신호에의해결정되는발생경우에는꼬리보 다머리로분화하는것이좋겠다는주변의신호를 받아들여도중에자기운명을바꿀수도있다.
예를들어사람의생식세포는발생초기에꼬리부분에서만들어지는데점차생식선쪽으로옮겨가는것이그좋은예이다. C. elegan처럼세포자율적분화를따르는경우에는세포계보도를확실하게그릴수있는반면신호에의해수시로변화하는발생이라면계보도를도저히그릴수없다.
초파리 발생학연구에서초파리 (Drosophila melanogaster) 는대단히유용한실험재료이다. 게놈프로젝트를통해전체유전자가완전하게밝혀져있는데다가발생단계가명료하여알에서유충과번데기시기를거쳐성체에이르는전과정을지켜보기가용이하기때문이다.
첫번째유충은수정후약 24시간만에알에서깨어나오는데이를영충 (instar) 이라고부른다. 영충은약 104개의세포로되어있다. 계속해서 2번의탈피와번데기시기, 그리고복잡한변태과정을거쳐성체가되는데성체초파리는약 106개의세포로되어있다. 초파리발생에걸리는시간은 25 에서대략 10~12일정도이다.
초기발생은알상자내에서일어나는데세포질분열에비해핵분열이훨씬빠르기때문에핵이마치알상자내에무리지어있는것처럼보이게된다. 이렇게세포질분열없이핵만계속해서분열하여만들어지는것이합포성배반엽 (syncytial blastoderm) 이고, 그안에 6,000여개정도의핵이들어차게된다.
수정후 2.5~3시간정도지나서야개개의핵을구분짓는핵막이나타나는데이때비로소각세포들의형태가뚜렷한공모양의배반엽 (blastoderm) 이만들어진다. 배반엽은다른동물의포배 (blastula) 에해당하는것이다.
초파리의초기배반엽세포들은자율적으로분화하고발달하는것이특징이다. 즉각각의세포가확실하게운명이결정되어있기때문에특정세포를바늘로찔러파괴하면그결과가성체에그대로드러나는것을볼수가있다.
이런방법을되풀이하면우리는초파리배반엽세포들의운명을지도그리듯이그려낼수있다. 즉발생학적운명이전적으로세포자율에만맡겨져있기때문에그결과를쉽게유추해낼수있는것이다.
심지어는배반엽세포를배자의다른부위에옮기더라도이미결정된운명에따라서만발생하기때문에세포간대화를통한기능적분화는초파리에서전혀통하지않는다.
그렇다면배반엽세포들의운명은어떻게결정되는것일까? 분명히발생아주초기에몸전체를구상하는계획 (early body plan) 이있었을것이고, 이에맞추어유전자가발현되어 6,000여개에달하는배반엽세포들의운명을결정지었을것이기때문이다.
초파리발생에서배울수있는사실은난자속에미리들어있던모계 mrna(maternal mrna) 가중요한역할을한다는것이다. 이 mrna는수정과동시에단백질로발현되어서난할을일으키기때문에만약단백질합성을막는약물을처리하면난할자체가일어나지않게된다.
이말은모계유전자 (maternal effect gene) 가난할과발생에중요한역할을한다는뜻이다. 물론수정을통해부계로부터전해온유전자도있겠지만부계유전자는상대적으로발생후반부에관여할것으로추정이된다.
모계유전자들의기능에대해서는앞으로도연구해야할일이많지만발생의아주초기단계에작용하는유전자들인만큼배자발생과세포의운명결정, 그리고형태형성에중요한영향을미친다는사실은분명하다.
앞으로이들유전자에대한돌연변이연구가진행 될수록더욱그기능들을세세하게파악할수있을 것으로기대된다.
발생에관여하는유전자들을통틀어호메오박스유전자 (homeobox gene) 라고부른다. 그리고이유전자들은공통적으로염기서열이유사한약 180bp(60여개의아미노산에해당 ) 의영역을가지고있다. 호메오박스유전자는 1984년에초파리에서처음발견되었는데그이후동물뿐아니라식물, 곰팡이등에서도차례로분리되었다.
호메오박스유전자는염색체상에여러개가집단을이루고있는것이보통인데발생과정에서일찍발현되어전체적인전, 후, 좌, 우축을결정해주거나체절 (segment) 의위치를정해주는것으로알려져있다. 이들유전자에서돌연변이가생기면그에해당하는체절이없어지거나기능을잃는경우가종종발생된다. 이러한원리를이용해서발생의순서와그에관여하는유전자들을지금도계속발굴하며연구하고있다.
앞서말한대로상기한발생유전자들은모두차례대로다음유전자세트를전사시켜주는전사활성인자 (transcription factor) 들이다. 즉, 이들을통해발생에관여하는다른유전자들의전사가순차적으로촉진된다는말이다.
호메오박스유전자중에서도제일관심사는당연히이렇게순차적으로다음유전자를전사활성시키는것이그들의기능이라면과연수정즉시첫번째로발현되는것은과연무엇이냐는것이다.
발생유전학자들은이런유전자를마스터유전자 (master gene) 이라고부른다. 그리고이에대한연구는계속진행중이지만아직도마스터유전자를정확히분리해내지못하고있다.
위에언급한것들외에호메오박스유전자가전체적으로몇개나되는지정확히알수는없지만여러생물체에서게놈프로젝트가완성된지금도계속해서새로운발생관련유전자들이발견되고있다. 호메오박스의공통된염기서열은초파리이외에도곤충, 닭, 개구리, 사람에서공히발견이된다.
발생은이처럼세포자율적이면서도세포간신호교류에의해서, 또유전에의해서기본프로그램이정해져있으면서도환경에영향을받는대단히복잡하고정교한사건이다.
앞에서밝힌것처럼다양한실험동물과돌연변이유도실험을통해관련된유전자들과현상들이하나씩밝혀지고는있지만워낙에상호작용이복잡다양하여쉽사리풀릴수없는것이발생의문제들이다.
그럼에도불구하고이에대한연구가중요한이유는선천성질환과기형에대한해답을주기때문이다. 최근에개발된다양한유전공학적기술들은생명의기원에대한수수께끼를과거와는비교할수없을정도로빠르게밝혀나가고있다.
발생 - 유전 ( 내적인요소 ) - 환경 ( 외적인요소 ) * 어느것이더중요한가? - 세포수의증식 (cell division) - 세포성장 (growth) - 분화 (differentiation) 와통합 (integration), 특수화 (specialization) * 8 세포기 형태형성 (pattern formation) 게놈 (genome) 의등가성 유전자의선택적발현
발생생물학연구대상 - 효모 (yeast) - 예쁜꼬마선충 (C. elegans) - 크기가작다 - 먹이는박테리아 - 300 개의알, 60 시간이면부화 - 몸체가투명하여세포의분열과이동관찰이용이 - 세포자율적분화 - 초파리 (Drosophila melanogaster) - 10~12 일이면발생완료 - 게놈프로젝트완성 - 세포자율적분화 - 체절구분이확실 - 호메오박스유전자 (homeobox gene) 연구에좋은모델 (180bp=60 개아미노산 ) 마스터유전자 (master gene) - 포유동물 - 세포간신호교류에의한발생 세포사멸사 (apoptosis) Programmed Cell Death