9장 조류와 포유류 : 초기 발생과 축 형성
조류의 초기 발생 조류 알의 난할
✓닭의 수정은 수란관에서 일어나며 이후 수란관에서 분비되는 알부민(흰자)과 껍질 이 추가됨
✓닭의 알은 단황난이며 큰 난황위에 조그만 접시 모양의 세포질을 가짐
✓원반형 부분난할을 함
✓난할은 동물극 세포질(지름 2∼3 mm)인 배반(blastodisc)에서 일어남
양막류의 계통 유연관계
✓첫 번째 분열홈은 배반의 중앙을 가로지르며 난할을 계속하며 한층으로된
배반엽(blastoderm)을 형성
닭 배아의 원반형 부분난할
조류 배아의 낭배형성 하배엽
✓닭이 알을 낳을 때 배반엽은 약 20,000개의 세포로 구성
✓투명부위 세포들은 표면에서
상배엽(epiblast)을 형성하며 일부는 개별적으로 분할강으로 이동하고 분층하여 1차 하배엽(primary hypoblast)인 세포섬
(polyinvagination island, 5∼20개 세포덩어리로 다도해 모양)을 형성
⇒ 배반엽 뒤쪽 주변대의 세포층 (켈러낫, Kollor,s sickle)이 국부적으로 두터워짐
⇒1차 하배엽을 안쪽으로 밀어내어 안배엽(endoblast)인 2차하배엽 형성
닭 배반엽 형성
✓상배엽과 하배엽으로 구성된 두층의 배반엽은 서로 암역(area opaca)의 주변대에서 연결되어 포배강 을 형성
✓조류의 배아는 전적으로 상배엽에서 기원하며 하배엽은 발생 중인 배아의 어떠한 세포에도 기여하지 않음
✓하배엽은 외막의 한 부분, 난황주머니 및 난황 덩어리와 내배엽인 소화관을 연결하는 자루 형성
✓ 하배엽은 상배엽 세포의 이동을 정해주는 화학적 신호를 제공
원 조
✓조류, 파충류, 포유류의 낭배형성의 중요한 구조적 특징은 원조(primitive streak) 을 형성
✓원조는 뒤쪽 주변부 내에서 발생하는데 중간층에 모여드는 세포들은 켈러낫의 바 로 앞쪽인 뒤쪽 주변대 상배엽이 두터워져 형성
✓예정 원조세포들은 구형이 되면서 운동성을 획득하고 바로 아래의 세포외기질을 분해 함. 이로 인해 세포들은 정중측면에서 서로 교차하여 수렴확장을 함
✓수렴확장으로 원조는 앞으로 진행
✓원조 내에 함몰이 일어나는데 이 부위를 원조구(primitive groove, 세포들이 포배강으로 들어가는 통로 역할, 양서류의 원구와 유사)라 함
✓원조의 앞쪽 끝은 부분이 두터워 지는데 이를 원결절(primitive knot), 헨센결절 (Hensen,s node), 초기 구멍(primite pit) 등이라 하며 이곳을 통해 세포는
포배강으로 들어감
✓ 헨센결절은 양서류 원구의 등쪽 입술(형성체)과 어류의 배방패와 동일한 기능을 함
✓원조에서 포배강으로 이입되는 첫 번째 세포는 상배엽 기원의 중배엽 전구체
✓원조는 장래의 머리 부위로 더 길어짐. 이 과정은 세포분열과 수렴확장이 일어나며 상배엽 앞쪽 부위의 세포는 헨센결절의 형성에 기여
✓2차하배엽(안배엽)은 원조의 이동을 유도 ⇒ 원조는 투명부위의 60∼75% 길이까지 확장
✓원조는 배아의 축을 결정하며 뒤에서 앞으로 확장하면서 등쪽면에서 세포를 배쪽으 로 이동시키며 동시에 배아를 좌우로 구분
✓원조의 축은 양서류의 등-배 축에 해당. 원조 앞쪽 끝(헨센결절)은 초기척삭 중배엽, 착삭 및 앞쪽 체절로 발생. 원조의 중간에서 이입하는 세포는 체절, 심장, 배외막
중배엽을 형성
✓ 상배엽의 세포는 원조를 통해 포배강으로 이동 ⇒ 앞쪽 끝으로 들어가는 세포들은 포배강을 자나 앞쪽으로 이동하여 내배엽, 머리 중배엽 및 척삭 등을 형성. 원조의 뒤쪽 부위에서 들어가는 세포들은 중배엽의 대부분을 형성
원조를 통한 이동 : 내배엽과 중배엽의 형성
✓ 헨센결절로 이동하는 첫 번째 세포들은 앞창자의 인두 내배엽이 될 운명을 지님 ⇒ 이들 세 포는 하배엽 세포를 대체하고 하배엽을 투명부위 앞쪽에만 있도록 국한시킴 ⇒ 생식신월환 (germinal crescent)이라 불리우며 생식신월환은 배아 구조를 생산하지는 않으나 생식세포
의 전구체가 됨
✓헨센결절을 통해 포배강으로 들어온 두 번째 세포들은 앞쪽으로 이동하나 예정 앞창자의 내 배엽세포처럼 배쪽으로 멀리 이동하지 않고 내배엽과 상배엽 사이에 머물며 머리간충조직과 초기척삭판(perchordal plate) 중배엽을 형성함 ⇒ 조류의 머리는 헨센결절 앞쪽(부리쪽)으 로 형성
✓그 다음으로 이동하는 세포는 척삭 중배엽(chordamesoderm)이 됨 ⇒ 척삭 중배엽은 머리 돌기와 척삭으로 구분 ⇒ 중앙 중배엽세포가 가장 앞쪽 부위인 머리돌기(head process)를 형성
✓원조가 퇴화되면 헨센결절로 들어오는 세포는 착삭이 됨 ⇒ 착삭은 귀와 두뇌가 형성되는 지점에서 시작하여 꼬리쪽으로 뻗으며 척삭으로 덮고 있는 세포와 상호작용을 하여 척수를 형성
✓FGF(Fibroblast growth factor) 신호의 조절에 의해 앞쪽 원조를 통한 중배엽은 척삭 중배엽을 형성
원조의 퇴화
✓ 중배엽세포가 계속 이입되는 동안 헨센결절이 뒤쪽으로 이동 하며 이때 원조의 퇴화가 일어남
✓퇴화중인 원조는 배아의 등 뒤쪽으로 척삭이라는 흔적을 남김
✓ 헨센결절은 뒤쪽에서 없어지고 항문 부위를 형성
⇒ 이 시기에 모든 예정 중배엽과 중배엽 세포는 배아 속으로 들어가고 상배엽은 예정외배엽 세포로만 구성
✓배아의 뒤쪽 부위 세포가 낭배형성을 계속하는 동안 앞쪽 끝의 세포는 이미 기관 형성에 들어가게 됨 (배아의 앞쪽이 뒤쪽 보다 빨리 발생)
외배엽의 외적
✓외배엽 전구체는 증식을 하여 외적으로 난황을 감싸고 이동함(약 4일 소요)
✓암역(area opaca)의 바깥쪽 부위(주변부)의 세포만이 난황막에 단단히
고정되 있으며 많은 세포질돌기(약 500㎛)를 가지며 이들 돌기(사상위족)가 난황 주위로 외배엽세포들을 끌어 당김
✓조류의 낭배 형성이 끝날 무렵 외배엽은 난황을 감싸게 되고 내배엽은 하배엽 을 대체하고 중배엽은 스스로 외배엽과 내배엽 사이에 위치함
축 예정화와 조류의 형성체
✓앞-뒤 축의 형성에 있어서 중력의 역할 : 방사대칭인 배반엽은 중력에 의해 좌우대 칭 구조로 전환
✓닭은 난자가 생식관을 통과하는 동안 약 20시간 동안 회전하면서 알 껍질이 축적되 고 시간당 10∼12회 회전하고 난황의 가벼운 성분이 배반엽 아래에 위치하며 이로 인하여 배반엽의 한쪽 끝이 약간 솟구치며 이 끝이 원조 형성을 시작하는 배아의 뒤 쪽 부위가 됨
✓배반엽의 뒤쪽 주변대(posterior marginal zone, PMZ, 켈러낫이 포함되지 않은 뒤 쪽 조직, β-catenin을 분비하는 Wnt8c를 생성, Vg1(내배엽과 등쪽 중배엽 형성
유도하는 단백질 분비, TGF-β 집단)을 분비, 양서류의 뉴쿱센터와 동일한 역할, 앞- 뒤 축 결정)는 낭배형성을 시작하게 하며 주변부의 다른 부위는 낭배형성을 차단함
✓뒤쪽 주변대는 원조와 헨센결절을 유도하고 원조 부위는 머리(앞) 발생을 유도함
닭의 형성체
✓계배의 형성체는 PMZ의 바로 앞쪽에 형성
✓켈러낫의 앞쪽에 위치한 상배엽과 중간층의 세포가 헨센결절
(1. 낭배 형성을 시작하는 장소 2. 척삭 중배엽이 되는 부위 3. 다른 낭배에 이식 하면 제2의 배아축 형성)이 됨
✓켈러낫의 뒤쪽 부위는 원조의 뒷쪽이 됨
✓조류에서 헨센결절은 양서류의 등쪽 원구입술에 해당
닭배의 형성체 유전자 발현
1. 켈러낫의 뒤쪽 부위에서 발현되는 유전자들은 PMZ 세포의 뉴쿱센터와 유사한 부위의 형성을 도움 ⇒ Vg1과 Nodal 유전자 포함. 원조 전체에서 발현
2. 원조의 앞쪽과 헨센결절에서 발현되는 유전자 ⇒ chordin과 sonic hedgehog 유전자 포함
✓ 척삭 중배엽은 바로 위에 있는 외배엽에서 중추신경계의 형성을 유도함
⇒ 헨센결절과 유도된 세포들의 작용으로 BMP 길항제 단백질인
chordin, Noggin, Nodal 등을 분비. 이로 인해 BMP 신호가 방해되며 외배엽과 중배엽을 등쪽화(신경유도) 시킴
✓낭배형성 직전에 헨센결절에서 합성되는 FGF가 상배엽에서 신경세포를 유도함
헨센결절의 이식에 의한 새로운 배아의 유도
FGF : 중배엽과 신경관형성의 유도자
FGF는 낭배형성 과정에서 세포의 예정화에 중요한 역할
1. 중배엽의 예정화를 책임짐(하배엽에서 나오는 FGF는 뒤쪽 주변대의 Nodal과 협력하여 Brachyury와 Tbx6 유전자 활성화)
2. 신경관형성과 중배엽 형성을 분리
3. 중앙의 외배엽세포에서 신경관형성이 일어나도록 도와 줌
4. FGF는 초기 신경유전자인 ERN1과 Sox3의 발현을 유도. 이들 유전자는 신경 조직 생성으로 이어지는 신호전달 연쇄반응을 일으킴
FGF는 초기 닭의 배아에서 결정적으로 중요한 세포 운명의 조절자
앞-뒤 형태화
✓하배엽과 내배엽의 아래층은 계배 앞쪽의 실체 를 확립 하는데 필요
✓신경유도와 별개로 일어남
✓아래층 앞쪽 끝에서 Cerberus와 다른 머리 유전자 분비 ⇒ 양서류와 같이 앞쪽 외배엽은 형성될 머리를 결정하고 뒤쪽 중배엽에서 합성되는
레티노산(Retinoic acid)는 신경판의 꼬리화를 유도
FGF가 중배엽과 신경관의 형성을 조절하는 모델
좌-우 축의 형성
✓척추동물의 몸은 좌우 대칭이 아니며 좌우 측면을 가짐(심장과 비장은 왼쪽, 간은 오른쪽)
✓ 국소분비인자인 Nodal과 전사인자인 Pitx2에 의해 조절(일반적으로 배아 왼쪽 부분에서 Nodal 발현, Pitx2 활성화되고 우측에서는 액티빈(Activin) 발현되고 FGF8을 활성화)
포유류의 초기 발생
포유류의 난할
✓포유류의 난자는 동물계에서 가장 작으며 사람은 지름이 100㎛, 개구리의 1/1,000 정도
✓포유류 난할의 독특한 특성
난소에서 배란된 포유류 난자는 섬모에 의해 수란관 속으로 이동
⇒ 수정은 난소와 가까운 부위인 수란관 팽대부(ampulla)에서 정자와 결합
⇒ 수정된 난자는 감수분열을 완성하고 첫 번째 난할에 들어감
⇒ 난할은 동물계에서 가장 느리고 보통 한번 분열하는데 12∼24 시간 소요
⇒ 수란관의 섬모는 배아를 자궁으로 밀어 냄
수정에서 착상까지 사람 배아의 발생
포유류 난할이 다른 동물과의 차이점 1. 느린 분열속도
2. 할구 간의 독특한 분열 방향성 (첫 번째는 경할, 두 번째에서는
하나는 경할, 다른 할구는 위할)
⇒ 회전난할(rotational cleavage)
3. 초기분열의 불일치성 ⇒ 할구들이 동시에 분열하지 않음. 2-, 4-, 8-세포기로 증가하는 동안 중간에 홀수의 세포기가 있음
4. 유전체는 분열 초기에 활성화됨 ⇒ 생쥐와 염소 : 2 세포기부터 유전자 발현.
사람 : 4-와 8-세포기에서 유전자 활성화 시작
5. 밀착화(compaction) : 8세포기(세번째 난할) 이후 E-캐드히린과 같은 세포접 착 단백질이 발현하여 각 할구는 밀착되어 조밀해지며 공모양 형성함. 할구들 사이에 간극결합(gap junction)이 형성되어 작은 분자나 이온이 통과할 수 있 게 됨
✓밀착화된 16할구는 상실배(morula)를 형성하고 외부는 많은 수의 세포로 구성되어 있으며 영양외배엽(trophectoderm) 또는 영양막(trophoblast, 포유류 발생에 있어 첫 번째 분화) 형성
✓ 이후 태반(placenta)의 배아 부위 융모막(chorion, 배아가 모체로부터 산소와 영양분을 얻게 해주고 호르몬을 분비하여 임신을 유지시키며 모체가 태아에 대해 거부반응이 없도록 면역조 절물질 분비)을 형성
✓첫 번째 분열로 바깥쪽 세포는 자궁에 붙을 수 있는 세포를 생산(자궁벽에 배아가 머물 장소까 지 분해하여 통 로를 만들고 영양막에서 보충된 세포들은 안쪽세포덩어리(inner cell mass, ICM)가 되어 배아와 연결된 양막, 난황주머니, 요막 등을 형성)
✓8 세포기까지 초기 할구는 영양막세포와 배아 전구체가 될 수 있는 전능(totipotent) 세포라 함
✓16세포기 안쪽세포덩어리는 다능(pluripotent) 세포라 하는데 이는 몸의 모든 세포로 발생할 수 있으나 영양막을 형성할 수 없음
✓ Nanog, Oct4, 인산화된 Stat3의 발현을 유지하는 상태로 안포덩어리에서 할구를 분리하면 배아 줄기세포(embryonic stem cell)가 됨
✓상실배는 내부 공간(강)이 없지만 강형성(cavitation) 과정에서 영양막세포가 상실배 내부에 액 체를 분비하여 포배강(blastocoel)을 형성
✓포배강이 확장됨에 따라 안쪽세포덩어리는 영양막세포로 이루어진 원의 한 쪽면에 위치하며 이를 포배(blastocyst)라 함
투명대에서 탈출과 착상
✓배아가 수란관을 따라 자궁으로 이동하는 동안 포배는 투명대 내에서 팽창 함(투명대는 포 배가 수란관 벽에 붙지 못하도록 함 ⇒ 자궁외임신(ectopic pregnancy), 난관임신(tubal pregnancy)을 방지
✓수란관 착상 시 배아는 출혈을 유발하여 생명을 위협
✓포배가 자궁에 도달하며 투명대를 녹여 작은 구멍을 만들어 투명대를 빠져 나옴 ⇒ 투명대를 빠져 나온 포배는 자궁과 접촉
✓자궁 내막은 복합당, 콜라켄(collagen), 라미닌(laminin), 피부로넥틴(fibronectin),
하이알루론산(hyaluronic acid), 황화헤파린 수용체(heparin sulfate receptor)로 구성된 세포외기질로 포배를 부착 ⇒ 자궁벽에 포배가 뭍 힘
포유류의 낭배 형성
✓포유류는 난황이 거의 없음에도 조류와 파충류의 낭배 형성 과정을 보존하고 있음
✓모체 내에서 배아의 발생 : 포유류 배아는 모체에서 직적 영양분을 공급 받음
✓태반의 융모막(chorion) ⇒ 세포영양막에서 기원하며 안쪽세포 덩어리에서 유래된 중엽 세포로 보충 됨
✓자궁에서 태반의 모계 부분인 탈락막(decidua, 혈관이 풍부하게 분포하고 배아에 산소와 영 양분을 공급) 형성 유도
✓안쪽세포 덩어리는 일차적으로 2개 층으로 형성 : 아래층 ⇒ 초기 내배엽(primitive endoderm) 또는 내장 내배엽(visceral endoderm)이 불리우는 하배엽(hypoblast)
✓하배엽은 안쪽세포 덩어리에서 분층하여 포배강에 나열한 후 배외 내배엽(extraembryonic endoderm)으로 발달하며 이후 난황주머니를 형성. 조류와 동일하게 태어날 개체의 어떤 부 위도 만들지 않음
✓위층 ⇒ 상배엽(epiblast). 상배엽은 작은 틈으로 갈라져 배상배엽
(embryonic epiblast, 실제 배아로 발생의 모든 세포를
가지고 있음, 조류의 상배엽과 유사)과 양막강(amnionic cavity, 액체로 된 양수(amnionic fluid)로 채워지며 발생중인 배아에 대해 충격 흡수 뿐만 아니라
배가 건조를 막아 줌 )을 형성
✓낭배형성은 배아의 뒤쪽에서 시작되며 이 부위에서
결절(node, 헨센결절을 의미)이 형성 ⇒ 포유류의 중배엽과 내배엽 은 원조를 통해 이동
사람의 초기 배아에서 조직과 배엽의 형성
✓결절을 통해 이동한 상배엽 세포들은 척삭을 형성. 조류와 달리 생쥐의 척삭을 형 성할 세포들은 초기 소화관의 내배엽에 통합되어 있는 것으로 추정. 세포의 이동 과 예정화는 FGF 단백질의 협력 작용에 기인 ⇒ 외배엽의 전구체는 완전히 확장 된 원조의 앞쪽에 위치. 사람의 경우 하배엽 자리에 내배엽 전구체로의 교체는 임 신 14∼15일에 일어나고 중배엽을 형성할 세포의 이동은 임신 16일 이후에 관찰
사람의 낭배형성과정에서 양막의 구조와 세포 이동
흉모막의 형성
✓ 포유류에 있어 배외 세포들는 모체 자궁 내에서 태아가 생존하도록 태반조직을 형성
✓영양막세포들은 초기에 분열을 왕성하게 일어나 세포영양막(cytotrophoblast)이 라는 세포집단을 형성하고 이후 세포질 분열 없이 핵분열만 하여 다핵영양막 (syncytiotrophoblast)이 됨
✓접촉분자들의 도움으로 자궁내막에 부착
✓세포영양막은 단백질 분해 효소 분비로 자궁벽을 뚫고 들어가 모계 혈관이 배아 혈관에 잠기도록 자궁의 혈관을 재배열
✓다핵영양막 조직은 자궁벽을 분해하여 배아가 자궁벽 속으로 들어갈 수 있도록 함
✓세포영양막은 국소분비인자를 분비하여 모계혈관을 끌어 들이고 이 혈관은 추후 영양막세포로 나열된 혈관으로 교체
✓중배엽 조직은 낭배형성 중인 배아 밖으로 뻗어 나옴
✓난황주머니와 함께 초기 원조에서 유래된 세포가 배외 중배엽 형성에 기여
✓배외 중배엽은 영양막의 돌출부와 합류하여 모체에서 배아로 영양분을 운반할 혈관 생성
✓배아와 영양막 조직을 연결하는 배외 중배엽의 좁은 자루는 탯줄(제대)의 혈관으로 발달
✓영양막 조직과 중배엽으로된 혈관 발생이 끝난 배외기관을 융모막이라 함
✓융모막은 자궁벽과 합쳐져서 태반을 형성(자궁내막이 변형된 모계 부위와 융모막 으로 된 배아 부분)
✓태아는 양막에 감싸져 있으며 융모막에 의해 보호
✓ 태아와 엄마의 혈관계는 서로 섞이지 않지만 융모돌기를 통해 물질 교환이 일어남 (산소와 영양분을 공급받고 이산화탄소, 요소, 노폐물 방출)
포유류 앞-뒤 축의 형성 2개의 신호중심
✓생쥐의 상배엽의 등쪽면(외배엽)은 양막강과 접하고 있으며 상배엽의 배쪽면은 새로 형성된 중배엽과 접해 있음
✓포유류 배아는 2개의 신호중심(결절, 앞쪽 내장 내배엽)을 가짐
✓배아의 머리 부분에는 Nodal 신호가 없으며 동시에 BMP(bone morphogenetic protein), FGF, Wnt 신호를 억제
✓뒤쪽은 Nodal, BMP, Wnt, 레티노산(Retinoic acid, RA)이 활성화
✓모든 척추동물의 앞-뒤 방향성은 혹스(Hox) 유전자(호메오 선택 유전자, Hom-C gene, 뒤뇌에서 꼬리에 이르는 몸의 부위를 결정) 발현으로 정해짐(앞-뒤 축에 따른 몸의 각 부위는 이 부위에서 발현되는 가장 뒤쪽의 혹스 유전자에 의해 결정 되는 것을 추정)
결절(node) – 조류의 결절과 양서류 형성체의 몸통에 해당
✓몸의 모든 부위를 만들 수 있는 것으로 추정되며 앞쪽 내장 내배엽과 함께 작용 하여 배아의 앞쪽 부위를 형성
✓결절의 형성은 영양막에 의존
✓Chordin을 분비하고 머리돌기와 Noggin을 분비하여 뇌, 코, 얼굴 구조 형성
✓척삭은 결절의 작은 섬모세포가 등쪽으로 접힘으로 형성
✓앞쪽 내장 내배엽(anterior visceral endoderm, AVE) : 앞쪽으로 이동한 내장 내배엽(하배엽)에서 기원
✓상배엽에서 Nodal의 신호를 제한하여 상배엽 앞쪽 부위에서 머리형성 유전자 발현을 촉진하는 중내배엽(결절 생성)과 상호작용
✓Nodal 단백질이 작용할 수 없는 앞쪽 부위를 형성
생쥐에서 등-배 및 좌-우 축의 결정 등-배 축
✓포유류의 등-배 축 형성의 기작은 거의 알려진 바가 없음
✓등축은 영양막과 양막강에 접촉하는 세포안쪽 덩어리에서 형성
✓등배 축은 부분적으로 포배의 배아-비배아 축(embryonic-abembryonic axis) 에 의해 정해지는 것으로 추정
좌-우 축
✓포유류 몸은 정확히 좌우 대칭이 아니며 사람은 심장은 배아의 정중선에서 형성 되어 흉강의 좌측에 위치, 혈관은 오른쪽으로 휘어지고 간의 우측에 치우쳐 있고 큰창자는 우측에서 좌측으로 관통하며 폐는 우측이 더 큼
✓좌-우 축 형성은 전체적인 단계와 기관-특이적 단계로 조절됨
✓좌-우 축 형성 신호경로는 측판중배엽의 왼쪽 면에서 Nodal 단백질과 Pitx2 전사 인자가 활성화되고 오른쪽에서만 Nodal의 억제 인자인 Cerberus가 발현 됨. 포유류에서 왼쪽과 오른쪽의 구별은 결절의 섬모세포에서 시작되며 섬모는 체액을 오른쪽에서 왼쪽으로 흐르게 함(운동단백질인 디네인(dynein)이 작용)
척추동물의 낭배형성의 특징
1. 내배엽과 중배엽의 내부화 2. 전체 배아를 감싸는 외배엽의
외적
3. 정중선으로 내부세포 수렴 4. 앞-뒤 축을 따라 몸의 확장
✓포유류는 난할과 낭배형성이 어류, 양서류, 조류와 다르나 동일한 축 형성을 위해서는 동일한 분자를
이용함(Nodal 단백질 기울기로 등-배 축 극성 확립)
