9 장조류와포유류 : 초기발생과축형성 조류의초기발생조류알의난할 닭의수정은수란관에서일어나며이후수란관에서분비되는알부민 ( 흰자 ) 과껍질이추가됨 닭의알은단황난이며큰난황위에조그만접시모양의세포질을가짐 원반형부분난할을함 난할은동물극세포질 ( 지름 2 3 mm) 인배반 (blastodisc) 에서일어남
양막류의계통유연관계
첫번째분열홈은배반의중앙을가로지르며난할을계속하며한층으로된배반엽 (blastoderm) 을형성 닭배아의원반형부분난할
조류배아의낭배형성 하배엽 닭이알을낳을때배반엽은약 20,000 개의세포로구성 투명부위세포들은표면에서상배엽 (epiblast) 을형성하며일부는개별적으로분할강으로이동하고분층하여 1 차하배엽 (primary hypoblast) 인세포섬 (polyinvagination island, 5 20 개세포덩어리로다도해모양 ) 을형성 배반엽뒤쪽주변대의세포층 ( 켈러낫, Kollor, s sickle) 이국부적으로두터워짐 1 차하배엽을안쪽으로밀어내어안배엽 (endoblast) 인 2 차하배엽형성 닭배반엽형성
상배엽과하배엽으로구성된두층의배반엽은서로암역 (area opaca) 의주변대에서연결되어포배강을형성 조류의배아는전적으로상배엽에서기원하며하배엽은발생중인배아의어떠한세포에도기여하지않음 하배엽은외막의한부분, 난황주머니및난황덩어리와내배엽인소화관을연결하는자루형성 하배엽은상배엽세포의이동을정해주는화학적신호를제공
원조 조류, 파충류, 포유류의낭배형성의중요한구조적특징은원조 (primitive streak) 을형성 원조는뒤쪽주변부내에서발생하는데중간층에모여드는세포들은켈러낫의바로앞쪽인뒤쪽주변대상배엽이두터워져형성 예정원조세포들은구형이되면서운동성을획득하고바로아래의세포외기질을분해함. 이로인해세포들은정중측면에서서로교차하여수렴확장을함 수렴확장으로원조는앞으로진행 원조내에함몰이일어나는데이부위를원조구 (primitive groove, 세포들이포배강으로들어가는통로역할, 양서류의원구와유사 ) 라함 원조의앞쪽끝은부분이두터워지는데이를원결절 (primitive knot), 헨센결절 (Hensen, s node), 초기구멍 (primite pit) 등이라하며이곳을통해세포는포배강으로들어감
헨센결절은양서류원구의등쪽입술 ( 형성체 ) 과어류의배방패와동일한기능을함 원조에서포배강으로이입되는첫번째세포는상배엽기원의중배엽전구체 원조는장래의머리부위로더길어짐. 이과정은세포분열과수렴확장이일어나며상배엽앞쪽부위의세포는헨센결절의형성에기여 2 차하배엽 ( 안배엽 ) 은원조의이동을유도 원조는투명부위의 60 75% 길이까지확장 원조는배아의축을결정하며뒤에서앞으로확장하면서등쪽면에서세포를배쪽으로이동시키며동시에배아를좌우로구분 원조의축은양서류의등 - 배축에해당. 원조앞쪽끝 ( 헨센결절 ) 은초기척삭중배엽, 착삭및앞쪽체절로발생. 원조의중간에서이입하는세포는체절, 심장, 배외막중배엽을형성 상배엽의세포는원조를통해포배강으로이동 앞쪽끝으로들어가는세포들은포배강을자나앞쪽으로이동하여내배엽, 머리중배엽및척삭등을형성. 원조의뒤쪽부위에서들어가는세포들은중배엽의대부분을형성
원조를통한이동 : 내배엽과중배엽의형성 헨센결절로이동하는첫번째세포들은앞창자의인두내배엽이될운명을지님 이들세포는하배엽세포를대체하고하배엽을투명부위앞쪽에만있도록국한시킴 생식신월환 (germinal crescent) 이라불리우며생식신월환은배아구조를생산하지는않으나생식세포의전구체가됨 헨센결절을통해포배강으로들어온두번째세포들은앞쪽으로이동하나예정앞창자의내배엽세포처럼배쪽으로멀리이동하지않고내배엽과상배엽사이에머물며머리간충조직과초기척삭판 (perchordal plate) 중배엽을형성함 조류의머리는헨센결절앞쪽 ( 부리쪽 ) 으로형성 그다음으로이동하는세포는척삭중배엽 (chordamesoderm) 이됨 척삭중배엽은머리돌기와척삭으로구분 중앙중배엽세포가가장앞쪽부위인머리돌기 (head process) 를형성 원조가퇴화되면헨센결절로들어오는세포는착삭이됨 착삭은귀와두뇌가형성되는지점에서시작하여꼬리쪽으로뻗으며척삭으로덮고있는세포와상호작용을하여척수를형성 FGF(Fibroblast growth factor) 신호의조절에의해앞쪽원조를통한중배엽은척삭중배엽을형성
원조의퇴화 중배엽세포가계속이입되는동안헨센결절이뒤쪽으로이동하며이때 원조의퇴화가일어남 퇴화중인원조는배아의등뒤쪽으로척삭이라는흔적을남김 헨센결절은뒤쪽에서없어지고항문부위를형성 이시기에모든예정중배엽과중배엽세포는배아속으로들어가고 상배엽은예정외배엽세포로만구성 배아의뒤쪽부위세포가낭배형성을계속하는동안 앞쪽끝의세포는이미기관형성에들어가게됨 ( 배아의앞쪽이뒤쪽보다빨리발생 )
외배엽의외적 외배엽전구체는증식을하여외적으로난황을감싸고이동함 ( 약 4 일소요 ) 암역 (area opaca) 의바깥쪽부위 ( 주변부 ) 의세포만이난황막에단단히 고정되있으며많은세포질돌기 ( 약 500 μm ) 를가지며이들돌기 ( 사상위족 ) 가 난황주위로외배엽세포들을끌어당김 조류의낭배형성이끝날무렵외배엽은난황을감싸게되고내배엽은하배엽 을대체하고중배엽은스스로외배엽과내배엽사이에위치함
축예정화와조류의형성체 앞 - 뒤축의형성에있어서중력의역할 : 방사대칭인배반엽은중력에의해좌우대칭구조로전환 닭은난자가생식관을통과하는동안약 20 시간동안회전하면서알껍질이축적되고시간당 10 12 회회전하고난황의가벼운성분이배반엽아래에위치하며이로인하여배반엽의한쪽끝이약간솟구치며이끝이원조형성을시작하는배아의뒤쪽부위가됨 배반엽의뒤쪽주변대 (posterior marginal zone, PMZ, 켈러낫이포함되지않은뒤쪽조직, β-catenin 을분비하는 Wnt8c 를생성, Vg1( 내배엽과등쪽중배엽형성유도하는단백질분비, TGF-β 집단 ) 을분비, 양서류의뉴쿱센터와동일한역할, 앞 - 뒤축결정 ) 는낭배형성을시작하게하며주변부의다른부위는낭배형성을차단함 뒤쪽주변대는원조와헨센결절을유도하고원조부위는머리 ( 앞 ) 발생을유도함
닭의형성체 계배의형성체는 PMZ 의바로앞쪽에형성 켈러낫의앞쪽에위치한상배엽과중간층의세포가헨센결절 (1. 낭배형성을시작하는장소 2. 척삭중배엽이되는부위 3. 다른낭배에이식하면제 2 의배아축형성 ) 이됨 켈러낫의뒤쪽부위는원조의뒷쪽이됨 조류에서헨센결절은양서류의등쪽원구입술에해당
닭배의형성체유전자발현 1. 켈러낫의뒤쪽부위에서발현되는유전자들은 PMZ 세포의뉴쿱센터와유사한부위의형성을도움 Vg1 과 Nodal 유전자포함. 원조전체에서발현 2. 원조의앞쪽과헨센결절에서발현되는유전자 chordin 과 sonic hedgehog 유전자포함 척삭중배엽은바로위에있는외배엽에서중추신경계의형성을유도함 헨센결절과유도된세포들의작용으로 BMP 길항제단백질인 chordin, Noggin, Nodal 등을분비. 이로인해 BMP 신호가방해되며외배엽과중배엽을등쪽화 ( 신경유도 ) 시킴 낭배형성직전에헨센결절에서합성되는 FGF 가상배엽에서신경세포를유도함
헨센결절의이식에의한새로운배아의유도
FGF : 중배엽과신경관형성의유도자 FGF 는낭배형성과정에서세포의예정화에중요한역할 1. 중배엽의예정화를책임짐 ( 하배엽에서나오는 FGF 는뒤쪽주변대의 Nodal 과협력하여 Brachyury 와 Tbx6 유전자활성화 ) 2. 신경관형성과중배엽형성을분리 3. 중앙의외배엽세포에서신경관형성이일어나도록도와줌 4. FGF 는초기신경유전자인 ERN1 과 Sox3 의발현을유도. 이들유전자는신경조직생성으로이어지는신호전달연쇄반응을일으킴 FGF 는초기닭의배아에서결정적으로중요한세포운명의조절자
앞 - 뒤형태화 하배엽과내배엽의아래층은계배앞쪽의실체를확립하는데필요 신경유도와별개로일어남 아래층앞쪽끝에서 Cerberus 와다른머리유전자분비 양서류와같이앞쪽외배엽은형성될머리를결정하고뒤쪽중배엽에서합성되는레티노산 (Retinoic acid) 는신경판의꼬리화를유도 FGF 가중배엽과신경관의형성을조절하는모델
좌 - 우축의형성 척추동물의몸은좌우대칭이아니며좌우측면을가짐 ( 심장과비장은왼쪽, 간은오른쪽 ) 국소분비인자인 Nodal 과전사인자인 Pitx2 에의해조절 ( 일반적으로배아왼쪽부분에서 Nodal 발현, Pitx2 활성화되고우측에서는액티빈 (Activin) 발현되고 FGF8 을활성화 )
포유류의초기발생포유류의난할 포유류의난자는동물계에서가장작으며사람은지름이 100 μm, 개구리의 1/1,000 정도 포유류난할의독특한특성난소에서배란된포유류난자는섬모에의해수란관속으로이동 수정은난소와가까운부위인수란관팽대부 (ampulla) 에서정자와결합 수정된난자는감수분열을완성하고첫번째난할에들어감 난할은동물계에서가장느리고보통한번분열하는데 12 24 시간소요 수란관의섬모는배아를자궁으로밀어냄 수정에서착상까지사람배아의발생
포유류난할이다른동물과의차이점 1. 느린분열속도 2. 할구간의독특한분열방향성 ( 첫번째는경할, 두번째에서는하나는경할, 다른할구는위할 ) 회전난할 (rotational cleavage) 3. 초기분열의불일치성 할구들이동시에분열하지않음. 2-, 4-, 8- 세포기로증가하는동안중간에홀수의세포기가있음 4. 유전체는분열초기에활성화됨 생쥐와염소 : 2 세포기부터유전자발현. 사람 : 4- 와 8- 세포기에서유전자활성화시작 5. 밀착화 (compaction) : 8 세포기 ( 세번째난할 ) 이후 E- 캐드히린과같은세포접착단백질이발현하여각할구는밀착되어조밀해지며공모양형성함. 할구들사이에간극결합 (gap junction) 이형성되어작은분자나이온이통과할수있게됨
밀착화된 16 할구는상실배 (morula) 를형성하고외부는많은수의세포로구성되어있으며영양외배엽 (trophectoderm) 또는영양막 (trophoblast, 포유류발생에있어첫번째분화 ) 형성 이후태반 (placenta) 의배아부위융모막 (chorion, 배아가모체로부터산소와영양분을얻게해주고호르몬을분비하여임신을유지시키며모체가태아에대해거부반응이없도록면역조절물질분비 ) 을형성 첫번째분열로바깥쪽세포는자궁에붙을수있는세포를생산 ( 자궁벽에배아가머물장소까지분해하여통로를만들고영양막에서보충된세포들은안쪽세포덩어리 (inner cell mass, ICM) 가되어배아와연결된양막, 난황주머니, 요막등을형성 ) 8 세포기까지초기할구는영양막세포와배아전구체가될수있는전능 (totipotent) 세포라함 16 세포기안쪽세포덩어리는다능 (pluripotent) 세포라하는데이는몸의모든세포로발생할수있으나영양막을형성할수없음 Nanog, Oct4, 인산화된 Stat3 의발현을유지하는상태로안포덩어리에서할구를분리하면배아줄기세포 (embryonic stem cell) 가됨 상실배는내부공간 ( 강 ) 이없지만강형성 (cavitation) 과정에서영양막세포가상실배내부에액체를분비하여포배강 (blastocoel) 을형성 포배강이확장됨에따라안쪽세포덩어리는영양막세포로이루어진원의한쪽면에위치하며이를포배 (blastocyst) 라함
투명대에서탈출과착상 배아가수란관을따라자궁으로이동하는동안포배는투명대내에서팽창함 ( 투명대는포배가수란관벽에붙지못하도록함 자궁외임신 (ectopic pregnancy), 난관임신 (tubal pregnancy) 을방지 수란관착상시배아는출혈을유발하여생명을위협 포배가자궁에도달하며투명대를녹여작은구멍을만들어투명대를빠져나옴 투명대를빠져나온포배는자궁과접촉 자궁내막은복합당, 콜라켄 (collagen), 라미닌 (laminin), 피부로넥틴 (fibronectin), 하이알루론산 (hyaluronic acid), 황화헤파린수용체 (heparin sulfate receptor) 로구성된세포외기질로포배를부착 자궁벽에포배가뭍힘
포유류의낭배형성 포유류는난황이거의없음에도조류와파충류의낭배형성과정을보존하고있음 모체내에서배아의발생 : 포유류배아는모체에서직적영양분을공급받음 태반의융모막 (chorion) 세포영양막에서기원하며안쪽세포덩어리에서유래된중엽세포로보충됨 자궁에서태반의모계부분인탈락막 (decidua, 혈관이풍부하게분포하고배아에산소와영양분을공급 ) 형성유도 안쪽세포덩어리는일차적으로 2 개층으로형성 : 아래층 초기내배엽 (primitive endoderm) 또는내장내배엽 (visceral endoderm) 이불리우는하배엽 (hypoblast) 하배엽은안쪽세포덩어리에서분층하여포배강에나열한후배외내배엽 (extraembryonic endoderm) 으로발달하며이후난황주머니를형성. 조류와동일하게태어날개체의어떤부위도만들지않음
위층 상배엽 (epiblast). 상배엽은작은틈으로갈라져배상배엽 (embryonic epiblast, 실제배아로발생의모든세포를가지고있음, 조류의상배엽과유사 ) 과양막강 (amnionic cavity, 액체로된양수 (amnionic fluid) 로채워지며발생중인배아에대해충격흡수뿐만아니라배가건조를막아줌 ) 을형성 낭배형성은배아의뒤쪽에서시작되며이부위에서결절 (node, 헨센결절을의미 ) 이형성 포유류의중배엽과내배엽은원조를통해이동 사람의초기배아에서조직과배엽의형성
결절을통해이동한상배엽세포들은척삭을형성. 조류와달리생쥐의척삭을형성할세포들은초기소화관의내배엽에통합되어있는것으로추정. 세포의이동과예정화는 FGF 단백질의협력작용에기인 외배엽의전구체는완전히확장된원조의앞쪽에위치. 사람의경우하배엽자리에내배엽전구체로의교체는임신 14 15 일에일어나고중배엽을형성할세포의이동은임신 16 일이후에관찰 사람의낭배형성과정에서양막의구조와세포이동
흉모막의형성 포유류에있어배외세포들는모체자궁내에서태아가생존하도록태반조직을형성 영양막세포들은초기에분열을왕성하게일어나세포영양막 (cytotrophoblast) 이라는세포집단을형성하고이후세포질분열없이핵분열만하여다핵영양막 (syncytiotrophoblast) 이됨 접촉분자들의도움으로자궁내막에부착 세포영양막은단백질분해효소분비로자궁벽을뚫고들어가모계혈관이배아혈관에잠기도록자궁의혈관을재배열 다핵영양막조직은자궁벽을분해하여배아가자궁벽속으로들어갈수있도록함 세포영양막은국소분비인자를분비하여모계혈관을끌어들이고이혈관은추후영양막세포로나열된혈관으로교체 중배엽조직은낭배형성중인배아밖으로뻗어나옴 난황주머니와함께초기원조에서유래된세포가배외중배엽형성에기여
배외중배엽은영양막의돌출부와합류하여모체에서배아로영양분을운반할혈관생성 배아와영양막조직을연결하는배외중배엽의좁은자루는탯줄 ( 제대 ) 의혈관으로발달 영양막조직과중배엽으로된혈관발생이끝난배외기관을융모막이라함 융모막은자궁벽과합쳐져서태반을형성 ( 자궁내막이변형된모계부위와융모막으로된배아부분 ) 태아는양막에감싸져있으며융모막에의해보호 태아와엄마의혈관계는서로섞이지않지만융모돌기를통해물질교환이일어남 ( 산소와영양분을공급받고이산화탄소, 요소, 노폐물방출 )
포유류앞 - 뒤축의형성 2 개의신호중심 생쥐의상배엽의등쪽면 ( 외배엽 ) 은양막강과접하고있으며상배엽의배쪽면은새로형성된중배엽과접해있음 포유류배아는 2 개의신호중심 ( 결절, 앞쪽내장내배엽 ) 을가짐 배아의머리부분에는 Nodal 신호가없으며동시에 BMP(bone morphogenetic protein), FGF, Wnt 신호를억제 뒤쪽은 Nodal, BMP, Wnt, 레티노산 (Retinoic acid, RA) 이활성화 모든척추동물의앞 - 뒤방향성은혹스 (Hox) 유전자 ( 호메오선택유전자, Hom-C gene, 뒤뇌에서꼬리에이르는몸의부위를결정 ) 발현으로정해짐 ( 앞 - 뒤축에따른몸의각부위는이부위에서발현되는가장뒤쪽의혹스유전자에의해결정되는것을추정 )
결절 (node) 조류의결절과양서류형성체의몸통에해당 몸의모든부위를만들수있는것으로추정되며앞쪽내장내배엽과함께작용하여배아의앞쪽부위를형성 결절의형성은영양막에의존 Chordin 을분비하고머리돌기와 Noggin 을분비하여뇌, 코, 얼굴구조형성 척삭은결절의작은섬모세포가등쪽으로접힘으로형성 앞쪽내장내배엽 (anterior visceral endoderm, AVE) : 앞쪽으로이동한내장내배엽 ( 하배엽 ) 에서기원 상배엽에서 Nodal 의신호를제한하여상배엽앞쪽부위에서머리형성유전자발현을촉진하는중내배엽 ( 결절생성 ) 과상호작용 Nodal 단백질이작용할수없는앞쪽부위를형성
생쥐에서등 - 배및좌 - 우축의결정 등 - 배축 포유류의등 - 배축형성의기작은거의알려진바가없음 등축은영양막과양막강에접촉하는세포안쪽덩어리에서형성 등배축은부분적으로포배의배아 - 비배아축 (embryonic-abembryonic axis) 에의해정해지는것으로추정 좌 - 우축 포유류몸은정확히좌우대칭이아니며사람은심장은배아의정중선에서형성되어흉강의좌측에위치, 혈관은오른쪽으로휘어지고간의우측에치우쳐있고큰창자는우측에서좌측으로관통하며폐는우측이더큼 좌 - 우축형성은전체적인단계와기관 - 특이적단계로조절됨 좌 - 우축형성신호경로는측판중배엽의왼쪽면에서 Nodal 단백질과 Pitx2 전사인자가활성화되고오른쪽에서만 Nodal 의억제인자인 Cerberus 가발현됨. 포유류에서왼쪽과오른쪽의구별은결절의섬모세포에서시작되며섬모는체액을오른쪽에서왼쪽으로흐르게함 ( 운동단백질인디네인 (dynein) 이작용 )
척추동물의낭배형성의특징 1. 내배엽과중배엽의내부화 2. 전체배아를감싸는외배엽의외적 3. 정중선으로내부세포수렴 4. 앞 - 뒤축을따라몸의확장 포유류는난할과낭배형성이어류, 양서류, 조류와다르나동일한축형성을위해서는동일한분자를이용함 (Nodal 단백질기울기로등 - 배축극성확립 )