8장 척추동물의 초기 발생:
양서류와 어류 초기 발생과 축 형성
양서류의 초기 발생 수정과 피질 회전 :
✓수정은 동물반구 어디에서나 가능함
✓정자 침입 지점은 유생(올챙이)의 등-배 축의 방향을 결정
✓정자 침입지점이 배아의 배쪽면이 되고 그 반대쪽이 등쪽면이 됨
✓정자의 중심체는 난자의 미세소관을 조직 하고 식물세포질에서 평행한 배열을
유발하여 난황이 많은 내부 세포질에서 바깥쪽(피질) 세포질을 떼어놓음(그림 8.2)
✓피질 세포질은 안쪽 세포질에 대해 약 30˚
회전함
✓일부 알에서 정자 침입 지점의 반대편 가장자리 부분에 안쪽의 회색세포질이 노출되는데 이를 회색신월환(gray crescent)이라 함
✓회색신월환은 낭배 형성이 시작되는 장소
✓ 난자의 미세소관의 배열은 올챙이의 등-배 축과 앞-뒤 축 형성을 시작함
불균등한 방사형 완전난할 :
✓대부분의 개구리와 도룡뇽의 배아는 극피동물과 같이 방사대칭형 완전난할
✓식물극에 난황이 매우 많아 불균등하게 일어남
✓첫 번째 분열은 동물극에서 시작하여 식물극으로 천천히 경할이 일어나며 회색신월환을 2등분 함(그림 8.3)
✓난황이 풍부한 식물극은 동물극에 비해 분열 속도가 느림
✓첫 번째 분열홈이 식물극에서 진행되는 동안 두 번째 난할로 경할이 동물극에서 시작함
✓세 번째 분열은 수평(위할)으로 일어나며 난황으로 인하여 분열면은 적도면이 아니라 동물극에 치우침
✓ 개구리 수정란은 동물극에 4개의 작은 할구(소할구)와 식물극에 4개의 큰 할구 (대할구)로 나누어짐
✓12번째 분열까지는 식물극쪽 난할이 약간 지연되나 전체 할구는 거의 동일한 속도로 분열
✓동물극 부위에는 많은 작은 세포로 채워지고 식물극 부위에는 동물극에 비해 난 황이 많은 대할구가 적은 수가 분포
✓초기 할구의 세포주기는 세포질에 존재하는 유사분열촉진인자(mitosis- promoting factor, MPF)의 농도에 의해 조절
✓12번째까지의 세포분열에서는 세포주기에 틈(G1, G2)이 없으며 성장이 일어나지 않음
✓16∼64개의 할구를 가진 배아를 상실배(morula)라 함
✓128 세포기 배아를 포배(blastula)라 함
✓첫 번째 분열홈은 동물반구에서 폭이 넓어 진 후 세포간 밀착 결합으로 봉합되 면서 세포 내에 작은 공간을 형성
✓이 공간은 계속되는 난활과정에서 팽창하여 포배강이 됨
포배강 역할
✓ 낭배 형성 과정에서 안으로 세포들이 이동하는 공간을 제공
✓ 위층(외배엽)과 아래층(내배엽) 세포간의 성급한 상호작용을 방지 함(포배강은 피부와 신경이 될 예정인 세포와 내배엽이 될 식물세포와의 접촉을 막음)
✓ 난할이 진행되는 동안 수많은 세포 간 접착분자들이 할구를 서로 묶어줌
✓ EP-캐드히린(cadherin, 난할 과정 중 할구를 묶어줌)은 세포 간 접착분자로 이 단백질 mRNA는 난자의 세포질에 저장되어 있다가 배아로 전달되며 EP-캐드히 린이 형성되지 않으면 할구 간의 접착이 급격히 감소하고 포배강은 소멸함
포배 중기로의 이행 : 낭배형성 준비
✓낭배형성의 선행 조건은 배아 유전체 활성화임
✓대부분의 핵 유전자는 12번째 세포주기로부터 발현 시작
✓이 때 여러 세포들이 많은 유전자의 전사를 시작하고 할구는 이동 능력을 획득 하는데 이를 포배중기로의 이행(mid-blastula transition, MBT) 함
✓포배 중기로의 이행을 촉발시키는 작용은 일부 프로모터의 탈메틸화 임
✓포유류와 달리 양서류의 제노프스(Xenopus) 염색체가 고도로 메틸화 되어 있음
✓포배 후기가 되면 포배중기로의 이행에서 활성화되는 유전자 프로모터에 탈메틸 화가 일어남
✓특정 프로모터의 탈메틸화는 포배 중기로의 이행에 따른 유전자 발현 시기 조절에 매우 중요함
양서류의 낭배형성
제노프스(Xenopus lavis)의 낭배 형성 과정 개구리 운명지도
✓포배는 내배엽 기관을 형성할 부위를 안쪽으로 끌어 들이고 외배엽을 형성할 세 포들은 바깥쪽을 감싸고 이들 두 배엽 사이에 중배엽 세포가 위치함
✓Xenopus 포배의 세포는 안쪽과 바깥쪽에 있느냐에 따라 운명이 달라짐
✓중배엽 전구체 세포는 안쪽에 존재하며 내외배엽 전구체는 표층에서 위치
✓척삭과 다른 중배엽조직의 전구체는 배아의 적도면과 그 주변 표면 바로 아래에 위치
✓도룡뇽과 Xenopus 이외 개구리에서는 척삭과 중배엽 전구체는 표면 세포에 위치
식물회전과 병세포 함입
✓낭배 형성은 배의 등쪽이 될 회색신월환 부위(적도 바로 아래)에서 시작(그림 7.7)
✓잠재적 내배엽 세포들은 갈라진 틈 형태의 원구를 형성하기 위해 함입(그림 8.6)
✓각 세포는 배아 안쪽으로 이동하며 일부 세포는 가는 돌기에 의해 바깥쪽과 연결 되어 호리병 모양을 한 병세포(bottle cell)가 형성
✓ 병세포는 초기의 원장(초기 소화관) 형성을 유도
✓성게는 낭배 형성이 식물극 중앙에서 시작되나 양서류는 주변대(marginal zone) 로 불리우는 적도부위(동물반구와 식물반구가 만나는 장소)에서 시작
✓도룡뇽에서는 병세포가 낭배형성 초기 움직임에 적극적인 역할
개구리의 경우 병세포는 내배엽이 될 주변대의 함입 시작에 중요한 역할을 하 나 낭배형성에 반드시 필수적이지 않음
✓병세포가 형성되기 전에 내배엽과 중배엽에서 안쪽 세포는 포배강의 등 쪽면 세포를 동물모자(예정 외배엽)로 향하도록 배열하는데 이를 식물회전(vegetal rotation)이라 하며 이는 원장 형성에 필수 적 임(그림 7.8)
원구 입술의 회전
✓병세포 함입 이후 주변대 세포의 회절과 동시에 동물세포는 외적을 하여 원구로 모임
✓주변대 세포들은 원구의 등쪽 입술(dorsal lip of blastopore)에 도달하여 입술 이 된 다음 바깥족 동물반구 세포의 내면을 따라 계속 안으로 들어감
✓등쪽 입술을 구성하고 배아 속으로 들어가는 첫 번째 세포는 나중에 앞창자가 되는 예정 인두내배엽임
✓등쪽의 원구입술은 척삭중배엽(chordamesoderm)의 세포로 척삭(notochord)을 형성함
✓초승달 모양의 원구가 넓어짐에 따라 측면 입술과 배쪽 입술이 형성됨
✓모든 내배엽의 세포는 배아 안쪽으로 들어가고 외배엽 세포는 표면을 감싸게 되 며 중배엽은 내외배엽 사이에서 발생
등쪽 중배엽의 수렴확장
✓회절을 등쪽에서 시작하여 인두 내배엽과 머리 중배엽을 유도
✓원구 입술은 등쪽 측면에서 측면, 배쪽으로 확장되며 예정된 심장, 콩팥, 배쪽 중배엽이 원구 속으로 들어 감
✓심층세포가 원구입술에 도달하면 심층세포는 배아 속으로 회절을 하고 두 번째 끼어 들기가 시작됨
✓끼어 들기는 정중면을 따라 몇가지의 중배엽 흐름을 통합하여 길고 가는 띠 모양 의 수렴확장(convergent extension)을 유발(그림 8.10)
✓중배엽의 흐름은 동물극으로 계속 이동하고 그 위층의 병세포들 포함하는 표층 세포는 동물극 쪽으로 끌려가 원장의 내배엽 지붕을 형성
등쪽 중배엽의 수렴확장에 작용하는 힘 첫번째 요인
✓극성화된 세포부착
✓회절 중인 중배엽세포는 서로 접촉하며 앞으로 돌출
✓ 세포외기질인 피브로넥틴이 필요 2. 두번째 요인
✓선택적인 세포접착 작용
✓접착단백질인 축엽원캐드히린
(paraxial protocadherin, 예정 척삭세포가 축성 중배엽에서 분리 유도, 수렴확장으로 척삭의 축 형성)
✓축성원캐드히린(axial protocadherin, 예정 척삭세포가 축성 중배엽에서 분리되 는 것을 방해. 수렴확장 차단하고 정상적인 축형성 차단, 머리 중배엽 형성)
3. 세번째 요인
✓칼슘 작용
✓칼슘의 유입으로 액틴 미세섬유 수축을 조절하여 수렴확장을 일으킴
✓칼슘은 세포 내의 소포체에서 방출
예정 외배엽의 외적
✓낭배형성 중에 동물모자와 비회절 주변대(noninvoluting marginal zone, NIMZ) 세포는 전체 배아를 덮기 위해 외적으로 확장함
✓이들 세포가 표면 외배엽을 형성
✓ 원구의 등쪽 입술로 들어가는 세포는 중앙 등쪽 중배엽(척삭과 체절)이 되며 배쪽과 측면의 원구 입술로 들어가는 중배엽세포(심장, 콩팥, 혈액, 뼈 등)는 중배엽 외투를 형성
✓원구의 흔적 부위로 외배엽과 내배엽이 만난 장소가 항문이 됨
양서류 축의 점진적인 결정
✓수정 이전의 난은 동-식물 축을 있는 극성을 가짐 (수정 이전의 난자에서 배엽 표시가 가능)
✓동물반구 표면은 외배엽(피부와 신경), 식물반구의 표면 세포는 내배엽(소화 관과 관련된 조직, 허파), 적도부근(주변대)의 내부 세포질은 중배엽(혈액, 심장, 콩팥, 색식소, 뼈, 근육, 연결조직 등)의 세포가 될 것임
✓일반적인 운명지도는 난자에서 전사인자인 VegT(TGF(Transforming growth factor)-β 국소분비인자를 암호화하는 배아 유전자 전사 활성화)와 Vg1에 의 해 결정되며 이들 단백질의 mRNA는 식물반구 피질에 분포함(그림 8.14)
✓앞-뒤, 등-배, 좌-우 축은 수정 과정에서 약속되며 낭배 형성과정에서 실천됨
✓배아 등쪽(정자 침입 반대쪽)이 확립된 후 회절 중인 중배엽의 이동이 앞-뒤축 을 확립함
쌍둥이 유생 발생 실험 : 조절 발생의 유도 작용
초기 양서류 핵은 유전적으로 동등하며 각 할구는 전체 배아로 발생 할 수 있음(그림 7.14)
✓첫 번째 난할면에 직각으로 묶으면 배아의 등이 될 부분은 정상유생으로 발생하 나 복부편(회색신월환이 없음)은 세포 덩어리로 발생하여 신경계, 척삭및
체절의 발달이 없음
✓정자 침입지점 반대편에 위치한 회색신월환(정상적인 배아로
발생하는 데 있어 필수적인 요소)을 가진 할구에서 정상적인 발생을 함 (그림 8.16).
낭배형성을 시작하는 세포는 회색신월환에서 유래함
✓영원의 낭배 초기 세포는 최종 운명이 배아 내 위치에 따라 결정되므로 조건발생(조건부 혹은 의존적 발생)
✓ 낭배 후기에는 이식된 조직은 새로운 위치에 따라 분화하지 않고 자동적 발생 (독립적 혹은 모자이크 발생)
✓이들 세포의 예정 운명은 결정된 상태(그림 8.16, 표 8.1)
✓세포의 운명은 낭배형성 초기와 후기 사이의 어느 시점에서 형성됨
✓초기 낭배의 모든 조직 가운데 오직 한 부위인 회색신월환에서 유래한 원구입술 부분만이 결정된 운명을 가짐
형성체(organizer)
✓등쪽 원구 입술세포와 그 부분에서 유도된 조직들
(척삭과 머리내중배엽)
✓10개의 세포로 구성된 초기 형성체는 정자 침입지점 반대편에 위치
✓등쪽을 알리는 신호와 중배엽임을 알리는 신호가 만나는 지점에
있어야 함
✓등쪽 입술세포가 등쪽 축과 신경관을 유도하는 과정을 1차 배아유도라 부름
양서류 축 결정의 기작
등쪽 신호 : β-카데닌✓중배엽이 동물극과 식물극 사이의 경계에 있는 주변대(적도면)
세포에서 형성체가 생성
✓새로 생긴 중배엽의 특징은 바로 아래에 위치한 식물세포
(예정 내배엽)에 의해 유도됨 (그림 8.19)
✓배에서 적도 부근의 세포(예정 중배엽) 를 제거하면 동물모자(예정 외배엽)와 식물모자(예정 내배엽)의
어느 부분에서도 중배엽이 생성되지 않음
✓배쪽과 측면의 식물세포(정자 침입지점과 가까운 부위)는 복부(간충조직, 혈액)와 중간(근육, 콩팥) 중배엽을 유도하고 등쪽에 가까운 식물세포는 형성체 특징을 가 지는 등쪽 중배엽(체절, 척삭)을 결정
✓ 형성체를 유도할 능력을 가진 등쪽 가까운 식물세포를 뉴쿱센터(Nieukoop center)라 함
✓등쪽 식물세포만이 동물세포에서 등쪽 중배엽 조직을 유도할 수 있음
✓ 등쪽 가장 가까운 식물세포에서 뉴쿱센터의 형성을 유도하는 인자는 β-카테닌 (Wnt 경로에 의해 유도됨) 임
✓ β-카테닌은 전사인자 이면서 세포막 캐드히린의 고정자로 작용하며 성게의 경우 소할구 예정화와 등쪽 조직의 형성을 책임짐
제노프스(Xenopus) 배아의 β-카테닌
✓ 처음에는 모계 mRNA를 사용하여 배아 전체에서 합성
✓ 수정 시 세포질 이동으로 등쪽 부위에 축적되고 초기 난할 중에는 뉴쿱센터와 형 성체 부위에 축적
✓ β-카테닌은 수정과정에서 정자 침입 반대편에서 Disheveled(Dsh)와
GBP(GSK3-binding protein) 단백질이 미세소관에서 떨어져 나와 장차 등쪽이 될 부위에서 GSK3(glycogen synthase kinase 3, β-카테닌 파괴)을 불활성화 시켜 β-카테닌은 등쪽에서 축적되고 배쪽에서는 파괴됨
식물극의 nodal 동종 신호
✓ TGF(Transforming growth factor)-β 계열의 단백질은 주변대에서 중배엽이 될 세포를 유도
✓ 식물세포에 분포하는 TGF-β 계열 단백질 합성 모계
mRNA인 Vg1과 VegT는
전사 인자인 액티빈(Activin), Derriere, Nodal 단백질
(좌-우 형태화 단백질)을
합성 분비하도록 내배엽에 지시
✓형성체 세포를 특징짓는 유전자 활성 인자는 중배엽 형성에 필수적인
인산화된 Smad2 전사 인자 임
✓Smad2는 중배엽 바로 아래에 있는 식물세포가 분비하는 국소분비 인자인 Nodal(Nodal-related)에 의해 인산화 됨
✓Vg1과 Nodal은 동일 경로(Smad2의 활성화) 을 경로를 통해 작용함
✓ β-catenin의 농도가 높을수록 Nodal 단백질이 활성화 됨
✓형성체의 가장 앞쪽(인두내배엽)이 될 부분에서 Nodal
단백질의 농도가 가장 높아 가장 높은 농도의 활성 Smad2을 형성
✓Smad2는 hhex 유전자를 활성화하고 생성된 Hhex는 Twin과 Siamois와
함께 일련의 유전자를 활성화 시킴
✓이로 인해 인두내배엽을
앞창자와 앞쪽 뇌로 발생하도록 예정화 함✓약간 낮은 농도의 Smad2는 초기척삭 중배엽과 척삭이 될 goosecoid 를 발현 시킴
✓낮은 농도의 Smad2는
측면 및 중배엽의 형성을 유도함✓등쪽 중배엽과 형성체 형성은 상호교차 경로에는
Siamois와 Twin 전사인자의 유전자를 활성화하는
Wnt/ β-catenin경로와
Vg1과 Nodal국소 분비인자 발현을 활성화하고 이어 바로 위해 있는 중배엽세포에서
Smad2 전사 인사를 활성화하는 경로가 있음
✓고농도의
Smad2와 Siamois/Twin 전사인자는 등쪽 중배엽 세포에 작용하여
형성체 성질을 부여하는 유전자를 활성화 시킴(그림 8.22-24)형성체 기능
✓ 형성체는 등쪽 중배엽이 되며 등쪽 중배엽은 중추신경계의 형성을 유도함
✓ 표피 유도를 차단
✓ 신경관의 유도뿐만 아니라 신경관의 각 부위를 결정함
✓ 형성체의 4가지 주요 기능
1. 등쪽 중배엽이 초기 척삭판과 척삭 중배엽으로 스스로 분화하는 능력 2. 주변에 위치한 중배엽을 축엽(체절 형성) 중배엽으로 등쪽화 시키는 능력 3. 신경관의 형성을 유도하고 외배엽을 등쪽화 하는 능력
4. 낭배 형성의 이동을 시작하는 능력
✓ 배아의 등-배 축 형성(등쪽 부위가 확립) 이후 앞-뒤 축이 형성
✓ 회절하는 중배엽의 이동으로 앞-뒤 축이 성립
✓ 등쪽의 원구입술에서 최초로 이동하는 중배엽은 앞쪽(머리) 구조로 발달
✓ 측면과 배쪽 입술에서 이동하는 중배엽은 뒤쪽(꼬리) 구조를 형성함
✓ 형성체가 4종류의 세포로 구성 1. 인두 내배엽 ⇒ 앞뇌와 중뇌 유도 2. 머리 중배엽 ⇒ 초기 척삭판
3. 등쪽 중배엽(1차 척삭) ⇒ 뒤뇌와 몸통 유도
4. 원구 등쪽 입술 ⇒ 등쪽 중배엽을 형성하고 꼬리의 끝 부위를 유도하는 척삭신경의 경첩 형성
신경 외배엽과 등쪽 중배엽의 유도 : BMP 억제인자
✓ 외배엽에서 피부를 유도하는 물질은 뼈의 형태발생 단백질인 BMP(bone morphogenetic protein) 임
✓ 신경계는 이러한 표피 유도가 차단된 외배엽의 영역에서 형성
✓ 외배엽에서 부위 형성은 다음 3가지 중 하나
1.외배엽이 정해진 운명에 따라 신경 조직이 되는 것
2.배아의 일부 부위가 BMP를 분비하여 외배엽에서 표피조직이 되도록 유도 3.형성체 조직이 BMP를 방해하는 분자를 분비하여 BMP 억제 인자에 의해
보호된 외배엽을 신경조직화 함
형성체가 분비하는 단백질 Noggin
✓ 배아에서 등쪽화를 유도하는 형성체 단백질
✓ 등쪽 외배엽에서 신경조직을 유도
✓ 배쪽 중배엽이 될 중배엽세포를 등쪽화 시킴
Chordin
✓ Noggin 처럼 chordin도 BMP2 및 BMP4와 결합하여 BMP의 작용을 차단 함
✓ 척삭 발생을 유도 Follistatin
✓ 액티빈((Activin))과 BMP의 억제자
✓ 외배엽을 신경조직으로 유도 Norrin
✓ BMP 억제자로 난자의 동물 부위에 존재
✓ 낭배에서 앞쪽의 등쪽 외배엽(머리)이 될 등쪽 동물세포에 흡수 됨
✓ 형성체와 이웃한 곳에서 세포 자동방식으로 BMP를 차단하여 외배엽이 신경조직으로 되게 함
신경유도의 영역별 특이성 영역 차이의 결정
✓ 신경관을 이루는 앞뇌, 뒤뇌, 척수 등은 앞-뒤 방향으로 정확하게 배치됨
✓ 형성체는 신경관의 유도뿐만 아니라 신경관의 각 부위를 결정함
✓ 원장 지붕(4개 부위로 구성)의 가장 앞 부위는 평균체(balancer)와 구강 기관 의 일부를 유도
✓ 다음 부위는 코, 눈, 평균체 및 귀소포를 포함하는 머리구조 유도
✓ 3번째 부위는 뒤뇌의 구조를 유도
✓ 가장 뒤쪽 부위는 등쪽 몸통과 꼬리 중배엽을 유도
✓ 낭배형성 초기에 가장 먼저 들어가는 형성체 세포는 뇌와 머리 형성을 유도
✓ 나중에 원구입술을 형성하는 세포는 척수와 꼬리가 될 세포 유도
표피 유도인자 : BMP들
표피 유도 인자는 BMP4(Bone morphogenetic protein)이며 BMP2, BMP7,
ADMP(anti-dorsalizing morphogenetic protein: 등쪽화 차단 형태발생 단백질, BMP 유사 국소분비 인자) 등과 매우 유사함
머리 유도자 : Wnt 억제자
✓ 뇌와 머리의 가장 앞쪽 영역은 척삭이 아닌 인두 내배엽과 머리 (초기착삭판) 중배엽이 아래로 위치
✓ Wnt 단백질(몸통 구조 유도, 앞-뒤 쪽 형태화) 생성을 억제하고 BMP4 가 차단되면 가장 앞쪽의 머리구조가 유도됨
Cerberus
✓ 가장 앞쪽의 머리구조 유도는 Cerberus 분비 단백질에 의해 이루어짐
✓ Cerberus는 시멘트 분비선(올챙이
외배엽의 가장 앞쪽 부위) 눈, 후각 기원판
(olfactory placode) 등의 형성을 자극함
✓ Cerberus 유전자는 초기 등쪽 입술의 심층세포에서 유래하는 인두 내 중배엽에서 발현
Frzb(프리즈비)와 Dickkopf
✓ 회절중인 내중배엽에서 합성되는 머리 형성 유도 단백질임
✓ Frzb는 Wnt 단백질과 결합하며 머리 아래의 내중배엽에서 다량 합성되며 복부 쪽 꼬리 구조 발생을 억제하고 머리를 형성함
✓ Dickkopf 단백질은 Wnt와 BMP 신호전달을 차단하여 머리 형성 유도
IGF(insulin-like growth factor)
✓ IGF는 앞쪽 머리구조 발달을 촉진하는 단백질로 뇌와 감각판을 가진 앞쪽 신경관 형성
✓ IGF는 등쪽의 정중선에 주로 집중되어 있고 BMP와 Wnt 신호 전달 경로를 간 섭하는 FGF(Fibroblast growth factor, 섬유모세포 성장인자)와 유사한
신호전환 연쇄 반응을 유발
몸통 유도 : Wnt 신호와 레티노산(Retinoic acid)
✓ 몸통 예정화에 작용하는 극성인자의 활성은 배아의 뒤쪽에서 가장 높고 앞 쪽으로 갈수록 약해지는 기울기를 가짐
✓ 신경관의 뒤쪽화와 관련된 주된 단백질은 Xwant8과 같은 Wnt 계열의 국소분자 인자 임
✓ Wnt 단백질의 기울기는 신경판의 뒤쪽 영역을 정하는 데 필수적
✓ 양서류 낭배에서 BMP 농도 기울기가 등-배 축을 결정하고 동시에 Wnt 농도 기울기는 앞-뒤 축을 정함
✓ Wnt 신호와 β-카테닌의 내부 기울기는 뒤쪽이 가장 높고 가장 앞쪽에는 없음(그림 8.33)
✓ 레티논산(retinoic acid)은 신경판의 뒤쪽 끝이 가장 높은 기울기를 형성하 고 농도 의존적으로 신경관을 뒤쪽화 시킴(그림 8.34)
좌-우 축의 결정
✓ 올쟁이는 외관상 좌우대칭이만 심장과 소화관 같은 몇몇 기관은 좌우로 불균 등하게 분포
✓ 배아는 좌-우 축을 가지고 있음
✓ 모든 척추동물은 좌-우 축 형성을 결정하는 데는 nodal 유전자(배아의 왼쪽에 위치한 측판 중배엽)의 발현에 의함
✓ 제노프스의 좌-우 축을 결정하는 유전자는 Xnr1로 왼쪽에서만 발현
✓ 이러한 기능은 수정 시 세포질 회전에 관여하는 미세소관이 좌-우 축 형성을 유도하고 그 다음으로 식물반구
전구체에서 발현되는 Vg1 단백질 배아의 왼쪽에서 우선적으로
활성화 됨
✓ Xnr1 단백질에 의해 발현되는 Pitz2는(배아의 왼쪽에만 위치) 심장과 창자의 위치를 결정
✓ Nodal 단백질이 배아의 왼쪽에서 Pitz2의 활성화로 인해 좌-우 극성을 확립
Zebrafish의 초기 발생
어류의 초기 발생
✓ Zebrafish는 1년 내내 번식이 가능
✓ 많은 알을 낳고 쉽게 자람
✓ 배아가 투명하여 관찰이 쉬움
✓수정 후 24시간이 경과하면
대부분의 조직과 원기가 기관원기를
형성되고 올챙이와 비슷한 형태로 발달(그림 7.37)
어류(Zebrafish) 알의 난할
✓단황난(telolecithal)으로 알의 대부분은 난황으로 채워져 있음
✓난할은 난황이 없는 동물극의 좁은 영역인 배반(blastodisc)에서만 일어남
✓세포분열은 부분난할(meroblastic cleavage)을 함
✓배반만 배아로 발생하기 하기 때문에 원반형 혹은 접시형(discoidal) 난할을 함
✓10번째 난할 초기에 포배중기로의 이행이 시작(배아 유전자의 전사가 시작되고 분열 속도는 느려지며 세포의 이동이 시작)
✓포배중기로의 이행 단계에서 세포는 세 집단으로 구분 :
1. 난황다핵층(yolk syncytial layer, YSL) ⇒ 식물쪽 가장 자리에 있는 세포가 아래에 위치한 난황세포와 융합하여 형성.
그 후 배반엽 난황을 감싸기 위해 식물극으로 확장. 난황다핵층
일부는 배반엽 아래로 이동하여 안쪽 YSL(internal YSL)을 형성하고 나머지는 계속 식물극쪽으로 이동하여 배반엽의 주변부에 머물며
바깥쪽 YSL(external YSL)을 형성. YSL은 낭배형성의 일부 세포 이동의 방향에 영향을 줌
2. 외막층(enveloping layer, EVL) ⇒ 배반엽의 가장 바깥쪽(표면) 세포로 구성.
배의 보호막인 외피가 되며 발생 후 벗겨져 나감 3. 심층세포(deep cell)는 배아로 발생
✓초기 배반엽의 세포 운명은 결정되어 있지 않으며 낭배 형성이 시작될 때 운명이 결정됨
✓ 낭배 시 배아의 특정 부위 세포는 정해진 길을 따라 발생하므로 운명지도 작성이 가능
어류 배아의 낭배 형성
✓ 최초의 세포 이동은 난황 위로 배반엽세포의 외적임
✓초기 단계는 배반엽의 심층세포가 바깥쪽으로 이동하여 표층세포 사이로
끼어 들고 나중에 이들 세포는 난황표면 위 식물극 쪽으로 이동하여 난황을 완 전히 감싸게 됨
✓ 외적이 진행되는 동안 배반엽의 한 면이 다른 면에 비해 눈에 띄게 두터워 지는 데 이 부분이 나중에 배아의 등쪽면이 됨
배엽의 형성
✓배반엽 세포가 난황세포를 반쯤 덮을 때 두터워 짐이 외적중에 배반엽 주변부 전 체에서 발생하며 이를 배반원(germ ring)이라 함
✓바깥층은 상배엽(epiblast), 안쪽층은 하배엽(hypoblast)으로 구성
✓하배엽이 구성되면 상배엽과 하배엽 세포들은 장래 배아 등쪽에서 교차하며 국부 적으로 두터워 짐(배방패, embryonic shield)
✓배방패는 양서류의 등쪽 원구입술과 동일 ⇒
배방패의 하배엽세포는 스스로 앞쪽으로 수렴확장하여 하배엽등쪽 정중선을 따라 좁아짐(척삭 중배엽 형성) ⇒ 척삭 중배엽에 이웃한 세포는 축엽
중배엽으로 중배엽인 체절 전구체 ⇒ 상배엽의 수렴확장은 등쪽의 정중선을 따라 이루어지며 신경용골과 외배엽이 됨
✓배반엽이 난황의 절반 정도 덮을 때 배아의 운명지도가 형성됨
어류 배아의 축 형성
등-배 축의 형성 : 배방패와 뉴쿱센터
배방패(embryonic shield)
✓어류의 등-배 축 확립에 매우 중요
✓측면 및 배쪽 중배엽을 등쪽 중배엽으로 전환 시킬 수 있음
✓외배엽을 표피가 아닌 신경으로 발달 시킬 수 있음
✓양서류의 형성체인 등쪽 원구입술과 동일한 역할
✓발생중인 어류의 배아 초기척삭판과 척삭을 형성
✓신경외배엽 유도
✓어류와 양서류에서 배아의 배쪽과 측면에서 만들어지는 BMP와 일부 Wnt 단백질은 외배엽을 표피로 유도하고 척삭은 이
유도를 차단하는 인자를 분비하여 외배엽을 신경이 되게 함
✓ 어류 배아 세포에서 배측과 측면의 운명은 BMP2B가 유도하고 배쪽, 측면, 뒤쪽의 형성은 Wnt8이 유도
✓척삭 중배엽이 분비하는 단백질인 Chordino는 BMP2B의 활성을 차단하여 신경관을 형성함
✓FGF는 외배엽을 표피와 신경 영역으로 형태화하는데 중요한 역할(배반원에서 나오며 배아 꼬리부분의 외배엽이 신경조직으로 발달하게 유도)
✓Zebrafish는 불완전난할을 하며 다핵체인 핵을 가진 거대한 난황세포를 가지나 양서류는 완 전난할을 하며 포배강을 가지는데 배아의 난할, 낭배형성, 축을 정하는 분자적 수단 등은 유 사함
✓β-카테닌과 Nodal 관련 단백질을 이용하여 등쪽 중배엽을 형성하고 이 중배엽에서 형성체 유전자가 발현
✓BMP와 Wnt를 사용하여 배아의 측면과 배쪽을 만들고 형성체 유전자는 BMP와 Wnt의 작용을 방해하는 Chordino, Noggin, Dickkopt와 같은 단백질을 암호화함
✓후기 발생은 특정 Wnt 신호를 사용하여 외배엽을 뒤쪽화하여 몸통 신경관을 형성 어류의 뉴쿱센터(Nieukoop center)
✓어류의 배아에서 배방패가 위치하는 난황의 등쪽 부분
✓배방패는 양서류의 형성체 기능을 하며 배방패가 될 바로 아래쪽에 위치한 난황다핵층의 일부 핵은 다량의 β-카테닌을 저장하고 있음
✓ β-카테닌의 축적 유무에 따라 등쪽 YSL과 측면 및 배쪽 YSL이 구분(β-카테닌 축적은 등쪽화가
일어나 제2의 배아축 형성)
✓ 배방패의 β-카테닌는 Tcf3(Transcription factor 3)와 결합함으로 Squint(중배 엽 형성에 작용하는 Nodal 유사한 국소분자)와 Bozozok(뉴쿱센터의 단백질인 Siamois와 유사) 단백질 유전자를 활성화
✓Bozozok 작용
1. 단독으로 작용하여 배쪽 형성을 촉진하는 BMP와 Wnt 유전자 발현 억제
2. 다른 세포에서 활성화되어 bozozok 유전자 발현을 차단하는 vega1 유전자의 발현을 억제
3. Bozozok와 Squint는 독립적으로 chordino 유전자 발현(척색 발생 유도)을 촉진하며 동시에 goosecoid, noggin, dickkopf 유전자 발현 활성화
이들 유전자는 BMP와 Wnt의 작용을 차단하고 등쪽 중배엽과 신경 외배엽으로 운명 결정
✓ 모계의 β-카테닌은 낭배형성 중에 중배엽과 내배엽 세포 이동에 협력하는 제3의 경로를 활성화시 킴
✓배방패로부터 유래된 등쪽 중배엽은 뒤쪽에서 척삭이 되고 앞쪽에서 초기척삭판이 됨
✓세포의 이동으로 수렴확장이 일어나며 β-카테닌에 의해 분비되는 Stat3 전사인자(작 은 GTP 분해호소(GTPase = RhoA)에 의해 발현이 조절되며 GTPase는 세포극성 평면경로(plannar cell polarity pathway)의 중요한 요소가 되며 이 경로를 따라 세포 는 정중측면 축을 따라 분화, 액틴 세포골격을 조직화)로 조절됨
✓방사형 교차와 방향성 있는 세포분열로 인하여 낭배형성 과정에서 수렴확장이 일어남
✓Wnt 신호는 수렴확장을 통해 배아 축으로 이동하는 세포극성을 조절함
Nodal 신호 :
✓ 등쪽 축 형성에 매우 중요(Nodal 단백질의 모계 mRNA는 미세소관을 따라 8-세포기 배아 의 등쪽에 가까운 2개 할구로 운반). 성체 뿐만 아니라 내배엽 형성에 중요함
✓ 내배엽에서 Squint와 Cyclops(Nodal 관련 단백질)의 종류인 Bon과 GATA5 전사 인자 (후기 포배 시 내배엽 형성에 관여하는 유전자 발현 조절)를 유도
✓β-카테닌과 Nodal 전사인자은 등쪽 요소를 정함
앞-뒤 축의 형성
✓앞-뒤 축의 형태화는 FGF, Wnt, 레티노산(Retinoic acid, 형태발생물질)의 상 호작용으로 일어남
✓기작은 앞쪽 유전자 발현을 억제하는 Wnt 신호와 뒤쪽 유전자 활성에 필요한 FGF 활성화
✓앞-뒤쪽 조절은 레티논산(뒤쪽화 유전화 활성화 촉진)의 분해효소(retinoic acid-4-hydroxylase: 앞쪽(머리) 유전자 활성)가 함
✓FGF와 Wnt는 cyp26을 발현을 방해하여 머리 예정 유전자인 otx 2의 발현을 억제하며 레티논산 축적이 일어나고 뒤쪽 유전자가 발현
✓ Retinoic acid 신호를 받지 못하면 앞쪽 유전자가 발현하고 고농도의 RA에 노 출되면 뒤쪽 유전자가 발현되며 중간 농도에서는 앞쪽과 뒤쪽 영역 사이에 있 는 세포의 특징적 유전자 발현
좌-우 축의 형성
✓척추동물의 좌우측은 해부학적 및 발생학적으로 다르며 어류에서 심장은 왼쪽 에 위치하고 뇌의 좌우 구조는 다름
✓ 배아 왼쪽에서 국소분비인자 Notch, Nodal, Pitx 단백질 발현
✓배아 오른쪽 세포는 국소분비인자 Notch, Nodal과 Pitx 전사인자의 정보를 받 으며 왼쪽 세포는 FGF 신호전달에 노출됨
✓섬모의 구성성분인 디네인(Dynein) 유전자가 좌-우 축 형성에 관여함
✓ Zebrafish에서 결절 구조는 좌-우 비대칭을 조절하는 섬모인 쿠퍼소낭
(Kupffer,s vesicle, 투명한 액체로 채워진 기관, 낭배 형성 직후에 배방패 근처 의 등쪽 세포에서 발생)을 가짐
