제 7 장 세포분열

1. 세포분열과 세포주기 1-1. 이분법과 체세포분열 1-2. 암세포

2. 원핵생물, 미토콘드리아, 색소체는 이분법으로 분열한다.

2-1. 원핵생물

2-2. 미토콘드리아와 엽록체

3. 진핵세포는 핵분열과 세포질 분열을 한다.

3-1. 핵과 염색체

3-2. 세포주기 : 간기 동안에 세포분열을 위한 준비를 한다.

1)간기(interphase) ∼ G₁기, S기, G₂기의 3기로 이루어져 있다.

2) 분열기(meiosis) : 유사분열은 4단계로 구성된다.

3) 세포질 분열 : 세포질이 딸세포에게 나누어진다.

제 7 장 세포분열

제 7 장 세포분열

현재는 200여 가지 이상의 암이 사망의 주원인이 되었다.

1950년대 미국의 국립 암센터는 항암작용이 있는 식물 추출물을 찾아내는 프로그램을 시작 하였다.

수 백 종류가 암세포의 성장을 다소 억제하는 효과가 있는 것으로 밝혀졌다.

두 가지 중요한 성공사례로 일일초와 태평양 주목에서의 항암 물질 발견을 들 수 있다.

일일초는 70가지 이상의 알칼로이드를 함유하고 있으며 이 들 중 빈크리스틴과 빈브라스틴이라는 두 종류의 알칼로이 드가 화학요법에 사용되었다.

빈크리스틴은 소아백혈병 치료에 사용,

빈브라스틴은 호지킨병과 같은 림프계 암의 치료에 이용.

태평양 주목과 영국 주목의 수피에서는 항암제인 탁솔이 추 출되었다.

이러한 탁솔은 난소암과 유방암의 치료에 효과가 있다.

일일초

우리 몸속의 암은 세포가 비정상적으로 되어 급속히 분열함으로써 생긴다.

빈크리스틴과 빈브라스틴 및 탁솔은 이런 통제 불가능한 세포분열을 멈추게 함으로써 항암 효과를 낸다.

통제 불가능한 세포분열을 어떻게 멈추게 하는가는 정상적인 세포분열 과정을 이해해야 한다.

본 장에서는 항암물질들이 통제 불가능한 세포분열을 어떻게 멈추게 하는가?

그리고 원핵생물과 식물에서 정상적인 세포분열 과정에 초점을 맞추었다.

1. 세포분열과 세포주기

모든 생물체는 세포로 구성되어 있으며, 모든 세포는 세포주기(cell cycle)라는 과정이 있다.

세포주기의 대부분은 간기라고 하는 과정,

그 뒤를 이어 짧은 세포분열 과정이 있다.

세포주기의 간기

“모세포”가 세포막, 미토콘드리아, 엽록체 등과 같은 세포소기관을 포함한 모든 세포구성 성분들과 DNA에 있는 유전정보들을 복제하는 상당히 긴 시기가 있다.

세포분열

모세포가 두 개의 “딸세포”에게 복제한 성분들을 나누어 주는 비교적 짧은 시기가 있다.11

1-1. 이분법과 체세포분열

1) 이분법

원핵생물(박테리아와 고세균)과 원생생물(진핵세포인 단세포)의 경우 문자 그대로 모세포가 두 부분으로 나누어지는 세포분열을 하며, 이를 통해 개체수를 증가시킨다.

이러한 무성생식을 이분법(binary fission)이라 한다.

2) 체세포분열

식물이나 동물과 같은 다세포 진핵생물의 세포분열은?

개체의 크기를 크게 하거나, 손상된 세포를 대체한다.

딸세포와 모세포가 똑 같은 두 개의 세포를 만드는데 이러한 종류의 세포분열을 체세포 분열이라고 한다.

1-2. 암세포

세포주기나 세포분열에서의 질서정연한 과정에 어떤 잘못이 생기고 그 결과로 돌연변이나 유 전물질에 어떤 변화가 생기면 정상세포가 암세포로 된다.

이러한 돌연변이는

자연적으로 발생하거나,

방사선이나 발암물질에 노출되어 생긴다.

식물에도 암과 같은 종양이 생긴다.

토양 박테리아인

Agrobacterium tumefaciens

이 박테리아는 식물체에 침입하여 근두암종병이라는 종양을 형성하게 한다(그림 7.1).

그림 7.1

Kalanchoe

2-1. 원핵생물

원핵생물인 진성세균과 고세균은 세포주기를 가지고 있으며, 이분법으로 번식한다.

원핵생물은 두 가닥으로 된 고리모양의 DNA로 이루어진 한 개의 환상 염색체를 가지고 있다.

이러한 환상염색체는 각 염색체를 한 부만 가지고 있으므로 그 게놈을 반수체라고 한다.

1) 원핵생물의 염색체

그림 7.4 박테리아 DNA의 배열.

박테리아의 염색체는 환상의 DNA 분자이므로 때로는 하 나의 원으로 나타내기도 하지만(a), 실제는 “슈퍼코일” 형 태로 DNA가 꼬여져 있다(b).

원핵생물의 염색체는 세포 내의 다른 부위와 뚜렷이 분리되는 핵양체(nucleoid)라고 하는 특 정 부위에 모여 있는 경향이 있다(그림 7.2).

그림 7.2 박테리아의 핵양체 부위.

분열 중인 박테리아의 전자현미경 사진에서 핵양체가 양쪽에 있으며, 그 사이에 격벽이 생기고 있음을 볼 수 있다.

2) 대장균(

E. coli

원핵생물인 대장균(

E. coli

단백질의 유전정보에는 평균 약 1,000개의 염기쌍이 필요하므로 대장균의 DNA 전체가 단백 질의 암호가 될 경우 4,700개의 구조유전자를 가지게 된다.

이 유전체의 크기는 원핵생물로서는 크지만 진핵생물과 비교해 볼 때 작다(표 6.1참조).

만약 살짝 터진 상태의 대장균의 전자현미경표본이 만들어지면 세포 밖으로 쏟아져 나온 DNA를 볼 수 있다(그림 7.3). 이 DNA를 한 줄로 펼치면 길이가 약 1㎜ 정도 된다.

그러나 이 DNA는 직경이 약 0.5㎛, 길이가 대략 1～2㎛인 세포 내에 들어 있어야 하므로 DNA는 아주 많이 꼬여 있게 되고 단백질 분자가 그 꼬임을 안정시킨다(그림 7.4).

그림 7.3 대장균의 DNA.

세포가 터져서 DNA(인위적으로 색을 넣은 전자현미경 사진에서의 황색 부분) 가 쏟아져 나왔다.

3) 원핵생물은 이분법으로 번식한다.

a. 박테리아 세포의 염색체는 세포막에 붙어 있다.

b. 박테리아 염색체는 먼저 2개의 딸 염색체를 만들기 위해 복제된다(그림 7.5).

복제된 후 각각의 딸 염색체는 세포막의 안쪽 주름에 부착되어 있으며, 세포가 신장됨에 따라 두 개의 염색체는 분리되기 시작한다.

c. 세포가 모세포 크기의 약 2배가 될 때까지 두 부착점 사이 부분이 늘어난다.

d. 세포가 신장되어 딸 염색체가 분리된다(붉은 화살표). 그 뒤 세포벽과 세포막이 안쪽으로 함입되어 격벽을 형성한다(그림 7.2).

e. 마침내 2개의 딸세포는 각각의 염색체를 가진 독립된 세포로 분리된다.

최적온도와 최적영양조건 하에서 대장균은 약 20분 만에 분열을 끝낸다.

그림 7.5 박테리아의 이분법.

2-2. 미토콘드리아와 엽록체

1) 미토콘드리아나 엽록체는 원핵세포와 같이 이분법으로 증식한다.

진핵세포에서 볼 수 있는 미토콘드리아나 엽록체와 같은 세포소기관은 원핵세포에서 유래 되었다.

즉 세포 호흡의 장소인 미토콘드리아와 광합성의 장소인 엽록체는 이분법으로 증식한다.

2) 미토콘드리아나 엽록체는 한 개 이상의 염색체를 가지고 있다.

식물체에는 세포 당 수 백～수 천 개의 미토콘드리아를 가지고 있으며, 엽록체는 대부분 40～50개 정도를 가지고 있다.

3) 미토콘드리아와 엽록체에서의 세포분열 과정

이분법의 과정에서 미토콘드리아 DNA가 복제되어 딸 염색체는 미토콘드리아 내막의 다른 지점에 부착된다.

엽록체의 경우 색소체 막에 깊은 주름이 나타나는 것이 특징이다(그림 7.6).

색소체의 분열은 종종 진핵인 숙주세포의 분열과 동시에 일어난다.

그림 7.6 녹조류

Coleochaete

이 세포에서 엽록체는 이분법에 의해 분열하 고 있다(화살표 머리). 핵분열도 일어나고 있 다.

3. 진핵세포는 핵분열과 세포질 분열을 한다.

진핵세포의 핵분열과 세포질 분열은 원핵생물에서보다 훨씬 더 복잡하다.

3-1. 핵과 염색체

진핵세포의 핵은 핵분열에서 염색체 내에 있는 유전물질을 복제하여 두 딸핵에게 복제된 염 색체를 똑같이 나누어 준다.

핵분열 뒤에 세포질분열이 일어난다.

진핵세포가 원핵세포보다 약 1,000배 정도 더 많은 DNA를 가지고 있기 때문에 복제된 유전 물질을 정확하게 배분하는 과정은 원핵생물보다 진핵생물이 훨씬 더 복잡하다.

1) 핵

진핵생물의 핵은 많은 양의 유전물질뿐만 아니라 핵막도 가지고 있다.

핵막이 염색체를 둘러싸서 염색체를 세포질로부터 격리시킨다.

또한 핵막에 있는 핵공에서 분자의 출입을 조절함으로써 염색체를 분해할 수 있는 효소로부 터 염색체를 보호한다.

2) 염색체

(1) 염색체의 형태

진핵생물의 DNA는 긴 선형의 분자로서 히스톤이라는 단백질과 결합하여 뚜렷한 형태의 염 색체를 이루고 있다.

a. DNA가 히스톤 단백질 주위를 감아서 뉴클레오솜(nucleosome) 이라고 하는 실패 모양의 소단위체를 만든다.

b. 뉴클레오솜은 다시 질서정연하게 배열하여 더 굵은 실 모양을 이루게 되고(그림 7.7a), c. 이것이 다시 코일 모양으로 꼬여서 마침내 광학현미경으로 볼 수 있는 염색체 형태로

압축된다(그림 7.7b).

그림 7.7 뉴클레오솜과 염색체 구조.

(a)진핵세포에서 DNA가 히스톤이라고 하는 단백질 주변을 감아 뉴클레오솜이라 부르는 실패 모양의 구조를 이룬다.

(b) DNA와 뉴클레오솜이 묶여져서 실 모양이 된다. 다시 이 실이 꼬여서 염색체로 된다.

주요작물의 염색체 수

작 물 명 염색체수(2n) 작 물 명 염색체수(2n )

작 물 명 염색체수(2n)

벼 24 토마토 24 오이 14

보리 14 감자 36, 48, 96 호박 48 밀 42, 28, 14 양파 16 무 18

옥수수 20 수박 22 양배추 18

인삼 48 배추 20 딸기 56(2n=8x) (2) 상동염색체

인간은 46개의 염색체를 가지며, 밀은 42개, 양배추는 20개의 염색체를 가진다. 이들 세포가 분열할 때 각각의 딸세포는 각 염색체를 1부씩 받아야 한다.

같은 수의 염색체를 가지고 있는 종들이 소수 있으나, 염색체 수는 종의 특징이 된다.

식물과 동물을 포함한 많은 진핵생물에서 각 염색체는 쌍으로 존재한다.

밀은 21쌍으로 된 42개의 염색체를 가지고 있고, 양배추는 9쌍으로 된 18개의 염색체를 가지고 있다.

따라서 각 염색체가 한 쌍씩 있는 진핵세포는 이배체(diploid)이다. 이와 같이 한 쌍을 이루는 염색체를 상동염색체라고 한다.

3-2. 세포주기 : 간기 동안에 세포분열을 위한 준비를 한다.

진핵세포에서 세포주기는 반복되는 일련의 과정들로 구성되어 있다.

하나의 세포주기란 한 개 세포가 분열하기 시작해서 다음 분열이 시작될 때까지 이다.

진핵세포의 세포주기는 원으로 나타낼 수 있다(그림 7.8).

세포주기는 긴 간기(interphase)와 짧은 분열기(M기)로 나누어진다.

분열기(M기)는 핵분열과 세포질 분열로 이루어진다.

간기는 G₁기, S기, G₂기로 나누어진다.

그림 7.8 세포주기.

세포는 세포주기의 대부분을 간기 상태로 보낸다. 간기는 3기 로 이루어져 있다. G₁기는 세포 내 구조물이 집중적으로 합성 되는 시기이다. S기에는 DNA가 복제된다. G₂기에서 세포분 열을 위한 준비가 완료된다.

1) 간기(interphase) ∼ G₁기, S기, G₂기의 3기로 이루어져 있다.

(1) G₁기는 분자와 구조물을 집중적으로 합성하는 시기이다.

G₁기 동안 세포는 크기가 커지고 효소와 리보좀 및 막계를 합성한다.

색소체와 미토콘드리아와 같은 세포소기관도 이 시기에 증식된다.

미세소관이 단백질로부터 조립된다.

골지체, 소낭, 액포 등은 지질과 단백질로 만들어 진다.

세포분열 전 핵의 이동과 격막형성질이 형성된다(그림 7.9).

그림 7.9 세포분열 전 핵의 이동과 격막형성질의 형성.

(a) 분열하지 않은 식물세포에서 핵은 종종 세포의 가장자리에 치우쳐 있다. 많은 세포는 한 개의 큰 액포 를 가지고 있다. (b) 세포분열 전에 핵이 세포의 중앙으로 이동하고 몇 갈래의 세포질이 핵을 그곳에 고정시 킨다. (c) 세포가 분열되는 면에 미세소관과 액틴 필라멘트로 된 격막형성질이 형성된다. 격막형성질은 편 평한 하나의 얇은 판을 이루지만 이 그림에서는 둘로 갈라져 있다.

G₁기가 끝날 무렵에 확인점이라고 하는 세포주기 조절시스템이 작동하여 세포주기를 멈추게 하거나 S기가 시작되게 한다.

S기, 즉 합성기의 주된 작업은 DNA 복제와 DNA와 결합할 히스톤 단백질을 합성하는 것이다.

DNA는 긴 실과 같은 상태에서만 복제될 수 있다. 왜냐하면 그 상태에서 상보적인 두 가닥이 풀어져서 복제가 될 수 있기 때문이다.

(3) G

기는 세포분열의 준비를 완성하는 단계이다.

G₂기는 세포분열을 위해 마지막 준비를 하는 시기이다.

완전한 한 세트의 염색체를 딸세포로 분배하고 세포질을 나누는 데 필요한 구조물을 세포가 조립하기 때문에 단백질 합성이 증가한다.

G₂기의 끝 무렵에 두 번째 확인점이 세포주기를 멈추게 할 수도 있고, 유사분열을 진행시킬 수도 있다.

만약 DNA 손상이 일어났거나 복제가 완성되지 못했다면 확인점은 DNA 복구나 복제가 끝날 때까지 세포주기를 진행시키지 않는다.

간기 핵 속에 퍼져 있던 염색체들이 서서히 응축되어 광학현미경으로 볼 수 있는 형태의 염색체로 되면 G₂기가 끝나고 유사분열이 시작된다.

(2) S기에 DNA복제가 일어난다.

http://www.marekkultys.com/podrecznik.html each of chromosomes duplicated &

Histone synthesized

Mitosis start

2) 분열기(meiosis) : 유사분열은 4단계로 구성된다.

유사분열은 전기, 중기, 후기, 말기의 4단계로 나누어진다.

유사분열(핵분열)은 자매염색분체들을 딸세포로 나누어 준다.

유사분열 과정은 방추사를 구성하는 미세소관과 액틴필라멘트 시스템에 의해 완성된다.

유사분열은 즉 핵분열은 퍼져 있던 염색체가 점차 응축되면서 시작되는 일연의 연속된 과정 이다.

염색체의 모양은 매우 가는 실과 같다하여 유사분열(mitosis)이라는 단어의 어원이 된다.

(1) 전기 : 염색체는 응축되어 자매염색분체로 된다.

a. 전기 초에 염색체는 가는 실 모양으로 나타난다(그림 7.10).

이미 간기의 S기에 염색체의 DNA는 복제되어 있다.

b. DNA의 길이가 수 ㎝이지만 전기 동안에 5～10㎛ 정도의 길이로 될 때까지 염색체는 계속해서 꼬이고 응축된다.

c. 염색체가 응축되고 더욱 분명해지면 복제된 염색체들이 동원체를 가진 두 개의 자매염색분체로 이루어져 있는 것을 볼 수 있다(그림 7.11).

동원체는 특수한 DNA 서열을 가지고 있는 염색체 상의 특정 부위이며, 이곳에 방추사가 부착한다.

d. 방추사는 미세소관으로 이루어져 있으며, 자매염색분체가 딸세포로 이동할 수 있도록 도

알카로이드인 빈크리스틴과 빈브라스틴은 암세포가 미세소관으로부터 방추사를 만들지 못하 게 하여 암세포의 통제불가능한 세포분열을 멈추게 한다.

e. 전기가 끝날 무렵 핵막이 소실된다.

그림 7.10 유사분열 과정.

전기 때 DNA가 응축되어 염색체의 형태를 이룬다. 방추사가 생기고 핵막이 사라진다.

(2) 중기 : 염색체는 방추사의 적도면에 배열한다.

a. 방추사는 중기에 완전히 형성된다. 염색분체의 동원체에 방추사부착점이라고 하는 특수한 단백질 복합체가 만들어 진다(그림 7.12).

방추사부착점은 미소세관의 (+) 말단과 결합한다. 미세소관의 (-) 말단은 극에 위치 한다.

b. 방추사부착점은 30～50개의 미세소관과 결합한다. 미세소관이 자매염색분체의 방추사부착점에 붙는 순간 염색체는 양극으로 끌려간다(그림 7.13).

c. “줄다리기” 현상에 의해 방추사의 적도면, 즉 중간 부위에 염색체가 배열된다(그

림7.10).

http://www.clt.astate.edu/mhuss/mitosis1.jpg Encyclopaedia Briranica

그림 7.12 염색체와 방추사부착점.

(a) 염색체의 모식도. 방추사부착점이 있는 잘룩한 부위 가 동원체이다.

(b) (b) 형광현미경으로 본 원반 모양의 방추사부착점(녹 색). 형광물질이 방추사부착점의 단백질에 반응하는 항체에 결합하면 적색 형광을 띄는 염색체에서 방추 사부착점을 볼 수 있다.

그림 7.13 세포분열 중기 때 염색체를 세포의 중앙에 가져오는 “줄다리기” 현상을 설명하는 모식도.

방추사 미세소관의 (+) 말단이 염색체의 방추사부착점에 붙고, (-) 말단은 극쪽에 있다. 방추사 미세소관이 염색체에 붙으면 (많은 미세소관이 각각의 방추사부착점에 붙는다) 두 개의 방추사부착점 중 어느 쪽에 얼마나 많은 미세소관이 붙었는가에 따라 염색체는 어느 한쪽 극으로 당겨지게 된다. 수가 거의 동일하면 같은 크기의 힘이 양 방향으로 작용하여 염색체는 세 포의 적도면에 위치하게 된다. (a)의 중앙에 있는 염색체는 위쪽 극의 미세소관에만 붙어 있어 아래쪽 극(청색 동그라미)의 미세소관이 반대쪽 방추사부착점에 붙어 아래쪽 극으로 염색체를 당기게 될 때까지 위쪽 극으로 이동한다(b).

(3) 후기에 자매염색분체가 분리된다.

a. 유사분열과정 중 가장 짧은

동원체에서 분

b. 이제 분리된 후의 자매염색분체는 딸염색체라고 불린다. 이동은 신속하게 일어

c. 염색체가 양극으로 이동하는 방법에 대해 현재 인정을 받고 있는 모델을 그림

운동단백질인 디네인(dynein)은 방추사부착점과 염색체를 양극으로 이동시킬 수 있는 힘으로

d. 염색체가 양극에 도달하면 후기가 끝난다.

http://www.marekkultys.com/podrecznik.html http://www.eastcentral.edu/

http://www.cellsalive.com/mitosis.htm Encyclopaedia Briranica

그림 7.14 염색체가 극으로 이동될 수 있는 방법을 설명하는 운동 단백질의 모델.

운동단백질인 디네인이 ATP를 사용하여 방추사부착점 미세소관을 따라 극으로 이동하고 방추사부착점 미세소관은 방추사부착점의 (+) 말단에서 분리된다. 디네인은 미세소관이라는 레일을 따라 이동 하는 기차엔진과 같은 역할을 하면서 뒤쪽의 염색체를 끌어당기게 된다.

(4) 말기에 염색체의 형태가 불분명하게 된다.

a. 말기는 유사분열의 마지막 단계이며, 이 때 완전히 두 세트의 염색체가 분리된다.

b. 새로운 핵막이 각 한 세트의 염색체 주위에 형성되고 방추사는 사라진다.

c. 딸세포가 다시 간기로 들어갈 때 염색체의 꼬임이 풀어지고 모양이 불분명해 진 다. 간기의 길이 특히 G

기의 길이는 아주 다양하다. 어떤 세포는 오랫동안 G

기 에 머물러 있어 세포주기의 과정이 멈춘 것 같아 보인다. 그런 정지 또는 휴식상 태에 있는 세포를 G

상태에 있다고 한다.

d. 말기에 유사분열이 끝나고 세포질분열의 첫 단계가 시작된다.

http://www.marekkultys.com/podrecznik.html http://www.eastcentral.edu/

http://www.cellsalive.com/mitosis.htm Encyclopaedia Briranica

그림 7.10 유사분열 과정. 간기 때 핵막이 있고 염색체는 보이지 않는다.

전기 때 DNA가 응축되어 염색체의 형태를 이룬다. 방추사가 생기고 핵막이 사라진다.

중기 때 염색체는 세포의 중앙에 배열한다.

후기에 자매염색분체가 쪼개져 양극으로 이동한다.

말기에 격막형성체와 세포판이 생겨 세포질분열이 시작된다. 여기에 제시된 사진은 양파 근단세포에서의 유사분열과정이다.

http://www.clt.astate.edu/mhuss/mitosis1.jpg

3) 세포질 분열 : 세포질이 딸세포에게 나누어진다.

세포질분열은 두 딸세포로 세포질을 나누는 과정이다.

유사분열과 같이 세포질분열 과정은 미세소관과 액틴과 미오신(골격근을 구성하는

단백질)으로 된 필라멘트 시스템에 의해 이루어지는데 이것이 식물에서는 격막형성체라는 구조물을 형성한다.

식물세포는 세포벽에 의해 나누어지므로 모세포의 중앙을 가로질러 세포판이라는 칸막이를 만들어야 한다.

격막형성체의 미세소관과 필라멘트가 어떻게 새로운 세포벽을 만드는지 아직 잘 모르고 있다.

(1) 세포질분열의 시작

후기 말에 시작해서 말기까지 계속해서 두 딸핵 사이에 격막형성체가 만들어지고 이와 함께 세포질분열이 시작된다(그림 7.15a).

a. 먼저 격막형성체 미세소관이 두 딸핵 사이의 세포 중간 부위로 모여든다.

세포판(원반모양의 물질)이 생겨 세포가 나눠지기 시작한다.

골지체에서 유래한 분비소낭이 분열면에서 소낭이 융합하여 세포판을 형성한다.

b. 처음에 격막형성체와 세포판은 세포 중앙에서 시작하여 가장자리 쪽으로 발달한다(그림

세포판이 모세포벽에 도달하면 세포벽과 융합한다.

c. 각 딸세포는 그 주위에 새로운 1차세포벽을 만들어 세포판과 연결된다(그림 7.15c).

d. 딸세포가 커짐에 따라 모세포의 세포벽이 늘어나서 찢어져 버린다.

이제 딸세포에 의해 만들어진 세포벽이 주된 세포벽으로 된다.

e. 완전히 분리된 딸세포는 세포주기를 완료하고 다음 세포주기의 간기로 들어간다.

그림 7.15 세포질분열의 모식도.

(a) 격막형성체 미세소관(청색)이 딸핵 사이에 만들어지면 세포질분열이 시작된다.

(b) 세포판이 형성되어 가면 격막형성체 미세소관이 세포판 주변에서 환상을 이루게 되고 세포판은 세포의

가장자리로 확장되어 간다.

(c) 세포질분열 후에 각각의 딸세포로부터 만들어진 새로운 세포벽물질(황색)이 기존의 세포벽 안쪽에서 축 적되어 두 개의 새로운 세포로 된다.