제4장발생과유전장발생과유전

제 4장

발생과 유전

발생은 크게 두 가지 요소에 의해 영향을 받는다.

유전 프로그램(genetic program)과 환경적 영향 (environmental factor)이 바로 그것이다.

유전 프로그램은 내적인 요소(internal factor)로서 신체의 어느 부분이, 언제, 어떻게 만들어질지에

대한 명령이다.

환경적 영향은 외적인 요소(external factor)이다.

약물이나 발암물질, 공해 등 환경적 요인으로 인 해 유전자에 돌연변이가 일어나게 되면 잘못된 명령이 내려질 것이고 이 때문에 기형적 발생이 이루어지 게 된다.

유전자가 올바른 지시를 내리더라도 환경이 이를 뒷받침하지 못하면 - 예를 들어 영양 부족이 생긴 다면 - 역시 정상적인 발생이 이루어지지 못할 것 이다.

때문에 유전과 환경, 이 두 요소는 어느 것이 먼저 라고 할 것 없이 대단히 중요한 특성들이다.

만일 이 중 어느 한 가지라도 변경되면 변이 내지는 비정상적인 발달, 심지어 사망이 초래될 수 있다.

이런 의미에서 우리는 유전과 환경을 발생의 2대 필수 요소라 부르고, 상호 보완적인 관계에 있다고 말한다.

유전과 환경 이외에도 정상적인 발생을 위해서는 다음의 3가지 조건이 추가로 만족되어야 한다.

첫째는 세포 수의 증식(cell division)이다. 발생은 앞에서 설명한 것처럼 수정된 세포(수정란)가 세포 분열을 통해 복잡한 다세포성의 개체로 발달해 가 는 과정이다.

사람의 몸은 약 100조 개(1014개)의 세포로 되어 있으며 이는 수정란으로부터 약 40대 째(240) 세포 분열을 한 결과이다.

둘째는 세포 성장(growth)이다. 막 분열을 마친 딸 세포(daughter cell)들은 일반적으로 모세포

(mother cell)보다 작기 때문에 적당한 크기로 다시 자라나야 한다. 단순히 크기만 회복되는 것이 아니 라 기능적으로도 그 세포에 주어진 임무를 할 수 있 도록 적절하게 분화(differentiation) 되어야 한다.

개체 성장이란 전체 세포의 수가 증가하면서 동시 에 각 세포의 크기가 증가한 합의 결과이다.

올바른 성장을 위해서는 단백질을 섭취하여 끊임없 이 새로운 원형질을 합성해내는 일과, 수분 섭취에 따른 세포의 팽화작용, 지방의 축적, 무기물질(섬유 질 등)의 증가 등이 수반되어야 한다.

성장은 체질, 온도, 영양상태, 성장촉진요인, 성장저 해요인 등 여러 가지 요인에 의해 좌우되기도 한다.

셋째는 분화(differentiation)와 통합(integration)이다.

분화란 성장과 분열의 결과로 세포와 조직, 기관의 성 질이 비가역적(irreversible)으로 변화하는 것을 의미 한다.

비가역적 변화란 한 번 진행되면 다시 돌아올 수 없 는 변화를 말한다.

미분화세포는 아직 운명이 결정되지 않아 어떤 조 직이나 기관으로도 분화할 수 있는 다능력 또는 전 능(pluripotent)을 가지고 있으며 무한정한 세포분 열도 가능하다.

그러나 일단 분화가 되면 더 이상의 세포분열이 불 가능해지고 한 가지 기능만을 위해 특수화

(specialization)된다.

그리고 이렇게 분화된 세포들이 자신의 기능을 수 행하기 위해 위치를 바꾸어가며 적절하게 재배열됨 으로서 조화 있는 개체를 형성하게 된다.

이렇게 전체적인 조화를 찾아가는 과정을 우리는 통합(integration)이라고 부른다. 사람의 수정란은 8세포기까지 온전한 미분화 상태를 유지한다.

즉 8세포기 까지는 그 중 어떤 할구를 하나 떼어내 다시 자궁에 착상시키더라도 온전한 개체로 발생할 수 있다는 것이다.

일란성쌍생아가 가능한 이유가 바로 여기에 있다.

통합은 신경계와 내분비계에 의해서 조절된다.

이처럼 개체가 바르게 발생하기 위해서는 성장과 분화, 그리고 통합의 과정이 필요하지만 이 모든 것을 뒷받침하는 것은 역시 유전과 환경이다.

그동안 세포분화와 통합에 대한 연구가 많이 이루 어졌기에 지금은 세포분열의 결과로 개체가 형성된 다는 후생설이 맞다고 확실하게 증명되어 있지만, 발생학 초기 시절에는 분화의 개념이 없었기 때문 에 미리 형성된 전구체가 크기만 커져서 개체가 된 다는 전성설이 잘못 대두되었던 것이다.

복제양 돌리의 탄생은 게놈의 등가성을 확인해 주었 다. 게놈의 등가성이란 머리끝에서 발끝까지 모든 세 포의 유전자가 똑같다는 뜻이다.

때문에 조건만 적절히 맞추어준다면 분화를 마친 세 포도 수정란 상태로 되돌아갈 수 있다는 말이다.

 게놈의 등가성

그러나 만약 두 번째 가설처럼 세포가 분화를 거듭 하면서 필요 없는 유전자를 선택적으로 잃어버린다 면 게놈의 등가성이 깨어지게 되고, 분화를 마칠 때 쯤엔 상당수 유전자가 소실된 상태이기 때문에

절대로 수정란 상태로 되돌아갈 수 없을 것이다.

여기서 Spemann의 실험을 먼저 소개하도록 한다.

도룡뇽이나 성게, 개구리처럼 체외수정을 하는 동 물들은 알(egg)을 구하기가 비교적 용이하다.

또한 이들의 알은 투명하거나 적어도 반투명하기 때문에 현미경으로 들여다보면서 조작하기도 용이 한 편이다.

Spemann은 도룡뇽의 초기 포배 세포에서 핵을 꺼 내어, 이 핵을 방사선으로 핵을 파괴한 난자에 이식 하였다.

그 결과 난자가 마치 수정란처럼 분열하면서 분화 해 나가기 시작하는 현상을 관찰하였다.

이것은 포배 상태까지 분화된 세포의 핵이 여전히 아무 유전자도 잃어버리지 않고 그대로 지니고 있 음을 확인해 주는 것이었다.

Spemann은 나중에 올챙이의 창자세포에서도 핵을 꺼내어 핵이식실험을 실시하였는데 그 결과 역시 동일하였다.

요즈음은 마이크로인젝터(microinjector)라는 기기가 발달되어 있어 핵치환실험이 훨씬 용이해 졌다.

마이크로인젝터는 좌, 우 양쪽에 로봇 팔 이 달려있는 데 한쪽 팔에는 진공펌프와 연결된 빨대가, 다른 쪽에 는 유리대롱으로 아주 가늘게 만든 주사바늘이 연결되 어 있다. 난자를 빨대로 고정시키고 나서 유리 바늘로 핵이나 정자 등 원하는 시료를 주입시키는 장치이다.

세포는 필요할 때마다 바로 그 시점에 요구되는 유전자 들만 선택적으로 발현(expression)시킨다. 예를 들어 방 금 점심 식사를 하였고 때문에 소화효소가 필요하다면 그에 해당하는 유전자들을 발현시키지만, 시간이 지나 더 이상 소화효소가 필요치 않으면 발현을 정지시키는 것이다.

 선택적 발현

즉 필요하지 않은 유전자까지 에너지를 소모하며 발현시킬 이유가 없기 때문에 선택적 발현

(selective expression)을 통해 세포의 기능을 최적 화시키는 것이다.

마찬가지로 선택적 발현을 통해 간세포는 간세포로 서 요구되는 유전자만을 발현시키고, 뇌세포는 뇌 세포 기능에 필요한 유전자만을 발현시킨다.

물론 세포 생존을 위해 기본적으로 필요한 유전자들 은 - 이런 유전자들을 기초유전자(housekeeping

gene 또는 householding gene)라고 부른다 - 모든

세포에서 공통적으로 발현이 된다. 모든 세포가 똑같 은 유전자를 가지고 있음에도 불구하고 각 세포로서 기능적, 형태적으로 분화될 수 있는 원리가 바로 선 택적 발현에 있다.

선택적 발현은 주로 전사 차원에서 조절이 된다.

선택적 발현 역시 분자생물학적 실험을 통해 증명 이 가능하다. 먼저 간과 뇌세포에서 mRNA를 추출 한 다음 역전사 효소(reverse transcriptase)를 이용 해 각각 cDNA로 바꾸고 이를 벡터(vector)인 플라 스미드(plasmid)에 재조합한 다음 대장균에 형질전 환(transformation) 시킨다.

mRNA를 cDNA로 역전사하는 이유는 염기서열이 상보적인 DNA 가닥을 얻기 위해서이다. 이렇게 준 비된 대장균들을 니트로셀룰로오스 종이에 부착시 켜 콜로니(colony)로 키운 다음 NaOH 용액을 처리 하면 세포막이 터지고 DNA가 흘러나오는데, 알칼 리성 때문에 외가닥으로 풀려 주형 DNA가 노출되 게 된다.

이제 간세포 RNA와 뇌세포 RNA를 각각 방사능 으로 표지하여 준비된 주형 DNA 위에 붓고 적당 한 온도에서 교잡(hybri-dization) 반응을 시키면 다음과 같은 결과가 얻어질 것이다.

간세포 DNA 주형에 간세포 RNA를 반응시키면 당 연히 모든 콜로니에서 분자교잡이 발견된다. 주형으 로 쓰인 cDNA들이 모두 간세포 mRNA에서 유래하 였기 때문이다. 반면에 간세 포 DNA 주형에 뇌세포 RNA를 반응시키면 공통된 염기서열이 없어서 분자 교잡 이 일어나지 않는 콜로니도 관찰되게 된다.

이를 해석하자면 간세포 RNA와 뇌세 포 RNA 모 두에 분자교잡이 이루어진 콜로니의 유전자는 간과 뇌에서 모두 발현 되는 것들이고, 간세포 RNA와는 교잡반응이 일어났으나 뇌세포 RNA와 교잡이 이 루어지지 않은 것들은 간세포에서만 특이적으로 발 현되는 유전자이다.

마찬가지로 뇌세포 cDNA를 주형으로 하고 간세포 RNA와 뇌세포 RNA를 방사능 표지 하여 각각 반 응시키면 뇌세포에서만 특이하게 발현되는 유전자 를 선별적으로 구별해낼 수 있다.

발생유전자들이 서로 교류하면서 기능적으로 통합한 결과가 바로 분화라고 이야기할 수 있고, 분화의 결과 온전한 세포와 개체가 탄생할 수 있기 때문에 우리는 그 과정을 형태형성 (pattern formation)이라고 말한다. 형태형성은 발생생물학 에서 가장 중요한 용어 중 하나이다. 즉 형태형성이란 수정란 이 난할을 거쳐 각 조직으로 특수하게 분화되어 나가는 과정 에서 적절한 조화와 통합을 이루는 기작을 말한다.

제 5장

발생생물학 연구 대상

다양한 세포와 생물들이 발생생물학 연구에 이용되 지만 그 중에서도 효모(yeast) 는 단골로 등장하는 재료이다.

진핵세포 중 가장 하등한 세포이기 때문이다.

때문 에 효모의 발생기작은 다른 다세포생물보다

단순하면서도 그보다 고등한 생물의 발생을 이해하 는데 필요한 기초자료를 제공한다.

특히 효모는 두 종류의 반수체 세포가 교배를 하기 위해 유전자 발현을 어떻게 조절하는지 보여주는 좋은 표본이다.

효모에도 여러 종류가 있지만 실험용으로는 saccharomyces cerevisiae를 주로 이용한다.

효모의 경우를 비약시키면 동물의 정자와 난자에서 도 비슷한 경우를 찾아볼 수 있다. 즉 “두 개의 반수 체 세포인 정자와 난자가 어떻게 서로를 인식하고 찾아갈까” 라는 질문에 대한 해답이다.

정자는 난자가 자기와의 교배 대상자(mating partner) 인 것을 어떻게 알아차릴까? 극단적으로 표현하자면 정자는 주변의 또 다른 정자를 교배 대상자로 여기지 않고 어떻게 멀리 있는 난자를 찾아가는가? 여기에는 분명히 서로 간 신호가 있지 않을까? 그렇다면 그 신호는 무엇일까? 라는 것들이 문 제이고 아직 구체적인 연구는 없어도 효모의 경 우에서 답을 유추해 볼 수 있을 것 이다.

즉 정자와 난자의 신호를 조절하는 유전자들이 있 고 또 그 유전자들의 발현 을 조절하는 DNA 결합 단백질이 여럿 있을 것이라는 추정이다.

이처럼 C. elegans는 세포가 분열하고 분화하는 과 정이 모든 개체에서 동일하다. 그 결과 성만 같으면 모든 개체의 체세포가 숫자적으로 똑같으며 전체적 인 배열 역시 똑같을 수밖에 없다.

자웅동체의 체세포는 959개이며 수컷에서는 1,031 개이다. 이렇게 모든 개체에서 동일한 세포가 동일 한 장소에 분화될 수 있는 이유는 C. elegans의 발 생이 세포자율적이기 때문이다. 분화는 세포자율적 운명 결정, 또는 주변 세포와의 신호교환에 의해 결 정된다는 것을 앞에서 언급한 적이 있다.

C. elegan는 전적으로 세포자율적 분화에 의한 발생 을 선택하고 있다. 때문에 각각의 세포들은 대부분

자율적으로 분화해 나간다. 즉 대부분의 선충류 체세 포는 서로 그 옆에 인접해 있더라도 서로 간 영향을 주거나 받지 않는다는 것이다.

즉 처음에 꼬리로 운명이 결정된 세포는 최종적으로 도 꼬리의 일부가 된다.

반면 신호에 의해 결정되는 발생 경우에는 꼬리보 다 머리로 분화하는 것이 좋겠다는 주변의 신호를 받아들여 도중에 자기 운명을 바꿀 수도 있다.

예를 들어 사람의 생식세포는 발생초기에 꼬리 부분 에서 만들어지는데 점차 생식선 쪽으로 옮겨가는 것 이 그 좋은 예이다.

C. elegan처럼 세포자율적 분화를 따르는 경우에는 세포계보도를 확실하게 그릴 수 있는 반면 신호에 의 해 수시로 변화하는 발생이라면 계보도를 도저히

그릴 수 없다.

발생학 연구에서 초파리(Drosophila melanogaster) 는 대단히 유용한 실험 재료이다. 게놈프로젝트를 통 해 전체 유전자가 완전하게 밝혀져 있는데다가 발생 단계가 명료하여 알에서 유충과 번데기 시기를 거쳐 성체에 이르는 전 과정을 지켜보기가 용이하기 때문 이다.

 초파리

첫 번째 유충은 수정 후 약 24시간 만에 알에서 깨어 나오는데 이를 영충(instar)이라고 부른다.

영충은 약 104개의 세포로 되어 있다.

계속해서 2번의 탈피와 번데기 시기, 그리고 복잡한 변태 과정을 거쳐 성체가 되는데 성체초파리는 약

106개의 세포로 되어 있다. 초파리 발생에 걸리는 시 간은 25℃에서 대략 10~12일 정도이다.

초기 발생은 알상자 내에서 일어나는데 세포질 분 열에 비해 핵분열이 훨씬 빠르기 때문에 핵이 마치 알상자내에 무리 지어 있는 것처럼 보이게 된다.

이렇게 세포질 분열 없이 핵만 계속해서 분열하여 만들어지는 것이 합포성배반엽(syncytial

blastoderm)이고, 그 안에 6,000여 개 정도의 핵이 들어차게 된다.

수정 후 2.5~3시간 정도 지나서야 개개의 핵을 구 분 짓는 핵막이 나타나는데 이때 비로소 각 세포들 의 형태가 뚜렷한 공모양의 배반엽(blastoderm)이 만들어진다.

배반엽은 다른 동물의 포배(blastula)에 해당하는 것이다.

초파리의 초기 배반엽 세포들은 자율적으로 분화하 고 발달하는 것이 특징이다. 즉 각각의 세포가 확실 하게 운명이 결정되어 있기 때문에 특정 세포를 바 늘로 찔러 파괴하면 그 결과가 성체에 그대로 드러 나는 것을 볼 수가 있다.

이런 방법을 되풀이하면 우리는 초파리 배반엽 세 포들의 운명을 지도 그리듯이 그려낼 수 있다.

즉 발생학적 운명이 전적으로 세포 자율에만 맡겨 져 있기 때문에 그 결과를 쉽게 유추해 낼 수 있는 것이다.

심지어는 배반엽 세포를 배자의 다른 부위에 옮기 더라도 이미 결정된 운명에 따라서만 발생하기 때 문에 세포간 대화를 통한 기능적 분화는 초파리에 서 전혀 통하지 않는다.

그렇다면 배반엽 세포들의 운명은 어떻게 결정되는 것일까? 분명히 발생 아주 초기에 몸 전체를 구상 하는 계획(early body plan)이 있었을 것이고,

이에 맞추어 유전자가 발현되어 6,000여 개에 달하 는 배반엽세포들의 운명을 결정지었을 것이 기 때 문이다.

초파리 발생에서 배울 수 있는 사실은 난자 속에 미 리 들어있던 모계 mRNA(maternal mRNA)가 중 요한 역할을 한다는 것이다.

이 mRNA는 수정과 동시에 단백질로 발현되어서 난할을 일으키기 때문에 만약 단백질 합성을 막는 약 물을 처리하면 난할 자체가 일어나지 않게 된다.

이 말은 모계유전자(maternal effect gene)가 난할 과 발생에 중요한 역할을 한다는 뜻이다.

물론 수정을 통해 부 계로부터 전해온 유전자도 있 겠지만 부계유전자는 상대적으로 발생 후반부에 관 여할 것으로 추정이 된다.

모계유전자들의 기능에 대해서는 앞으로도 연구해 야 할 일이 많지만 발생의 아주 초기 단계에 작용하 는 유전자들인 만큼 배자 발생과 세포의 운명 결정, 그리고 형태 형성에 중요한 영향을 미친다는 사실

은 분명하다.

앞으로 이들 유전자에 대한 돌연변이 연구가 진행 될수록 더욱 그 기능들을 세세하게 파악할 수 있을 것으로 기대된다.

발생에 관여하는 유전자들을 통틀어 호메오박스 유전 자

(homeobox gene)

(60여 개의 아미노산에 해당)

의 영역을 가지고 있다. 호메오박스 유전자는 1984년에 초파리에서 처음 발견되었는데 그 이후 동물뿐 아니라 식물, 곰팡이 등에서도 차례로 분리되었다.

호메오박스 유전자는 염색체 상에 여러 개가 집단을 이루고 있는 것이 보통인데 발생과정에서 일찍 발현되어 전체적인 전, 후, 좌, 우 축을 결정해주거나 체절^(segment)의 위치를 정해주는 것으로 알려져있다. 이들 유전자에서 돌연변이가 생기면 그에 해당하는 체절이 없어지거나 기능을 잃는 경우가 종종 발생된 다. 이러한 원리를 이용해서 발생의 순서와 그에 관여하는 유전 자들을 지금도 계속 발굴하며 연구하고 있다.

앞서 말한대로 상기한 발생유전자들은 모두 차례대 로 다음 유전자 세트를 전사시켜주는 전사활성인자 (transcription factor)들이다.

즉, 이들을 통해 발생에 관여하는 다른 유전자들의 전사가 순차적으로 촉진된다는 말이다.

호메오박스 유전자 중에서도 제일 관심사는 당연히 이렇게 순차적으로 다음 유전자를 전사 활성시키는 것이 그들의 기능이라면 과연 수정 즉시 첫 번째로 발현되는 것은 과연 무엇이냐는 것이다.

발생유전학자들은 이런 유전자를 마스터 유전자 (master gene)이라고 부른다.

그리고 이에 대한 연구는 계속 진행 중이지만 아직

도 마스터 유전자를 정확히 분리해내지 못하고 있다.

위에 언급한 것들 외에 호메오박스 유전자가 전체 적으로 몇 개나 되는지 정확히 알 수는 없지만 여러 생물체에서 게놈프로젝트가 완성된 지금도 계속해 서 새로운 발생 관련 유전자들이 발견되고 있다.

호메오박스의 공통된 염기서열은 초파리이외에도 곤충, 닭, 개구리, 사람에서 공히 발견이 된다.

발생은 이처럼 세포자율적이면서도 세포간 신호교 류에 의해서, 또 유전에 의해서 기본 프로그램이 정 해져 있으면서도 환경에 영향을 받는 대단히 복잡 하고 정교한 사건이다.

앞에서 밝힌 것처럼 다양한 실험동물과 돌연변이 유도 실험을 통해 관련된 유전자들과 현상들이 하 나씩 밝혀지고는 있지만 워낙에 상호 작용이 복잡 다양하여 쉽사리 풀릴 수 없는 것이 발생의 문제들 이다.

그럼에도 불구하고 이에 대한 연구가 중요한 이유 는 선천성질환과 기형에 대한 해답을 주기 때문이 다. 최근에 개발된 다양한 유전공학적 기술들은 생 명의 기원에 대한 수수께끼를 과거와는 비교할 수 없을 정도로 빠르게 밝혀나가고 있다.

발생

- 유전(내적인 요소) - 환경(외적인 요소)

* 어느 것이 더 중요한가?

- 세포수의 증식(cell division) - 세포 성장(growth)

- 분화(differentiation)와 통합(integration), 특수화(specialization)

* 8세포기

형 태 형 성 ( p a t t e r n f o r m a t i o n )

게놈(genome)의 등가성 유전자의 선택적 발현

발생생물학 연구대상

- 효모(yeast)

- 예쁜꼬마선충(C. elegans)

- 크기가 작다 - 먹이는 박테리아

- 300개의 알, 60시간이면 부화

- 몸체가 투명하여 세포의 분열과 이동 관찰이 용이 - 세포자율적 분화

- 초파리(Drosophila melanogaster)

- 10~12일이면 발생 완료 - 게놈프로젝트 완성 - 세포자율적 분화 - 체절구분이 확실

-호메오박스 유전자(homeobox gene) 연구에 좋은 모델 (180bp=60개 아미노산)

- 포유동물

- 세포간 신호교류에 의한 발생

세포사멸사

(apoptosis) Programmed Cell Death

마스터 유전자 (master gene)