수정 : 새로운 개체의 시작
수정은 정자와 난자의 결합이며 성과 생식이라는 두 가지 목적을 달성
수정의 단계
1. 장자와 난자의 만남과 인식 : 같은 종임을 확인하는 과정
2. 정자의 DNA가 난자로 진입 : 1개의 정자 DNA만 들어가도록 함
3. 정자와 난자의 DNA(유전물질) 융합 4. 발생시작을 위한 난의 물질대사 활성화
정자
✓ 첨체(acrosome) : 골지체에서 유래하며 난자의 난막을 뚫는 hyaluronidase를 함유
✓ 첨체돌기(acrosomal process) : 수정 과정에서 종 특이적 인식
✓ 머리(head) : 첨체와 핵으로 구성
✓ 중편(중부, midpiece) : 나선형 미토콘드리아가 분포. ATP 생성
✓ 꼬리(편모, flagellum) : 미세소관으로 구성(9+2), tubulin에 디네인(dynein) 단백질 이 정자에 추진력을 제공함
난자(알)
체세포에 비해 크기가 큼
난자에 축적된 대표적인 물질 : 단백질(난황단백질), 리보솜과 tRNA, mRNA, 형태발 생인자(난할 과정 시 특정 세포로 발생과 분화 유도), 보호물질
수정과정(정자와 난자의 상호 작용)
1. 난자에서 분비되는 수용성 물질에 의한 정자의 화학적 유인 2. 정자 첨체구에 들어 있는 효소의 세포 외 방출
3. 난자의 바깥쪽 막(난황막, 투명대)에 정자의 결합 4. 바깥쪽 막을 가로지르는 정자의 통과
5. 난자와 정자의 세포막 융합
6. 자성전핵과 웅성전핵이 핵 융합(수정)
성게의 체외 수정
✓ 정자 유인 : 난자가 분비하는 화학물질의 농도 기울기를 형성하는 주화성 (chemotaxis)으로 정자를 유도. 종 특이적 정자 유도
예: 극피동물의 리색트(resact; 주화성물질) ⇒
Arbacia punctulata(성게 종류) speract ⇒ Strongylocentrotus purpuratus
✓ 첨체반응 : 1. 정자의 원형질 막과 첨체구 융합으로 첨체구 내용물 방출. 분비된
단백질 분해 효소는 젤리층을 분해하여 통로를 형성. 첨체반응을 일으 키는 젤리층 인자는 높은 종특성을 나타냄. 정자의 수용체에 황화당이 결합되면 3종류의 정자 막단백질이 활성화됨(1. 정자머리 부분의 칼슘 통로 단백질 2. Na+을 유입하고 H+를 내보내는 나트륨/수소 이온 교환 효소 3. 2차 전령인 IP3(inositol triphosphate)을 생산하는
PLC(phospholipase(인지질분해효소) C)) 활성화
2. 난황막과 접촉이 용이하도록 첨체돌기 확장. 구형의 액틴 분자가
중합하여 액틴 미세섬유를 생성. 정자 첨체돌기에 포함된 특정 단백질 분자(예 : 빈딘(bindin), Strongylocentrotus purpuratus(자주성게)의 특정 단백질)와 난황막의 특정 단백질 분자 수용체가 작용하여 종특이 적 인식
✓ 종특이적 인식 : 정자의 유인 단계 정자 활성화 단계 난자의 난황막과
정자 접촉 단계 등에 일어남
✓ 장자와 난자의 세포막 융합 : 정자는 첨체 반응 후 정자와
난자의 원형질막이 융합되고 난자는 수정구(fertilization cone)를 형성함
성게는 난세포 모든 부분에서 정자가 들어갈 수 있음
다수정 방지
✓ 다수정(polyspermy) : 1개의 난자에 여러 개 정자가 동시에 수정. 난할 중 비정 상적인 염색체 분리를 유발하며 배아는 발생 중에 죽게 되거나 비정상적으 로 발생
✓ 다수정의 빠른 차단(fast block to polyspermy) : 난자의
막전위 변화. 성게의 난자 휴지막 전위 -70mV(막 내부는 음전하). 정 자가 원형질막에 접촉하면 1∼3 초 내에 막 전위가 +20mV로 변화(탈분극)
⇒ 정자는 난자의 막과 융합이 불가 1분 정도만 탈분극 유지 가능.
전기적 차단은 척추동물 중 개구리에 서는 관찰되나 대부분의 포유류에서는 일어나지 않음
✓ 다수정의 느린 차단(slow block to polyspermy) : 정자와 난자가 결합한 후 약 1 분 후에 피질과립반응(cortical recation)으로 수정막 형성. 피질과립은 세포막 과 난황막 사이에 분비. 트립신 계열의 피질과립 세린단백질 분해효소
(cortical granule serine protease)는 난황막을 원형질막에서 분리하고 난황 막에 존재하는 당단백질 정자 수용체(ex : bindin 수용체)를 파괴 ⇒ 정자 접 근 방지. 피질과립에 있는 점성 다당류(mucopolysaccharide, ;
glycosaminoglycan)가 난황막과 결합하여 수정막 형성(fertilization envelope)
⇒ 물을 흡수하여 난자의 세포막 에서 수정막을 이격 시킴 ⇒ 난자에 붙어 있던 정자는 떨어져 나감
✓ 성계의 경우 하이알린층 (hyaline layer)이 난자 표면을 감싸게 되고 hyaline layer 는 난할 중 할구를 보호하는 보호막 역할을 함
성게 알의 물질대사 활성화
세포 내 칼슘이온 방출
✓핵과는 상관 없이 세포질에서 일어남
✓난자에 유입된 정자의 수용성 물질이 세포의 이온 조성을 변화시켜 알을 활성화 (포유류에서는 일어나지 않는 것으로 추정)
✓난자의 세포질에서 IP3(inositol triphsphate,
칼슘이온 방출자)을 생산하는 PLC(phospholipase(인지질분해효소) C)을 활성화 시켜 소포체에서 Ca2+가 방출되어 물질대사 과정을 활성화 시킴
✓ 유전물질의 융합 : 장자와 난자의 세포막 융합 후 정자의 핵, 중심체는 미토콘드리 아와 편모로 분리되고 미토콘드리아와 편모는 난에서 대부분 분해 됨.
미토콘드리아는 모계 유전이며 방추사를 형성하는 중심체는 대부분의 동물에서 부계 유전임.
2차 감수분열 중 난자에 진입한 정자는 웅성전핵이 되어 180˚ 회전한 후 자성 전핵 사이에 성상체를 형성하여 접합자 핵(zygote nucleus)이 형성
성게에서 알 활성화 경로
포유류의 수정
포유류의 수정은 암컷의 수란관 내부에서 일어나기 때문에 장자의 이동 경로에 따른 주변환경, 정자는 이동하는 과정 중 여러 단계로 성숙 과정을 거치므로 연구 가 매우 어려움. 수정이 일어나는 곳은 암컷의 수란관의 팽대부(ampulla)에서 일 어남. 난자는 성숙되면 수란관의 섬모 운동과 근육 수축에 의해 수정 장소로 이동.
정자는 자궁의 근육운동과 편모 운동에 의해 수정 장소로 이동
✓ 정자의 운동성
1. 자궁근육의 수축은 수란관까지의 정자 이동에 결정적인 역할 2. 팽대부 근처의 수란관은 정자를 느리고 천천히 움직이게 함
3. 정자의 운동성은 수란관에 도착한 후 난자 근처에서 극도로 활성화 됨 4. 정자는 수란관의 온도차와 난자에서 유래하는 화학물질에 의해 방향
지시를 받음
5. 정자는 질에서 수란관의 팽대부에 가는 도중 성숙하며 난자와 수정할 능력을 형성
✓수정능 획득(capacitation) : 정자가 암컷의 생식관에서 일정 시간 동안 지나는 사 이 난자와 수정할 능력을 갖게되는 일련의 생리적인 변화
✓ 수정능 획득 과정에서 일어나는 분자적 분화
1. 정자의 세포막은 암컷 생식관의 알부민 단백질에 의해 콜레스테롤이 제거되면서 변화
2. 정자의 표면에 있던 특정 단백질이나 당은 수정능 획득 과정에서 소실
3. K+이 유출되면서 정자의 막전위는 과분극
(hyperpolarization). 정자 내로 Ca2+가 유입되며 첨체 반응의 막 융합 촉진 4. 단백질의 인산화 발생.
단백질이 머리 부분으로 이동하며 투명대와 결합할 수용체 형성에 필수적인 역할을 함
난자 근처에서 정자의 초활성화, 주온성, 주화성
✓ 초활성화(hyperactivation) : 정자가 자궁을 자나 수란관을 통과할 때 초활성화 (매우 빠른 속도로 헤엄치고 더 큰 힘이 발생) 됨. 장자 세포막에 있는 하이알 루로니디아제(hyaluronidase)와 초활성화는 난자의 기질을 분해하여 정자가 통과 하는 길을 만듬
✓ 주온성(thermotaxis) : 수란관의 협부와 팽대부 사이의 온도 차가 2℃. 정자는 따뜻한 곳으로 헤엄침
✓ 주화성(chemotaxis) : 난자에서 분비되는 특정 분자에 반응하여 정자가 이동
투명대 인식 : 투명대는 무척추동물의 난황막과 유사한 역할을 하며 포유류는 체내 수정을 하기 때문에 투명대에서 정자 결합은 상대적으로 약한 종특이성을 보임.
정자와 난자의 접촉(투명대에서) : 투명대에는 ZP1(zone pellucida 1), ZP2, ZP3라 부르는 3종류의 주된 당단백질과 부속 단백질로 구성. 정자는 초기 단계 에 투명대 바깥쪽에서 약하게 달라 붙으며 투명대 인식의 최종 단계에서는 ZP3 에 결합. ZP3의 당 성분은 정자의 투명대 결합에 매우 중요함. ZP3와 결합한 정 자는 첨체 반응을 함. 투명대 부착 지점에서 첨체구는 다양한 단백질 분해효소를 분비하여 투명대에 구멍을 내고 정자가 지나감
배우자 융합과 다수정 방지
난자와 정자의 세포막이 결합되며 결합부위에서 액틴의 중합으로 인하여 미세 융 모가 정자쪽으로 확장되어 융합됨. 피질과립 분비로 수정막은 형성되지 않으나 정자 수용체로 알려진 ZP3의 당성분을 분해시키고 단백질 분해 효소는 ZP2를 잘라 내어 더 이상 정자가 투명대에 붙는 것을 차단하여 다수정을 방지
유전물질(핵) 융합
포유류에서 전핵 형성은 약 12시간 정도 소요(성게는 1시간 이내). 정자의 핵(웅 성전핵)은 제2감수분열 중기에 있는 난자(자성전핵)와 핵융합으로 수정됨. 정자 의 미토콘드리아는 난자의 세포질에서 분해되고 중심체는 생존하여 새로운 유사 분열 방추사를 형성
사람의 정자
정자는 정소의 정세관(1개의 정소에 약 500여개 존재)에서 생성되고 부정소(부 고환)에서 성숙되고 저장 됨. 첨체에는 하이알로니다제(hyaluronidase)가 분포하 고 길이가 50∼70㎛. 한번 사정 시 2∼3g(3∼5억개. 난자에 도달하는 정자는 약 100개. 3∼4㎖. 6000만개 이하 시 저정자증(약정자증)). 정자가 요도를 지날 때 정낭에서 정자에 영양물질 공급하고 전립선에서는 분비물 첨가(정자의 운동 성 증가, 약알카리성 물질분비(질 내의 산성 중화), 점성도와 냄새 결정)하고 요 도구선(cowper,s gland)에서 물질 분비(알카리성 점액분비. 요도구 내 오줌 중 화. 오줌을 씻어내고 요도를 코팅). 정액은 정낭에서 분비되는 물질이 60%, 전 립선에서 분비되는 물질이 30%, 요도구선에서 분비되는 물질이 5% 를 차지함
사람의 난자
모체에서 태어날 때 40여만개의 난모세포가 제1감수분열 전기 단계를 형성. 사 춘기 이후 매월 난원세포가 1개씩 난자로 전환됨. 난자는 정자에 비해 크고 발 생에 필요한 난황을 많이 가지고 있으며 단백질과 지질도 있음(100∼150㎛).
약 35년간(14∼49세) 약 450개 난자 성숙
