초기 발생과정 개요
✓ 난할(cleavage) : 수정란이 작은 세포로 쪼개지는 일련의 세포분열
✓ 이 때의 세포를 할구(blastomere)라 함
✓ 포유류를 제외한 대부분 동물에서 세포분열 초기 에는 속도와 할구의 위치가 전적으로 난자에
저장된 단백질과 mRNA에 의해 조절됨
✓ 발생초기 세포 분열은 모계 인자의 영향을 받으며 세포질의 부피는 증가하지 않으며 할구는 분열하면서 계속 작아짐
✓ 세포질 분열은 세포주기에서 성장기(G1과 G2)가 없으며 핵분열 속도는 매우 빠르게 진행
초기 발생: 달팽이류와
선충류의 빠른 운명 결정
난할의 기본 특성
✓수정란의 난할은 유사분열촉진인자(mitosis-promoting factor, MPF)의 활성화로 시작
✓할구는 세포주기의 M기와 S기로만 구성(그림 5.2)
✓MPF(싸이클린 B(cyclin B)와 사이클린 의존성 키나제(cyclin-dependent kinase) 로 구성) 활성 조절 : cyclin B는 S기에 합성 축적되었다가 M기에 소멸되고
cyclin-dependent kinase를 활성화 시키며 히스톤, 핵막의 라민 단백질, 세포질의 미오신의 조절 단백질 인산화 시킴⇒염색체의 응축, 핵막의 붕괴, 방추사 형성
✓cyclin B의 조절자는 난자의 세포질에 존재하며 초기 난할의 세포분열은 핵의 DNA와 무관하게 진행되므로 동시에 매우 빠르고 서로 일치하는 경향을 보임
✓세포질의 조절 단백질이 고갈되면 배아의 핵에서 단백질을 합성하는데 이 시기를 포배 중기로의 이행(mid-blastula transition)이라 함
1. 세포 주기에서 G1과 G2가 더해져 세포가 성장하기 시작함
2. 세포분열의 일치성은 사라지고 세포는 각자의 주기에 따라 분열
3. 배아의 핵에서 새로운 mRNA가 전사되어 낭배 형성에 필요한 단백질 합성. 많은 새로운 mRNA는 세포의 운명 결정에 사용됨
체세포와 초기 할구의 세포주기(양서류)
세포골격의 역할
✓난할은 핵분열(karyokinesis)과 세포질분열(cytokinesis)의 협력과정으로 이루어짐
✓핵분열(karyokinesis) : 유사분열로 튜불린으로 구성된 미세소관으로 이루어진 방추사가 관여함
✓세포질분열(cytokinesis) : 액틴으로 형성된 미세섬유의 수축환이 작용
난할의 유형
✓난할의 유형은 세포질에 있는 난황의 양과 위치, 유사분열 방추사의 각도와 형성 시기에 따라 결정됨
✓식물극(vegetal pole) : 난황이 많은 극
✓동물극(animal pole) : 난황이 적은 극. 핵은 동물극 쪽에 치우쳐 위치하며 난황은 분열을 방해 함
✓등황란(isolecithal) : 난황이 적고 균일하게 분포함. 성게, 포유류, 달팽이 수정란.
분열홈이 난 전체로 확장되며 완전난할(holoblast) 또은 전할(complete clevage)이라 함. 난황이 적어 초기 배아는 빠른 시일 내에 먹이를 섭취해야 함(무척추동물은 유생시기를 거치며 포유류는 태반으로부터 영양분 공급)
✓부분난할(meroblastic clevage) 또는 불완전난할(incomplete clevage) : 많은 난 황을 가지며 세포질의 일 부분만 분열. 난황입자가 막 형성을 방해하여 분열홈 이 세포질의 난황 부위로 침투가 불가능
￮중심황란(centrolecithal) ⇒ 곤충의 수정란으로 난황이 세포 중심에 있어
세포질 분열은 바깥쪽 테두리에서만 일어나는 표할(superficial cleavage)을 함
￮단황란(telolecithal) ⇒ 조류와 물고기 수정란으로 매우 적은 부위에만 난황이 없 으며 세포질분열은 수정란의 한쪽 위치에서 작은 접시 모양으로 일어나는
원반형 난할(discoidal clevage)을 함(그림 5.4)
낭배형성
✓ 중배엽 및 내배엽의 기관을 형성할 세포들은 배아의 안쪽으로 들어감
✓ 피부와 신경계를 형성할 세포들은 배아의 바깥 표면으로 퍼짐
✓ 낭배형성 중에 외배엽, 중배엽, 내배엽으로 된 3종류의 배엽이 처음 생성
✓ 낭배 형성은 몇몇 종류의 세포 이동과 관련 있음(표 5.2)
✓ 함입(invagination) : 세포층이 안으로 접히는 현상
✓ 회절(involution) : 확장된 바깥 층이 안으로 접혀 들어감에 따라 남아 있는 바깥쪽 세포들이 안쪽 표면을 따라 말려 들어가는 이동
✓ 이입(ingression) : 배아의 표면층에서 개별적인 세포들이 안쪽으로 이동
✓ 분층(delamination) : 하나의 세포층이 그와 평행된 2개의 세포층으로 분리. 새로운 세포층 형성
✓ 외적(epiboly) : 세포 하나하나가 개별적이 아니라 하나의 단위로 배아의 안쪽 부위 를 감싸며 이동하는 바깥쪽(외배엽) 세포들의 움직임
축 형성
✓ 난할 과정에서 일어나는 형태화 분자의 불균등 분포 방법
1. 세포골격에 붙어 있던 분자가 세포질을 따라 수동적으로 어느 세포에 배분 2. 세포골격을 따라 능동적으로 특정 세포에 운반
3. 특정한 중심체와 결합하고 있던 분자가 분열할 때 하나의 중심체를 따라 한쪽 세포에 배분
✓ 배아에 있어 몸의 기본이 되는 3개 축
앞-뒤축(anterior-posterior axis) : 머리에서 꼬리로 뻗는 선
등-배축(dorsal-ventral axis) : 등에서 복부로 뻗는 선
좌-우축(right-left axis) : 몸의 두 측면 사이의 선
✓ 대부분의 동물에 있어 난할, 낭배형성의 형태, 세포의 운명결정과 축 결정방식에 있어 공통점 1. 배아 유전자의 신속한 활성화
2. 모계 유전자와 배아 유전자의 산물에 의한 운명의 빠른 결정
3. 상대적으로 적은 수(수 백개)의 세포로 낭배형성 시작
달팽이류의 초기 발생 : 선구동물, 모자이크난
✓나선형 완전난할(spiral holoblastic clevage, 환형동물, 일부 편형동물, 대부 분의 연체동물)
✓방사형 난할과 차이점
1. 분할면이 동-식물 축에 대해 평행 및 수직이 아니며 약간 기울어진 각도로 일어나며 할구를 나선형으로 배열
2. 방사형 난할 배아 보다 많은 지점에서 서로 접촉함
3. 배아는 비교적 적은 횟수의 분열을 한 후 낭배 형성이 시작 포배 단계에서 예정된 각 할구의 운명에 따라 발생
포배는 포배강이 없는 입체포배(steroblastulae)
난할
✓처음 두 번의 분열은 경할에 가깝게 일어남
✓ 많은 종에서 대할구의 크기는 다르며 분열 때 마다 대할구는 동물극 쪽으로 소할구를 출아시킴
✓대부분의 종에서 3 번째 분열시 소할구는 동물극에서 볼 때 오른쪽에 위치
✓4번째 분열시 소할구는 대할구의 왼쪽에 위치
✓처음 4개의 소할구는 머리구조로 발달
✓두 번째 4개의 소할구는 평형낭(statocyst)과 껍질이 됨
✓이들 세포의 운명은 세포질의 분포와 유도에 의해 결정
✓ 왼쪽 혹은 오른쪽으로의 분할면 방향은 난자의 세포질 인자에 의해 결정 (그림 5.6)
달팽이의 운명지도 : 그림 5.8
극엽(polar lobe) : 세포 결정과 축 형성
✓ 연체동물은 형태발생 결정인자가 난자의 특정 부위의 세포질에만 분포
✓ 할구의 운명이 자동적으로 결정되는 모자이크 발생(결정난할, 선형돌물, 환형동물, 연체동물)
✓전사인자와 국소분비 mRNA는 중심체와 결합하고 있어 난할 시 특정할구만이 극엽을
가짐
✓형태화 분자가 난의 특정 부위에만 붙어 있는 극엽(polar lobe)을 형성
✓나선형 난할을 하는 배아는 첫 번째 분열 직전에 세포질 일부가 돌출되어 극엽이 생성
✓첫 번째 분열시 수정란은 불균등하게 쪼개지며 극엽은 CD 할구에 붙음
✓2세포기 배아는 극엽으로 인해 3개의 잎사마귀 구조를 형성하여 삼엽상(trefoil-stage)배아 형성
✓ 극엽은 두 번째 분열 후 D 할구에 흡수됨
✓ 극엽은 세포질이 중배엽(근육, 심장, 패선, 부속지)과 내배엽(기관, 창자) 결정자
를 가지고 있으며 극엽이 제거되면 세포는 정상적으로 분열하지만 불완전한 유생으로 발생(그림 5.12)
연체동물의 극엽이 정상발생에 있어서의 역할
1. 극엽은 적절한 난할 리듬과 D 할구의 분열 방향의 결정자를 가짐 2. 중배엽과 창자로
자동적인 분화를 하게 하는 인자가 존재
3. 패선과 눈의 형성을 유도하는 능력이 있음 4. 배아의 등-배 축을
결정하는 결정자 함유
달팽이의 낭배 형성
✓ 입체포배는 작음
✓각 할구의 운명은 이미 D 할구에 의해 결정됨
✓낭배 형성은 동물극의 소할구가 식물극의 대할구 보다 빨리 자라 전체 배아를 덮게 되고 식물극 쪽에 작은 틈(원구)이 형성됨
✓원구가 입이 됨(선구동물)
Glochidium
선충류의 초기 발생
꼬마선충의 실험 동물로 장점
✓ 크기가 1mm 정도인 작은 크기의 토양 선충
✓ 배아발생과정이 약 16시간으로 매우 빠름
✓ 성체는 자웅동체로 정자와 난자를 동시에 가지며 자가수정 및 타가수정을 함
✓ 성체의 꼬마선충은 959개의 세포로 구성되어 있으며 세포계보는 개체간의 변이가 거의 없이 항상 일정
✓ 유전자는 18,000∼25,000개를 가지며 사람은 약 20,000∼25,000개 임
꼬마선충의 세포 계보도
앞-뒤 축 형성
✓타원형 알에서 긴 축은 성체의 앞-뒤 축을 정함
✓앞과 뒤의 결정은 정자 전핵의 위치에 의함 (정자의 전핵이 위치하는 곳이 뒤쪽이
됨) 정자의 중심체는 축 형성의 시작에 필수적임
✓등-배 및 좌-우 축의 형성 : 등-배 축은 AB 세포 분열시 4 세포기에서 ABp 할구는 EMS 할구에 위에 위치 하며 배아 등 쪽 발달을 유도하고 EMS세포는 근육과 소화관의
전구체로 배아의 복부로 발달
✓좌-우 축은 12 세포기에 결정되며 MS 할구가 ABa에서 유래한
세포와 접촉할 때 몸 의 오른쪽과 왼쪽이 구분
2-세포기 배아에서 P1 할구에 PIE-1 결정자 격리
할구 정체의 조절
✓AB 할구의 운명은 조건부이며 P1 세포의 후손과의 접촉이 필요함
✓ 자동적 예정화
￮ P1 세포 계보의 결정은 자동적이며 세포의 운명은 세포질 인자에 의해 결정
￮ P1에서 유래한 전사인자(형태발생결정자)는 SKN-1, PAL-1, PIE-1 등이 있으 며 이들은 P1에서 유래된 MS, E, C, D 세포의 운명을 결정함
￮ SKN-1 : EMS 할구의 운명을 조절하는 모계 단백질. 특정 할구로만 배분되는 세포질의 모계 인자로 인두세포(인두근육)의 운명을 자동적으로 결정
￮ PAL-1 : P1 계보 세포의 분화에 필요
￮ PIE-1 : 생식세포의 예정화에 필요
✓ 조건부 예정화
￮ 내배엽 세포계보의 발생 과정에서 나타남
￮ 4-세포기에 EMS 할구는 인접한 P2 할구의 신호를 필요로 함
￮ P2 할구는 EMS에 작용할 신호를 만들어
EMS의 딸세포 중 하나에 E 할구가 되도록 명령
￮ P2 세포는 ABp 세포에 신호를 보내 ABa와 구별하고록 함
￮ ABa는 신경세포, 하피 및 앞쪽 인두 세포로 발달
￮ ABp는 신경세포와 하피만 생성
￮ P2할구는 ABp 할구의 운명을 자신의 자매 할구와 다르게 제한하여 선충의 등-배 축 형성을 시작하도록 함
꼬마선충의 낭배 형성
✓ 낭배 형성은 26-세포기 배아에서 P4 세포가 생성된 직후 빠르게 진행
✓ E 세포의 딸세포(Ea, Ep)는 배의 중앙에서 등 쪽으로 이동 ⇒ 원구가 생성
분열하여 20개의 세포로 구성된 소화관 형성 ⇒ 생식세포 전구체인 P4 세포의 후 손이 원구를 통해 안 쪽으로 이동하여 초기 소화관 아래에 위치 ⇒ 중배엽 세포들 의 이동(MS 세포 후손은 원구 앞쪽에서 안으로 이동, C와 D 세포에서 유래된 세 포들은 근육전구체로 원구
뒤쪽 면에 들어가 소화관
좌우측 면에 위치) ⇒ 수정 후 6 시간이 경과하면 인두가 될 AB 세포에서 유래한
세포들이 안쪽으로 이동하고 하피의 전구체인
하배엽세포는 외적에 의해 복부로 이동하고 원구는 닫힘
⇒ 세포의 이동으로 기관이 발달하고 공 모양의 배아는 벌레 모양으로 길어 짐 ⇒ 558개 세포가 되면 부화함 ⇒ 4번의 탈피 거쳐 959개의
체세포를 가진 성체가 되며 성적으로 성숙
