Chapter 15 Development 발생(유전자의 차등 발현)

발생이란 한 생물체에게 일생 동안 일어나는 모든 변화를 말한다.  이 과정에서는 세포결정(cell deternination), 분화(differetiation) 과정이 포함되며 분화과정에는 형태형성(morphogenesis)이 포함된다. 형태형성은 공간 조직을 의미하며 패턴형성(pattern formation) 과정에 의해 순차적으로 완성되게 된다.

패턴형성이 일어날 때 중요한 것은 세포간 신호전달, 구조의 변화 및 세포 이동이 적시적소에서 일어나야 한다는 것이다. 예전에는 이 과정은 피상적으로 이해되었지만 최근에는 면역형광등의 기술 발달의 도움을 받아 많은 자료가 축적되었다. 가장 중요한 자료는 바로 유전자들이 시공간적으로 차등 발현을 한다는 것이다. 이러한 차등 발현은 조절유전자들에 의해 가능한 것이다.

Table of contents/ Chapter Outline

1. 분화
2. 유전자 수준의 발생 조절
3. 암

1. 분화

• 우리 몸은 약 200개 이상의 다른 종류의 세포, 약 100조개의 세포로 구성되어 있다.
• 이렇게 다양한 세포들은 하나의 수정란에서 유래한다.
• 따라서 하나의 수정란으로부터 매우 복잡한 발생과정이 일어나게 되는 것이다.
• 한 생물체를 구성하는 모든 체세포는 동일한 유전정보를 가지고 있으며 이를 핵동등성(nuclear equivalence)라고 한다.
• 따라서 몸을 구성하는 모든 체세포는 독립적으로 분화된다면 정상 발생할 수 있는 능력을 가지는 것이며 이를 전능성(totipotent)라고 한다.

가. 전능성(totipotency)

• 1950년대 스테왈드 등의 식물 세포의 전능성 확인
• 당근 뿌리에서 분리한 세포들의 인공액체 배지에서 배양하여 세포괴(callus)를 만들었고 한천배지로 옮겨 뿌리, 줄기, 잎으로 분화시켰다.
• 이 식물(platelet이라고 부르며 이는 클론이다.)을 흙으로 옮겼더니 정상적으로 생식활동을 하여 종자가 형성되었다.

• 1950년대 브릭스와 킹의 동물 세포의 핵이식실험
• 다른 발생과정에 있는 양서류 세포의 핵을 수정란에 이식하는 실험을 실시했다.
• 몇몇 핵이식된 세포들이 정상 올챙이로 자랐으며 발생단계 초기의 세포 핵을 이식하는 경우 성공 확률이 높아짐(50%)을 발견하였다.
• 1960년대 거든의 개구리 핵이식 실험
• 올챙이의 창자 상피세포의 핵을 수정란에 이식하여 올챙이로 발생시키는데 성공(성공확률은 약 1.5%)성공하였다.
• 결국 분화된 동물세포들도 전능성을 가지고 있다는 것이 입증된 것이다.
   

 
• 양서류에서 성공한 이 실험은 결국 1996년 복제양 돌리가 탄생하면서 포유류에서의 성공을 가져오게 되었다.

나. 포유동물의 핵 이식 실험

• 1996년 스코틀랜드 로스린 연구소의 월머트 등은 최초의 포유 동물 복제에 성공하였다.
• 다 자란 암양의 젓샘세포에서 핵을 추출하여 무핵 난자에 주입한 후 세포분열(배 형성)시켜 다른 암컷 양의 자궁에 이식하여 돌리가 탄생하게 됨
• 핵이식 난자 277개 중 29개만 배로 발생하였고 그 중 하나만 성공하였다.
• 이전에는 실패했던 이유가 난세포와 핵을 제공한 세포의 세포주기 불일치 때문이었다.
• 난세포는 감수분열의 두 번째 분열 중기이고 일반 체세포는 S기 혹은 G2기 이다.
• 따라서 이들은 젖샘세포의 상태를 G0 상태로 만들어서 실험하였다.
• 이후 소, 염소, 돼지, 생쥐 복제에 성공하였지만 성공률은 1~2%에 불과하였다.
• 아울러 부작용이 돌리에게 발생하였는데 돌리는 조로증에 걸렸다.  이유는 성체 세포의 염색체(말단부위가 꽤 사라진)가 사용되었기 때문으로 판단된다.
• 이 방법은 멸종위기의 생물을 복구하는데 매우 유용하다.
   

• 복제는 광의적인 해석을 할 때 세포, 조직, 기관, 개체의 복제를 의미한다.
• 많은 윤리적인 기준과 문제점, 대책이 필요한 영역이다.
• 인간 복제의 경우 두 가지 의미가 있다.
• 인간생식복제(human reproductive cloning)는 복제 인간을 만든 것을 의미하고(아일랜드 영화에서 처럼)
• 인간치료복제(human therapeutic cloning)은 일부 조직을 치료용으로 복제하는 것을 의미한다.

다. 줄기세포(stem cell)

• 분화과정을 거처 특정 세포가 될 수 있는 미분화 상태의 세포를 줄기세포라고 한다.
• 줄기세포는 실질적인 전능성를 가지고 있다.
• 다능성 줄기세포(pluriopotent stem cell)은 좀 더 특이적으로 여러 유형의 세포로 분화될 수 있는 제한된 능력을 가진 줄기세포를 말한다.
• 신경줄기세포는 모든 종류의 뇌세포로
• 골수줄기세포는 여러 종류의 혈구세포로
• 하지만 다능성 줄기세포의 제한성은 여러 실험에서 많이 극복되고 있다는 실험보고들이 나오고 있다.
• 줄기세포는 퇴행성 환자들에게 희망을 준다.
• 주로 배반세포에서 줄기세포를 얻고 있지만 최근에는 성체 등으로부터 얻을 수 있다는 보고들이 나오고 있다. 이러한 경우 윤리적인 문제를 극복할 수 있는 대안이 될 것이다.

라. 유전자 발현의 차등성

• 발생과정에서 유전자 발현이 다르게 조절되는 것을 차등유전자 발현(differential gene expression)이라고 한다.
• DNA 마이크로어레이(micro array) 기술로 차등적인 유전자 발현 현상을 추적할 수 있다.

마. 핵동등성 원리의 예외 현상

• 게놈의 재배열(genomic rearrangement)과 유전자 증폭(gene amplification) 현상은 대표적인 예외 현상이 된다.
• 특정 세포에서는 특정 산물의 대량 생산을 위해 부가적인 행동을 하게 된다.

• 면역계 세포들은 유전자 재배열을 통해 수백만 종류의 항체를 생산한다.
• 발생단계에 필요한 물질들은 유전자 증폭의 방법으로 생산된다.

2. 유전자 수준의 발생 조절

가. 대상 생물

• 초파리, 꼬마선충, 생쥐, 애기장대, 효모 등이 사용된다.
• 이들은 돌연변이 탐색이 쉬우며 재배 혹은 배양이 용이하고 발생 과정이 짧은 이점을 가지고 있다.

나. 초파리 발생

• 1999년데에 유전체의 염기가 결정되었다.
• 약 13600개의 유전자가 단백질을 코드하고 있으며, 돌연변이가 매우 풍부하며 그 돌연변이 부위를 탐색하기가 쉽다.
• 매우 가시적인 다사염색체(polytene chromosome)을 가지고 잇다.
• 침샘의 특정 세포는 분열하지 않고 계족 복제만 하게 된다. 그래서 약 1000개 이상의 DNA가닥이 일렬로 배열되어 있으며 전사가 활발한 부위는 퍼프라는 구조를 보이기 때문에 유전자 활성 연구에 매우 용이하다.
• 아래 그림에서 시간에 따라 퍼프의 위치가 달라지는 것을 볼 수 있다.
   

• 다양한 형질전환이 가능하다.

• 초파리 일생은 알, 유충, 번데기, 성체 단계로 이루어져 있다. 완전변태 동물이다.
• 초파리 유충의 발생과정에 관여하는 유전자는 약 50개 정도가 확인되었다.
• 유충에 위치하는 성충원기(imaginal disc)로부터 성충구조가 결정되게 된다.

• 초기 발생
• 난소 형성시 mRNA(주변 조직으로부터 수송되는 것도 있다.가 생성되어 알에 저장된다.
• 수정 직후 13번의 핵 유사분열이 일어난다.  각 분열은 약 5~10분 정도가 소요된다.
• 이 때 mRNA는 합성되지 않고 세포질 분열은 일어나지 않기 때문에 다핵 세포라고 할 수 있다.
• 8번째 분열이후 핵들은 세포막 쪽을 분산되고
• 이어서 세포막이 각각 둘러쌓이게 되어 세포성 배반엽(cellular bladstoderm)이 된다.
• 난세포 형성에 참여하는 유전자를 모계영향유전자(maternal effect gene)이라고 한다.
• 많은 유전자들이 배의 극성 형성에 관여하여 전, 후, 상하를 결정하게 된다.
• 이들 유전자를 난극성 유전자(egg polarity gene)이라고 부른다.

• 2개의 유전자 산물이 초기 방향결정에 영향을 미친다.
• 분절형성유전자(segmentation gene)
• 배의 핵이 세포막으로 이동할 때 핵속의 분절유전자가 전사되어 배 mRNA가 생산된다.
• 적어도 24개의 분절유전자가 관여하며 크게 3종류로 구분할 수 있다.
• 간극유전자 : 가장 먼저 활동, 전중후를 결정한다.
• 쌍-지배유전자 : 돌연변이시 체절이 하나 걸러 하나씩 없어지게 된다.
• 체절극성 유전자 : 돌연변이시 체절의 한쪽이 사라진다.
• 각각의 분절형성유전자는 시간과 장소가 다르게 발현된다.
• 전후상하의 결정은 분절형성 유전자 산물인 형태형성물질(morphogen)의 농도구배에 의해 이루어진다.
• 이 물질의 농도에 따라 차이가 발생하는 구조를 형성하게 된다.
• 분절형성유전자는 진핵생물에서 전사인자를 형성한다.
• 체절결정유전자(homeotic gene 호메오 유전자)
• 각 체절을 만드는 구체적인 작업에 관련된 유전자를 말한다.
• 약 180개의 염기로 이루어졌다.
• 이러한 염기 배열을 호메오  상자(homeo box)라고 한다. 각 호메오 상자는 호메오도메인을 코드하며 이 도메인은 60개의 아미노산으로 구성되어 있고 4개의 알파-나선구조를 형성한다.
• 이 중 한 구조가 DNA 발현을 조절한다.
• 전방-후방 축을 만드는 것은  호메오 상자인 혹스 유전자(hox gene) 집단이 담당한다.
• 초파리의 경우 혹스 유전자는 더듬이, 흉부 담당 유전자와 매우 가까이 연관되어 있다.
• 포유류를 포함하는 다른 동물에게서도 발견된다.
• 혹스 유전자들은 발현 순서와 비교적 일치하는 순서로 염색체에 배열해 있다.
   

   

• 호메오 상자와 유사한 구조의 유전자가 식물에서도 발견된다.
• 다세포 생물의 출현에 관련된 유전자이며
• 진화적으로 매우 오래전에 세팅된 시스템이라는 것을 짐작할 수 있다.

다. 꼬마 선충(Caenorhabditis elegans)의 발생

• 발생 유전적 시스템이 단순하며, 자웅동체인 경우 자가 수정하기 때문에 동형 열성 접합 자손을 얻기 쉽고, 세대가 짧고, 속이 들여다 보이기 때문에 발생 연구에 매우 적합한 모델 생물이다.
• 1960년데 브레너에 의해 연구되기 시작하였다.
• 19700개이 유전자를 가지고 있으며 길이는 1.5mm, 959개의 체세포로 이루어져 있다.
• 발생단계별 내부 구조는 주로 노르마스키 분별 간섭현미경으로 관찰한다.

• 수정후 약 550개의 세포로 분열하여 미성숙한 유충이 되며 이후 성체로 분열을 계속한다.
• 각 체세포의 형성과정은 발생 초기에 생기는 창시자 세포(founder cell)에서 출발한다.(창시자 세포 중 하나가 사라지면 해당 기관이 형성되지 않는다.)
• 세포 분화가 미리 결정된 이러한 경우를 모자이크 발생이라고 한다.
• 하나의 기관은 한 개 혹은 그 이상의 창시자 세포에서 유래한다.
• 일부 기관은 세포들 사이의 상호작용에 의해 영향을 받아 형성되기도하는데 이를 유도(induction)되었다고 표현한다.
• chronogene은 발생 시간을 늦추는 열성 유전자이다.

• 발달과정 중 만들어진 세포가 죽는 일이 발생하는데 이를 세포자살(apoptosis 혹은 세포예정사-programed cell death)라고 한다.
• 세포자살에 관련되는 효소가 카스파제이다.
• 1986년 홀비츠는 세포자살이 일어나지 않는 돌연변이를 발견하였고 기관발생의 유전적 조절을 밝혀 다른 과학자인 버너, 설튼과 함께 2002년 노벨상을 수상하였다.
• 설튼은 959개의 선충이 되는 과정을 밝혔으며 세포자살 관련 유전자를 발견하였다. 역시 세포자살은 유전적 조절에 의해 일어난다.
   

     

 

라. 생쥐

• 포유류는 초파리나 선충과 다르게 발생한다.
• 2002년 생쥐 게놈이 결정되었고 27000~30000개의 유전자를 가지고 있는 것으로 밝혀졌다.
• 생쥐 유전자의 99%는 인간과 동일하다.

• 발생 초기 단계는 사람과 비슷하다.
• 초기에 배는 자궁등에서 자유롭게 움직이다. 착상하게 된다.
• 태반을 통해 배는 영양분을 모체로부터 섭취하여 발생을 계속 하게 된다.
• 수정직후의 세포분열로 형성된 느슨한 세포덩어리들은 전능성이 매우 우수하다.
• 반대실험, 즉 8세포기의 다른 두 배를 융합시키면 하나의 생쥐로 발생한다. 이러한 과정으로 만들어진 동물을 키메라(chimera 머리는 사자, 몸은 양, 꼬리는 뱀)라고 한다.
• 포유류의 발생은 조절적 발생(regulative development)이다. 이것은 초기 단계의 배는 전체 발생을 조절해서 없는 부분을 다시 보완한다는 것을 의미한다.
• 하지만 발생이 좀더 진행되면 전능성은 상실된다.

• 유전자 도입 생쥐(형질전환 생쥐)를 이용하여 발생조절을 연구하였다.
• 여러 종류의 외부 유전자를 표지하여 도입시켜서 그 유전자의 영향을 알아보거나
• 유전자 표적 기술을 이용하여 해당 유전자를 불활성화 시켜서 발생 현상을 지켜보거나 등등으로 연구하였다.

마. 애기장대

• 겨자과 식물로 생활주기가 수 주에 불과하고 매우 작아 대량 재배가 가능하며, 돌연변이 얻기가 용이하고, 이미 많은 돌연변이 유전자가 알려졌고, 형질전환이 용이하여 식물 발생 연구 모델 식물로 많이 사용된다.

• 식물체 중 처음으로 2000년에 게놈이 결정되었다. 26000개의 유전자가 존재한다.
• 이 중 1500개 이상이 전사인자를 암호화한다.(초파리는 635개)
• 대부분의 전사인자는 꽃의 구조에 관련된 것이다.
• 꽃은 꽃받침, 꽃잎, 수술, 암술로 이루어져 있으며 이들 4개 기관의 발생과정을 설명하는 가설이 바로 ABC 모델이다.
• A유전자는 꽃받침, 꽃잎은 A, B 유전자를, 수술은 B, C 유전자를 암술은 C 유전자를 필요로 한다.
• 이들 A, B ,C 유전자는 호메오 유전자이다.
• 위 유전자 이외에 꽃의 발생에는 다른 유전자도 필요하다. SEPALLATA 유전자가 대표적이다.
• 애기장대의 연구로 분자 탐침의 수가 크게 확보되었고 이들을 가지고 다른 식물의 발생 조절 유전자를 확인할 수 있게 되었다.

3. 암(cancer)

가. 암이란?

• 세포분열 억제 장치가 잘못된 세포에 의해서 발생한다.
• 비정상적인 발달로 암세포 덩어리가 형성되는데 이를 종양(tumor)라고 한다.
• 종양 중에 암세포가 다른 곳으로 이동하는 전이(metastasis) 현상이 매우 위험하다.
• 이렇게 전이능력을 가지고 있는 종양을 악성 종양(malignant tumor)라고 한다.

• 현재 암의 원인은 세포분열 조절을 담당하는 유전자의 변화로 생기는 것으로 확인되었다.
• 암세포의 특징은 한 개 혹은 여러 개의 암유전자(oncogene)에 의해 나타난다.
• 암유전자는 원발암유전자(protooncogene)의 발현에 이상이 생긴 것으로 원발암유전자는 모든 세포에 존재하는 정상 유전자이다.
• 이 유전자가 돌연변이 되면 즉, 원발암유전자가 암유전자로 되면 세포분열 관련 신호를 잘못 받아들이게 된다.
• 다른 암 발생 유전자 중에 종양억제 유전자의 돌연변이도 있다.
• 일반적으로 암유전자와 종양억제 유전자의 돌연변이가 수반될 때 암이 발생한다.