성게와 피낭류: 후구동물 무척추동물
성게의 초기 발생 : 전할, 방사대칭, 조절적인 발생
성게의 난할 : 방사형 완전난할(radical holoblastic clevage) ⇒ 처음 7번의 분열은 정해진 형식에 따라 진행(4번째 분열 시 동물극은 중할구, 식물극은 대할구와 소할구를 형성. 7번 째 분열이 이루어지면 128개의 세포로 된 포배(blastula 형성). 이후 분열은 불규칙 해짐
포배 형성(9∼10번 분열)
✓성게의 포배 형성은 128 세포기에서 출발
✓속이 빈 공모양의 포배강(blastocoel) 형성
✓소할구의 분열 속도는 느려짐
✓느슨한 결합을 하고 있던 할구들은 단단한 결합을 하며 포배강을 완전히 감싸고 이음매가 없는 상피시트 형태를 이룸
✓세포의 운명이 결정되기 시작하며 섬모충(cilia)으로 발달함
✓식물극의 세포는 두터워지면서 식물판(vegetal plate)을 형성하고 동물극의 세포는 부화효소를 합성 분비하여 수정막을 녹이게 됨 ⇒ 배아는 자유롭게 헤엄을 칠 수 있는 부화된 포배(hatched blastula)가 됨(그림 5.7)
운명지도와 성게 할구의 결정 : 성게 배아에서 60 세포기 무렵이면 대부분의 배아세포 운명은 예정되며 비가역적으로 정해진 것은 아니며 배아의 위치만 바뀌면 다른 종류 의 세포로 분화가 가능함
세포 운명의 결정
✓동물반구 : 피부나 신경세포가 될 외배엽으로 발생
✓veg1 층 : 내배엽 혹은 외배엽 기관으로 갈 세포 생성
✓veg2 층 : 내배엽, 체강(내부의 중배엽 체벽), 2차 간충조직이 될 세포로 발달
✓소할구(식물극에 위치) : 첫 번째 층은 유생의 골격이 될 1차 간충 조직으로 발달 두 번째 층은 체강 세포로 발달
✓배아에서 초기 할구는 정해진 운명을 가지게 되고 대부분의 세포는 조건부 예정화로 결정됨
✓세포의 운명은 이웃한 세포와 상대적인 위치에 따라 정해짐
✓유생의 골편을 형성하는 소할구는 자동적으로 운명이 결정되는 유일한 세포
소할구 예정화의 최초 조절 입력 : Disheveled와 β-카테닌 전사 인자
β-카테닌(β-catenin) ⇒ 세포의 운명을 결정하는 소할구 신호분자로 내배엽 과 중배엽이 될 세포의 핵에 축적됨
식물세포의 예정화
✓veg2 세포는 분자신호로 운명이 결정됨
✓신호 이전에 β-catenin 존재에 의해 내중배엽(endomesoderm) 세포 발달로 유도되며 4번째 난할 후에는 veg2가 초기 신호를 방출하여 endomesoderm 의 예정화가 가속화 됨
✓그 다음 델타(Delta) 단백질은 Notch 신호경로를 활성화 시키고 이로 인해 2 차 간충조직 형성을 유도함
축 예정화
✓포배에서 세포의 운명은 수정 전 알의 세포질에서 확립된 동-식물 축에 따라 나열
✓동-식물 축에서 식물부위가 뒤쪽 발생에 필요한 물질을 격리시킴으로 앞-뒤 축의 구조가 됨
✓입-비입(항문)축(등-배 축)은 첫 번째 분열에서 윤곽이 잡힘 ⇒ 입 외배엽은 TGF- β(Transforming growth factor) 계열의 Nodal 유전자(척추동물에서 좌-우
형태화 단백질 형성)의 발현으로 결정. 비 입 외배엽은 BMP(bone morphogenetic protein)가 촉진됨
성게의 낭배 형성
후기 포배는 속이 빈 공 모양으로 1,000개 정도의 세포로 구성 1차 간충조직의 이입
✓1차 간충조직 세포의 기능
포배가 수정막에서 부화한 직후 소할구에서 유래된 세포집단이 상피조직에서 간충조직으로 전환 시작 ⇒ 이들 세포는 세포와 접착력을 상실한 후 포배강 속 으로 들어간 소할구에서 유래된 세포를 1차 간충조직이라 함
✓1차 간충조직은 유생의 골편을 형성하므로 골편간충조직(skeletogenic
mesenchyme)이라고도 함 ⇒ 사상위족(filopodia)으로 유생골격의 탄산칼슘 침골(calcium carbonate spicule) 축을 형성
포배강 내부에 있는 세포 기저판의 중요성
✓ 포배기 모든 세포 바깥쪽은 하이알린층과 안쪽은 기저층과 연결되어 있음
✓ 포배의 소할구 세포는 대할구, 중할구, 하이알린층과 강하게 결합되어 있지만 기저층에는 약하게 결합
✓ 낭배 시 소할구는 세포들과의 친화력이 약간 감소하고 동시에 기저층에 대한 친화력은 100배 정도 증가
✓ 1차 간충조직 세포는 포배강 벽에 존재하는 세포외기질을 향하여 사상위족을 뻗어 포배강으로 이동
✓ 포배강 적도 부근에 도착하면 이동을 멈추고 골편형성을 준비
✓ 동-식물 축의 특정 지점에서 스스로 원형으로 배열
✓ 골편 형성 시작
원장 함입의 첫 번째 단계
✓1차 간중조직 세포들이 포배의 식물극 부분에서 이동한 후 남아 있는 세포들 은 편평하고 납작해져서 식물판을 형성 ⇒ 세포들은 서로 하이랄린층에 묶 여 있고 간충조직의 이입으로 생긴 빈 공간을 메우기 위해 이동 ⇒ 식물판
은 안쪽으로 구부러지고 1/4 정도가 포배강의 반 정도까지 확장한 후 함입 정지
✓소할구에서 유래된 간충조직과 인접한 내배엽세포는 매우 빠르게 멀리 이동하여 앞창자가 됨
✓내배엽 세포의 그 다음 층은 중간 창자가되고 마지막 원주열의 세포는 뒤창자와 항문을 형성
✓원장(archenteron, 초기 소화관; primitive gut) : 식물극이 함입된 부분
✓원구(blastopore) : 식물극 부위에 위치한 원장의 입구
원장 함입의 두 번째와 세 번째 단계
✓ 함입이 중지된 후 두 번째 단계가 시작됨 ⇒ 원장은 급격히 확장되어 길이가 약 3배(폭이 넓고 짧은 소화관은 얇고 긴 관으로 변화)
✓ 이 과정에서 세포가 앞 방향으로 이동하고 좁고 긴 통로를 만들고자 끼어드는 형상을 수렴확장(convergent extension)이라고 함.
원장의 길이가 늘어나는 세 번째 단계
✓ 원장의 끝 부위에서 출현하는 2차간충조직 세포들이 만드는 장력으로 시작 ⇒ 2차간충조직 세포가 원장을 포배강 끝까지 끌어 당김 ⇒ 2차간충조직 세포들 은 포배강으로 흩어져 중배엽성 기관을 형성 ⇒ 원장에 닿는 포배강의 벽에 입 이 형성 ⇒ 입은 항문과 연결된 소화관을 만들기 위해 원장과 합쳐짐 ⇒ 원구는 항문이 됨 ⇒ 극피동물의 낭배형성은 후구동물 발생의 진화적인 원형 임
✓후구동물(deuterostome) : 처음으로 열리는 부위는 항문이 되고 두 번째로 열 리는 입구가 입이 됨. 원구가 항문이 됨
✓선구동물(protostome) : 원구가 입이 됨
피낭류의 초기 발생 피낭류(멍게)의 난할
✓피낭류에 속하는 멍게는 무척추척삭동물(chordates)임
✓유생시기에만 척삭이 있고 인두열과 내주(갑상선과 유사한 분비선)을 가짐
✓성체가 되면 바닥에 고착하며 신경끈과 척삭이 퇴화되고 피낭섬유를 분비함
✓좌우상칭형 완전난할(bilateral holoblastic cleavage)을 함 좌우상칭형 완전난할(bilateral holoblastic cleavage)
✓첫 번째 분할면이 장차 배아의 좌우축을 구분하는 대칭축이 확립
✓이 대칭면을 따라 난할의 방향이 정해짐
✓ 두 번째 분열은 경할이며 난의 중앙으로 일어나지 않고 2개의 큰 할구는 앞쪽에 뒤쪽은 작은 2개 할구를 형성
✓세 번째 분열에서 할구의 크기와 형태 차이가 더욱 뚜렷해져서 좌우상칭의 형태를 가짐
✓64 세포기가 되면 작은 포배강이 형성되고 낭배 형성은 식물극에서 시작
피낭류의 운명지도
✓ 피낭류의 초기 배아는 자동적으로 운명이 결정됨
✓ 각 할구가 자신의 운명을 결정하는 특수한 종류의 세포질 획득
✓ 수정란의 세포질 부위에 따라 색소가 다르게 분포함
✓ 수정란에는 적도에서 식물극까지 분포하는 황색신월환(yellow crescent)이 형성
✓ 황색신월환은 피낭류의 꼬리근육 대부분을 생성함
피낭류 배아의 자동적 및 조건부 예정화
✓ 자동적 예정화 ⇒ 피낭류의 소화관 내배엽, 근육 중배엽, 피부 외배엽, 신경끈 형성
✓ 유도에 의한 조건부 예정화 ⇒ 뇌, 척삭, 간충조직 세포 등을 형성 근형질의 자동적 예정화 : 황색신월환
✓ 8-세포기 식물극 뒤쪽 세포 한쌍의 할구(B4.1)만이 꼬리 근육 조직을 생성
✓세포질에 존재하는 결정인자(형태발생물질)가 특정 할구로 들어가 어떤 유전자의 발현을 선택적으로 조절하여 특정 조직 형성을 유도 함
✓피낭류의 식물반구에 분포하는 mRNA 중 Macho-1의 유전자 전사체가 있음
✓Macho-1은 피낭류에서 황색신월환의 근육형성 세포질의 중요한 성분으로 척삭 예정화를 억제하고
근육분화를 촉진함
내배엽의 자동적 예정화 : β-카테닌(내배엽 형성 유도) 성게의 내배엽 예정화와 같이
전사인자인 β-카테닌의 분포에 의해 내배엽은 식물극 A4.1과
B4.1 할구에서 기원
내배엽에 의한 간충직과 척삭의 조건부 예정화
✓ 대부분의 근육은 황색신월환 세포질에서 자동적으로 결정되나 뒤쪽 꼬리 근육은 A4.1과 b4.2 할구 후손에서 조건부 예정화로 형성
✓ 척삭, 뇌, 중간 조직층 등의 중배엽은 내배엽 세포가 분비하는 FGF(Fibroblast growth factor, 섬유모세포 성장 인자)에 유도 되는 것으로 추정
✓ Macho-1은 snail 유전자를 활성화시킴(Snail은 다시 Brachyury의 활성화를 억제) 으로 간충직 전구체에서 척삭유도를 차단함.
✓ FGF는 근육 형성을 억제하고 내배엽에서 앞쪽 세포는 착삭이되고 뒤쪽 세포는 간충직이 됨
배아 축의 결정
✓ 피낭류의 축은 매우 빠른 시기에 결정됨
✓ 첫 번째 난할에 앞서 수정란에서 이미 결정되며 등-배 축으로 식물극에 위치한 세포질에 의해 결정됨
✓ 앞-뒤 축은 두 번째로 결정되며 수정란의 세포질 이동 중에 결정
✓ 황색신월환이 형성되는 부위가 유생의 꼬리 쪽
✓ 좌-우 축의 예정화는 달팽이, 성게, 척추동물 등과 같이 Nodal 유전자가 관여 함. 피낭류 신경배에서 Nodal 유전자는 왼쪽면에서만 발현되고, 뇌 소포와 감각색소세포는 뇌의 왼쪽 면에만 분포함
피낭류의 낭배 형성
✓항문이 먼저 형성되는 후구동물
✓포배 이후 식물극의 A8.1과 B8.1 할구가 배아의 중심으로 함입되기 시작 : 함입으로 원구가 형성. 원구 주변 세포는 중배엽이 됨. 원구 입술 앞쪽 부위 세포는 척삭 세포로 발달.
원구 뒤쪽 입술에 위치한 세포는 꼬리 근육 세포로 발달. 원구 측면 입술의 세포는 간충조직으로 발달
✓회절 : 함입 후 중배엽은 원구 입술을 지나 외배엽세포의 기저면을 향해 이동하여 배아의 중앙에 위치
✓외적 : 회절 후 외배엽 세포는 편평해 지며 중배엽과 내배엽을 감싸기 위해 외적 이 일어나고 낭배 형성이 종결되고 배아는 앞-뒤 축을 따라 길어 짐
✓등 쪽의 외배엽세포(예정 척삭세포)는 배아 속으로 함입하여 신경관을 형성
✓신경관의 앞에는 뇌가 형성되고 뒤쪽으로는 척수가 생성
✓예정 척삭세포들은 정중선을 따라 척삭을 형성하며 수렴확장을 통해 앞-뒤축이 형성
✓ 배아의 좌우 측에서는 정중선을 따라 척삭이 형성되며 한 줄로 된 구조를
형성 ⇒ 수렴확장을 통해 앞-뒤 쪽으로 이어지는 축이 형성(척삭동물의 대표적인 특징)
✓꼬리 근육은 신경관과 척삭의 양쪽에서 분화되어 올챙이 형태로 형성
✓복부 좌우 측의 부위에 심장 중배엽이 형성됨. 변태과정에서 꼬리와 뇌는 퇴화되고 성체는 고착 생활을 함
