유전자의 수직적 전달 : 세포분열
세포 분열(細胞分裂, cell division)은 하나의 모세포가 분열하여 2개 또는 그 이상의 딸세포로 나뉘는 과정이다. 세포 분열은 주로 세포 주기의 한 부분으로 발생한다. 진핵생물의 세포 분열은 각 딸세포가 모세포와 유전적으로 동일한 체세포분열과 딸세포의 염색체 수가 반으로 줄어들어 홑배수체 생식자를 만드는 생식적인 세포 분열인 감수분열로 2가지로 구분된다. 세포생물학에서 체세포분열(mitosis)이란 세포 주기의 한 부분으로, 복제된 염색체가 2개의 새로운 핵으로 분리되는 과정이다. 세포 분열은 전체 염색체 수를 유지하면서 유전적으로 동일한 세포를 만든다. 일반적으로 체세포분열 이전에 사이기(간기) 중 한 단계인 S기(DNA가 복제되는 시기)가 일어나며, 체세포분열 이후에는 한 세포의 세포질, 세포소기관, 세포막이 2개의 새로운 세포로 분리되는 말기와 세포질분열이 일어난다. 체세포분열의 각 단계를 통틀어 분열(M)기라고 한다. 감수분열의 경우 DNA 복제를 한 번 한 뒤 2번의 분열을 거치며 4개의 홑배수체 딸세포를 만든다. 이때 첫 번째 분열에서 각 상동 염색체 쌍이 분리되며, 두 번째 분열에서 각 복제된 염색체가 분리된다. 이 두 번의 세포 분열 주기는 생식 과정에 사용되며, 이는 마지막 진핵생물의 공통 조상에 존재했을 것이라고 여겨진다.
원핵생물(박테리아와 아키아)는 대개 이분법이라고 알려진 세포 분열을 통해 증식하며, 유전 물질을 2개의 딸세포에 동등하게 나누어준다. 대부분의 원핵생물이 이분법으로 분열하지만, 일부는 싹틈(옛 용어: 출아법)을 통해 세포 분열을 진행하기도 한다. 생명체와 상관없이 모든 세포 분열은 DNA 복제 이후에 일어난다.
아메바와 같은 단세포 미생물에서 세포 분열이 한 번 진행되는 것은 새로운 하나의 생명체가 만들어지는 생식과 같다. 더 큰 규모에서 체세포분열은 꺾꽂이로부터 자라는 식물과 같이 다세포 생물의 자손을 만들어주기도 한다. 체세포분열은 유성 생식을 하는 생명체가 하나의 세포로 이루어진 접합자(zygote)로부터 발생할 수 있게 하며, 감수분열을 통해 접합자를 만드는 생식자(gamete)를 만들 수 있도록 해준다. 세포 분열은 생명체가 성장한 이후에도 끊임없이 생명체를 구조를 유지하고 치유한다. 사람의 몸은 일생 동안 대략 1000조 번의 세포 분열을 경험한다.
세포 분열의 주요 관심은 원래의 세포 지놈(유전체; genome)을 유지하는 것이다. 분열이 일어나기 전 염색체에 저장된 지놈 정보는 반드시 복제되어야 하며, 복제된 지놈은 세포 분열 시 깔끔하게 나누어져야 한다. 이를 위해 세포를 유지하는 기반 대부분은 세대 사이에서 유전 정보를 일정하게 유지하는 데 관여한다.
⑴ 세포분열의 종류
① 유사분열 : 체세포분열
○ 수정란에서 개체 발생, 상처회복, 조직 및 기관의 생성 및 생장
○ 딸세포는 모세포와 유전적으로 동일 : 돌연변이가 없다는 전제
○ 유사분열이 활발한 기관 : 골수, 혈액, 비장, 간, 피부
○ 유사분열이 활발하지 않은 기관 : 방광, 근육, 지방
○ 무성생식(asexual reproduction)의 증식 방법
② 감수분열 : 생식세포분열
○ 이배체 생물이 유성생식에 필요한 배우자를 만들기 위한 분열
○ 염색체의 수가 반으로 감수 → 딸세포는 반수체(n)
○ 유성생식(sexual reproduction)의 증식 방법
③ 염색체 및 자매염색분체의 개수 (감수분열 기준)
⑵ 분열기와 간기
① 간기(interphase) : 대부분의 세포주기
○ G는 gap 혹은 growth의 약자이고, S는 synthesis의 약자
○ G1기 : 세포 성장과 세포소기관 증식
○ S기 : DNA 복제, 중심립 복제, 히스톤 단백질 합성. 염색체 46개, 자매염색분체 92개 / cell
○ 동물세포의 경우, 중심립(centriole) 2개가 한 개의 중심체(centrosome)를 형성하므로, 최종 4개 중심립
○ 식물세포의 경우, 최종 2개 중심립
○ G2기 : 세포 분열에 필요한 단백질(예 : 튜불린) 합성
○ PCNA assay : G1기와 S기의 세포를 탐지함
② 분열기(M기, mitotic phase)
○ 핵 분열기 : 염색체들이 양극으로 이동
○ 세포질 분열기 : 세포질이 두 개로 분리되면서 2개의 딸 세포 생성
③ 세포융합 실험
| 융합 전 세포주기 상태 | 융합 후 핵의 상태 | ||
| 세포 A | 세포 B | 핵 A | 핵 B |
| S기 | G1기 | DNA 복제 정상 진행 | DNA 복제 즉시 개시 |
| S기 | G2기 | DNA 복제 정상 진행 | G2기에 머물러 있음 A의 DNA 복제가 끝난 후 분열 |
| M기 | G1기 | 분열 | 염색체가 조기 응축 |
| M기 | G2기 | 분열 | 염색체가 조기 응축 |
| G1기 | G2기 | S기로 정상 진행 | M기로 정상 진행 |
세포융합 실험 결과
○ S기의 세포에는 G1기 핵을 S기로 전이하는 것을 촉진하는 물질 有
○ S기의 세포에는 G2기 핵을 M기로 전이하는 것을 억제하는 물질 有
○ G2기의 세포에는 G1기의 핵을 S기로 전이하는 것을 촉진하는 물질 無
○ M기의 세포에는 유사분열 유도인자 有
⑶ 유사분열(mitosis) = 핵분열(1회) + 세포질분열
① GFP(green fluorescent protein)
○ 세포내 유전자 발현의 위치나 정도를 알려주는 리포트 단백질
○ 살아 있는 세포의 상태로 관찰이 가능하여 많이 이용되는 해파리 유래 단백질
② 전기(prophase) : 염색체 46개, 자매염색분체 92개 / cell
○ 인 소실, 염색사 응축, 염색체 형성
○ 자매염색분체끼리 코헤신이 묶고 있다가, 동원체를 제외한 부위의 코헤신이 녹아버림
○ 중심체로부터 방추사(mitotic spindle) 생성
③ 전중기(prometaphase) : 염색체 46개, 자매염색분체 92개 / cell
○ 핵막 소실 : 전중기는 핵막소실 이후의 단계
○ 방추사의 미세소관이 염색체에 도달
○ 핵막이 소실돼야 방추사가 미세소관에 도달할 수 있음
○ 염색체 이동
○ 방추사가 미세소관에 도달해야 염색체를 이동시킬 수 있음
④ 중기(metaphase) : 염색체 46개, 자매염색분체 92개 / cell
○ 방추사가 완전히 완성
○ 모든 염색체가 세포의 적도판(equatorial plate)에 배열
○ 두 자매 염색분체의 동원체가 서로 반대방향의 극을 가리킴
⑤ 후기(anaphase) : 염색체 92개, 자매염색분체 92개 / cell
○ 세파라제에 의해 동원체 분리
○ 자매 염색분체들이 동원체 방추사 상의 디네인을 타고 서로 반대편 극 쪽으로 이동
○ 동원체 방추사 : 튜불린 특성상 (-)극은 미세소관 분해가 일어나고 (+)극에서 디네인의 빠른 분해가 일어남
○ 극성 방추사의 길이가 계속 길어짐에 따라 세포가 신장
⑥ 말기(telophase) : 염색체 92개, 자매염색분체 92개 / cell
○ 세포 신장은 계속됨
○ 각 극에서 염색체 주위에 핵막이 형성 → 핵 형성
○ 인 재형성, 방추사 소실
○ 염색체는 풀어져 염색사가 됨
⑦ 세포질 분열(cytokinesis) : 세포질 분열은 핵분열과 독립적으로 일어남
○ 세포질이 반으로 분리
○ 식물세포의 세포질분열 : 원심적 분열
○ 골지체에서 나온 골지소낭이 중기판 위치에 세포한 구성물질을 분비해서 세포판 형성
○ 세포판(cell plate) : 세포판은 비셀룰로오스성 탄수화물 섬유질인 펙틴으로 구성됨
○ phragmoplast를 따라 소낭이 이동 : phragmoplast는 미세소관, 미세섬유, 소포체 일부로 구성
○ 동물세포의 세포질분열 : 구심적 분열
○ 1st. 두 딸 세포 사이에 미세필라멘트 고리의 응축
○ 2nd. 원형질 만입(cleavage furrow) : 난할 홈이라고도 함
○ 3rd. 밖 → 안의 세포질 분리
○ 이러한 수축환(contractile ring)은 RhoA에 의해 조절됨
⑧ 세포분열 종료 : 염색체 46개, 자매염색분체 46개 / cell
⑨ 세포분열에 영향을 주는 물질
○ mitogen : DNA 합성과 세포분열을 일으키는 물질
○ 세포분열 억제제 : 아래 "유도 돌연변이" 참고
⑩ 각 단계별 마커 유전자
○ G1/S기 : CEP57, CDCA7L
○ S기 : ABHD10, CCDC14, CDKN2AIP, NT5DC1, SVIP, PTAR1 -
○ G2기 : ANKRD36C, YEATS4, DCTPP1
○ G2/M기 : SMC4, TMPO, LMNB1, HINT3
○ M기 : HMG20B, HMGB3, HPS4
○ G0기 : CDKN1A, CDKN1B, CDKN1C
⑷ 감수분열(meiosis) = 제1 감수분열(상동염색체 분리) + 제2 감수분열(반수체의 유사분열)
출처 : 이미지 클릭
Figure. 4. 감수분열 과정
① 전기 Ⅰ (prophase Ⅰ) : 염색체 46개, 자매염색분체 92개 / cell
○ 1st. 염색체는 응축하고 더 조밀해짐. 핵막 소실
○ 2nd. 상동염색체간 교차에 의해 상동염색체끼리 약하게 결합
○ 3rd. 접합(synapsis) : SP(synaptonemal complex)에 의해 염색체끼리 강하게 결합
○ 4th. 상동염색체 쌍 사이에 교차로 인한 유전정보 교환 발생
② 중기 Ⅰ (metaphase Ⅰ) : 염색체 46개, 자매염색분체 92개 / cell
○ 4분 염색체가 적도판에 배열
③ 후기 Ⅰ (anaphase Ⅰ) : 염색체 46개, 자매염색분체 92개 / cell
○ 4분 염색체가 각 상동염색체의 쌍(2분 염색체)으로 분리되고, 서로 반대방향의 극으로 이동
○ (참고) 4분 염색체 : 염색체 2개, 2분 염색체 : 염색체 1개
④ 말기 Ⅰ (telophase Ⅰ) + 세포질 분열 : 염색체 46개, 자매염색분체 92개 / cell
○ 일부 생물에서 핵막이 재형성되지만, 사람은 그렇지 않음
○ 각각의 핵은 반수체(n)가 됨
⑤ 제Ⅰ 세포분열 종료 : 염색체 23개, 자매염색분체 46개 / cell
⑥ 전기 Ⅱ (prophase Ⅱ) : 염색체 23개, 자매염색분체 46개 / cell
○ 간기(염색체 복제 등) 없이 제2 감수분열이 시작
○ 염색체는 응축하고, 조밀해짐
○ 만약 핵막이 형성되었으면, 다시 사라짐
⑦ 중기 Ⅱ (metaphase Ⅱ) : 염색체 23개, 자매염색분체 46개 / cell
○ 2분 염색체가 적도판에 배열
⑧ 후기 Ⅱ (anaphase Ⅱ) : 염색체 46개, 자매염색분체 46개 / cell
○ 자매염색분체가 분리됨
○ 한 쌍의 상동염색체가 서로 반대 방향의 극으로 이동
⑨ 말기 Ⅱ (telophase Ⅱ) : 염색체 46개, 자매염색분체 46개 / cell
○ 염색체가 각각의 극으로 이동한 뒤, 염색체 주위로 핵막이 형성됨
⑩ 제 Ⅱ 세포분열 종료 : 염색체 23개, 자매염색분체 23개 / cell
⑪ 교차(crossing over)
○ 교차 : 상동염색체의 분체들 사이에 발생하는 부분적 유전자 교환으로 새로운 형태의 염색체가 형성되는 현상
○ 교차점(chaisma)
○ 교차율 : 고전유전학에서는 유전자 간 거리와 결과적으로 교차될 확률이 비례한다고 가정
○ 1회 감수분열에서 약 30번의 교차가 일어남
⑫ 무작위 정렬 : 제1 감수분열 동안 각 쌍의 상동염색체들의 정렬과 분리는 독립적이므로 다양한 생식세포 생성
⑬ 개인의 유전정보 다양성(인간)
○ 제1 감수분열 결과 생성된 생식세포의 염색체 다양성 : 223 +교차
○ 수정란의 염색체 다양성 : (223 + 교차) × (223 + 교차)