세포주기 The Cell Cycle 생물학개론 9 주차강의
세포주기 Cell Cycle 세포주기 Cell Cycle 간기 (Interphase) 체세포분열 (mitosis) 세포질분열 (cytokinesis) 세포주기조절 Control of the Cell Cycle 검문지점 (Checkpoints), 텔로미어 (Telomeres) 세포분열신호, 줄기세포 (Stem cells) 세포죽음 Cell death 예정세포사 (Apotosis) 암세포와정상세포 (Cancer and Normal Cells)
생명의유지 예정세포사와세포분열사이의균형을유지하는것이중요 세포분열 : 생명체의성장, 유지및보수에필수 예정세포사 : 손상된세포의제거, 생리등에필수 암 (Cancer) : 예정세포사와세포분열사이의균형이깨어졌을때일어나는질병
세포분열의종류 Eukaryotic cells divide by mitosis or meiosis Mitosis ( 체세포분열 ; 유사분열 ; 동일한유전정보를가지게분열 ) Meiosis ( 생식세포분열 ; 감수분열 ; 유전물질의재조합이일어나-다양성 ) 단세포생물 이분법 (binary fission)
세포분열주기 간기 (Interphase) 와분열기로나눔간기 (interphase) G1기 growth : 세포소기관의복제, 세포의성장 G0기 : 무활동시기 S기 synthesis: DNA의합성 G2기 growth : 세포의성장, 염색체의분리준비 분열기 (Mitosis) 핵분열 karyokinesis 세포질분열 cytokinesis
G1 기 G1 기 : 세포생활의결정시점 세포분열을할것인가? 손상된 DNA 를치유하기위해멈출것인가? 무활동단계로들어갈것인가? 죽을것인가? 가장중요한결정을내려야하는시기이나 G1 기에소요되는시간이특별히길지는않음 분열을할것이라면분열을준비
G0 기 무활동시기 DNA 복제도없고분열도하지않으면서분화된상태에서의특징만유지 활발하게분열을하지않는대부분의체세포들이여기에멈춰있음. 복제양돌리의클론을만들수있었던이유 S 기 : 세포가유전적물질을복제하는작업 분열직전에유전자를 2 배로늘리는과정 총 8-10 시간정도걸림
G2 기 많은단백질합성. 특히미세소관 (microtubule) 을형성하는단백질인튜불린 (tubulin) 이풍부하게합성. 막을이룰물질은세포막밑에작은낭에저장 세포분열후두개의세포를감쌀수있을만큼의양이필요 염색체의응축시작
세포분열주기 일반적인세포분열의경우 : 간기가길고분열기는짧다수정란이발생하는도중 : 간기에서 G1기와 G2기가사라짐초기 : 세포의성장없이분열만계속되어세포수만증가 (M S M S) 후기 : G1과 G2가들어가세포의성장이진행됨
염색체응축 인간세포의크기 ~ 100 micron 그안에들어가는 DNA의길이 ~ 2 미터 간기에선 DNA들이풀려서존재함 따라서 DNA 복제라던가단백질합성등이가능 하지만세포분열기에선 DNA가세포의다른소기관들을방해하지않고나뉘어야함 DNA를염색체로응축 DNA를단백질주위로둘러싸서응축시킴
중심체 centrosome 방추사형성의중심 한쌍의중심소체 (centriole) 로이루어짐 세포분열에들어가기전에중심체는 2 개로복제 ( 총 4 개의중심소체 ) 세포분열을끝마친시점에서중심체는 1 개 동물세포만이가지는구조 그렇다면식물세포는방추사를만들지않는가? No 중심체에서뻗어나온미세소관들이서로를밀며점점양극으로이동 염색체의동원체위에있는단백질복합체인방추사부착점 (kinetochore) 에부착됨
체세포분열 체세포분열은전기, 전중기, 중기, 후기, 말기, 세포질분열로구분 DNA가평소에는실모양으로퍼져서존재전기 (prophase): 복제된 DNA가응축됨 ( 왜? 세포안에서의이동이용이하게 ) 중심체에서미세소관이형성되어세포의양극으로이동
분열기 전중기 (prometaphase): 핵막사라짐방추사가방추사부착점에달라붙음중기 (metaphase): 염색체가중앙에서정렬후기 (anaphase): 미세소관이수축되며복제되어있던염색체가분리, 양극으로움직임세포의길이가길어짐미세필라멘트가미세소관과직각을이루며세포중앙에배열말기 (telophase): 새로형성된딸핵주위로핵막다시생겨남염색체의응축이풀림세포질분열일어남
식물세포분열 식물세포분열의특징 : 세포벽을만들어야함 격막형성체 (Phragmoplast) : 세포중앙에세포판을만들고세포벽구조물질이든소낭을포착하여세포벽을형성 일부조류, 점균류, 곰팡이, 곤충의초기배아등에서는세포질분열이없는경우도있다.
텔로미어 Telomere 1930년대에처음으로엽색체끝이분열때마다상실 (50-200 nt) 되는현상관찰 텔로미어발견 TTAGGG의반복 기능 : 염색체보호, 세포의시계 텔로미어의길이가어느정도이상으로짧아지면세포분열이더이상일어나지않음.
텔로미어의길이가줄어들지않는세포 소장의내막세포, 골수세포, 혈액세포, 암세포 끊임없이분열하는세포들 왜텔로미어가짧아지지않는가? 텔로미어를길게해주는효소가존재 텔로머라아제 (telomerase) 생식세포에서도텔로머라아제가작용 세포내시계리세팅 ( 성인의세포보다태아의세포가훨씬더여러번분열 )
식물의경우 식물세포에도텔로미어존재 염색체보호 식물세포에서는세포분열시텔로미어가짧아지지않는다. 왜? 식물체의세포에텔로머라아제가있음 왜? 아마도풍부한분열조직을가지고있어서분열능력의제한이없어서가아닐까. 특별히분열이많이일어나는조직 ( 뿌리끝 ) 에는텔로머라아제의양도많음
텔로미어미스테리 텔로머라아제에문제있는돌연변이쥐 생식능력없고, 생식기관위축, 골수퇴화 배양중인사람의세포에텔로머라아제를과다발현 정상적인숫자이상으로분화 그러나 텔로머라아제가없는쥐의세포는암세포가되었고, 과도한텔로머라아제를갖는사람세포는암세포가되지않았다 암발생을텔로미어하나로설명할수는없는듯.
세포를분열하게하는신호는? 세포밖과세포안에서부터오는신호가세포주기에영향어떤신호? 세포밀도 : 높아지면그만분열해라. 성장인자나호르몬등분열하라는신호키나아제 (Kinase) 와사이클린 (Cyclin)
접촉억제 (Contact inhibition) 중간에서세포층이찢어지면가장자리에있던세포들이자라고분열하여그공백을채우는것 각막의경우전체재생은되지않지만상처가난틈은세포분열로쉽게메울수있다. 암세포 접촉저해성 (Contact inhibition) 을잃고계속해서자람
호르몬 (hormone) 세포분열을계속하라는신호와예정세포사를하라는신호를보낼수있음 여성의경우 : 배란기이전 : 에스트로겐호르몬분비량이많아지며수정란이착상할수있도록자궁의내막세포자극분열 배란기이후 : 착상이안되면다른호르몬으로자궁내막세포들을부수는세포죽음을조절 월경. 착상이되면자궁내벽유지
세포주기의조절 G1 S G2 M기로의진입을어떻게조절할수있을까? 키나아제와사이클린으로조절 키나아제 : 모든진핵세포가가지고있으며항상있는단백질 사이클린 : Cycling하는단백질. 세포주기를따라생겨났다가파괴되었다가를반복 어떤키나아제와어떤사이클린이결합할것이냐가세포주기를조절
생명체의유지보수 생명체의유지보수를위해노화되거나손상된조직을치유하고새로운세포를생산을해야함. 이때만들어진세포들은그세포고유의특성을가져야함. 딜레마 : 상처조직을치료하기위해주위세포가분열을한다고하더라도분열할수있는횟수는제한되어있다 ( 텔로미어의길이등 ) 신체에있는대부분의세포들은 G0 기에멈춰져있어서세포분열을하지않는다. 그렇다면어떤세포에서세포분열이시작되는가?
줄기세포 줄기세포 : 성체 (Adult) 줄기세포 ( 예 : 골수 ) 배아 (Embryonic) 줄기세포 미분화상태로존재하며, 자기자신을만들어낼수있으며, 필요한경우다른여러타입의세포들로분화될수있는세포
세포죽음 : 생명의한부분 세포죽음은정상적인발생의한부분 꼬마선충의연구에서밝혀짐. 정상적인꼬마선충의발생과정에서총 1090 개의세포가만들어지고그중에서 131 개가죽음 세포죽음의종류 : 괴사 (necrosis) : 세포가상처로인해죽는것. 염증반응유발 예정세포사 (apoptosis) : 세포가신호를받아자살하는것. 깨끗한죽음. 죽은세포의물질을다른세포가이용할수있게해준다
예정세포사의과정 세포막에있는 죽음수용체 가죽음의신호를받아들임 ( 혹은 X 선, 자외선, 독성물질등의손상에반응할때도수용체가활성화될수있음 ) 신호를받아들이면카스파아제란효소가활성 카스파아제의기능 : 세포죽음을막는단백질의기능저해 핵막지탱하는중간필라멘트파괴 DNA 복제및수리효소파괴 DNA 를자르는효소활성 세포골격을찢어헤침
뇌발생에필수적 신경세포가제기능을하기위해서는뉴런들이효과적으로연결되어있어야함 맨처음세포분열을하면서부터연결된형태가이루어지는것은아님 어떤세포가신경성장인자 (nerve growth factor, NGF) 를방출하여다른뉴런을끌어당기고이에반응하지않은뉴런들은예정세포사로죽음 최종적으로고도의연결망을가짐
면역계세포에서도필수적 면역세포의기능 : 자기와비자기를구분하여비자기인세포를공격한다 만일자기와비자기를구분하지못하면? 류머티스, 루푸스, 당뇨병 I형같은자가면역질환 따라서면역세포중자기를인식하지못하는세포들은예정세포사로죽임
또한 Genetoxic Agents IR, UV, ROS, etc. 자발적인손상요인 복제시의 errors DNA 수리 BER, NER, MMR Recombination Direct Reversal DNA 손상 Cell Cycle Arrest DNA 손상이심해서정상적으로작동하지못하는세포 Mutation ( 돌연변이 ) Heritable Disease, Cancer, Aging Irreparable Damage Apoptosis ( 세포자살기작 ) Programmed cell death
세포분열에관여하는유전자와돌연변이 원종양유전자 (protooncogene) vs. 종양억제유전자 (tumor suppressor gene) 원종양유전자 : 정상적인세포분열에관여하는유전자. 모두다가지고있음 Proto (before) + onco (cancer) + gene 돌연변이가일어나서더이상세포분열조절을못해주면종양유전자가됨 (oncogene)
원종양유전자 대부분의경우성장인자자체를만들거나, 성장인자에반응하거나, 성장인자수용체를만드는단백질임 성장인자가많거나, 성장인자의신호전달이계속해서이루어질경우, G1 검문점을무시하고계속해서세포분열 암
종양억제유전자 조건이좋지않을때세포분열을억제하는단백질을만드는유전자 조건이좋지않을때란? DNA에손상이있거나할때 원종양유전자를보완하는기능 p53 : 종양억제유전자로 G2기검문에관여하는유전자 돌연변이일어난세포는암세포가됨. 암의절반이상이 p53의이상
암세포의특성 세포주기의조절능력상실과접촉저해의상실 매우빠르게분열하며위에계속하여쌓인다. 암수술후완치기간을 5 년으로잡는이유는? 단하나의세포라도남아있으면결국에는그세포들이분열을하여원래대로커지기때문 유전력과유전변이력 자식에게유전된다는뜻이아니라암세포가분열해서생긴딸세포도암세포라는뜻. 암세포에있던모든유전자변이를유전받기때문
암세포의특성 이식가능성, 전이능력, 침투력 주위다른조직침범 ( 침투성 ) 전이력 : 세포간의부착능력이약해서떨어져나와다른곳으로이동할수있음 이식가능성 : 조직의가장자리에자신을정착시키고건강한조직을절단하는화학물질을분비하며침투하여자랄수있음 혈관생성 : 어느정도크기가커진이후에는영양분과산소를공급받기위해서혈관을끌어들이는물질을분비하거나스스로혈관을만든다 탈분화 : 원래의기능을대부분잃어버림