발생에서의 세포간의 상호작용

발생에서의 세포간의 상호작용

 

Spemann 의 결박실험을 통해 수정란내 물질의 불균등한 분포에서 동일한 게놈을 가짐에도 불구하고 세포의 다양한 운명이 유도됨을 알 수 있다. 그러나 배아는 개구리의 수정란에서 완전한 형태를 갖출 수 있는가? 난자속의 비교적 단순한 구배만으로는 배아발생동안에 일어나는 세포의 모든 복잡한 이동과 분화를 설명하기 힘들다. 핵과 초기에 분배된 세포질 사이에 일어나는 단순한 작용 이외에 또 다른 상호작용이 있을까?

1924년에 Spemann과 Mangold는 세포 발생 양상은 다른 세포의 활성에 의해 영향받는다는 것을 증명하였다. Spemann은 도롱뇽의 분리된 반구가 핵과 회색신월환의 세포질 부분을 모두 갖는 한 정상적으로 발달한다는 것을 발견하였다. 그는 회색신월환 부위에서 발생한 세포들이 낭배형성 기간 동안 원구를 통해 이동하고 척색을 형성한다는 것을 알았다. Spemann과 Mangold는 외과적 기술로 원구의 배순세포(dorsal lip cell)들이 안쪽으로 이동하기 전에 이 세포들을 떼어내는 데 성공했다. 그리고 나서 그는 떼어낸 작은 조각을 정상적인 도롱뇽 낭배의 복부쪽(ventral side)에 이식하였다. 이 이식조직의 운명을 좀더 쉽게 추적하기 위하여 조직공여체는 엷은 색의 도롱뇽 초기 낭배를 사용하였고, 수용자세포 혹은 숙주세포로서는 회색의 도롱뇽 초기 낭배를 사용했다. 그들은 이식된 배순세포들이 제2차 척색으로 발생된 것을 발견했다. 이식한 자리 위에서는 신경구가 발생했다. 그러나 이러한 신경구는 수용자세포(회색)들로만 이루어져 있었다. 그들은 발생을 계속하여 신경관을 형성했고 결국에는 2개의 머리를 가진 유충으로 발달했다.

두 번째 머리의 대부분의 조직은 이식된 세포에서 유래된 것이 아니라 수용자세포로부터 생겼다는 사실로 Spemann과 Mangold는 이식된 세포들이 이식된 주위의 수용자세포의 정상적인 발달과정을 변화시켰음을 알아냈다. 이식조직의 주위에 있는 수용자세포들은 도롱뇽의 복부(belly)를 형성하는 대신에 제2의 중추신경계를 형성하도록 자극되었다. 이러한 과정을 유도(誘導, induction)라 한다. Spemann과 Mangold 가 낭배의 원구 배순세포 이외의 다른 부분을 이식했을 때 유도는 일어나지 않았다. 이식된 조직은 단지 그 조직의 새로운 위치에 따라 발생되었다. 단지 원구배순세포만이 숙주에서 변화된 발생을 유도할 수 있기 때문에 Spemann과 Mangold는 이 조직을 형성체(形成體, organizer)라 하였다. 그들은 이 형성체가 배아의 기관형성과 분화과정을 야기시키는 것으로 보았다. 그리하여 신경관은 여전히 다른 구조물의 형성을 유도한다. 예를 들어 뇌가 발생함에 따라 전뇌(前腦, forebrain)의 양쪽 부분이 돌출되어 형성된 안배(眼杯, optic cup)가 앞쪽으로 자라게 된다. 안배가 배의 앞쪽 표면에 가까워짐에 따라 안배 앞의 외배엽세포들은 수정체를 형성하기 위해 분화한다. 안배는 마지막으로 만들어지는 눈의 망막(網膜, retina)이 된다.

유도의 이론은 외배엽세포들이 수정체세포로 전환되는 것을 매우 적절히 설명하고 있다. 실제로 이런 기작에 의해 이루어지는 완전한 배아의 발생을 보는 것은 그리 어렵지않다. 각각의 구조가 유도됨에 따라 다른 구조들도 유도될 수 있다. 연속적인 유도현상(wave of induction)은 조직화된 배아발생을 완벽하게 설명할 수 있게 해준다.

 

이러한 사실이 발견된 후 얼마 되지 않아 형성체의 유도적 본질은 세포가 죽었을지라도 보유된다는 것을 알게 되었다. 이것은 유도과정이 형성체가 영향을 주는 세포에 어떤 물질을 전달함으로써 이루어진다는 것을 암시한다. 이것은 유도물질이 특정한 방법으로 인접한 세포들에게 조직화되고 분화되도록 자극한 것으로 생각되었다. 따라서 이러한 생각은 하나의 접합자로부터 다양한 세포들이 어떻게 생기는가에 대한 우리의 의문에 또 다른 답변을 주었다. 회색신월환 부위의 독특한 세포질 조성은 형성체의 특징인 특수한 화학적 조절자를 분비하도록 포배세포를 자극할지도 모른다. 인접한 세포가 발생함에 따라 이 세포들은 차례로 유도물질을 방출하여 또 다른 세포의 분화를 유도하게 된다. 이런 방법으로 완전한 배아가 만들어지게 된다. 이러한 매력적인 이론과 함께 유도물질을 분리·동정하기 위한 많은 실험이 수행되었다. 보다 유용한 접근은 개구리 포배의 동물 반구의 위쪽을 떼어내 예상되는 유도자와 함께 배양시키는 것이다. 원래의 배아나 유도물질을 처리하지 않은 실험군의 세포들은 피부로 발달한다. 그러나 발견된 여러 유도물질들(polypeptide)은 이러한 세포들을 근육과 척색뿐 아니라 눈과 뇌의 원기를 갖는 세포덩어리로 발생을 유도한다. Activin이라 불리는 이러한 펩티드(peptide) 중 2개는 포유류에서 처음 발견되었으며, 이들은 뇌하수체(腦下垂體, pituitary gland)의 전엽에서 난포 자극호르몬(卵胞刺戟호르몬, follicle stimulating hormone)을 분비하도록 자극한다. 또한 개구리(Xenopus)도 activin을 만들기 위한 유전자를 가지고 있으며, 이것은 배아발생 동안 발현된다. 실제로 activin mRNA를 32 - 세포기에 있는 하나의 식물극 세포에 주입하면 Spemann의 형성체처럼 제2차 머리의 원기를 유도하게 된다.

그러나 activin은 형성체보다 더 이전의 단계에서 작용하는 것으로 생각된다. 이러한 실험에 있어 activin은 외배엽을 중배엽으로 전환시킨다. 그러면 중배엽은 다른 유도자의 방출에 의해 제2차 머리의 조직을 유도하게된다. 하나의 추측되는 물질은 goosecoid 유전자에 암호화되어 있는 단백질이다. Goosecoid mRNA는 원구의 배순세포에만 국한되어 나타난다. Goosecoid mRNA를 4-세포기의 식물극 세포 하나에 주입하면, 제2차 머리의 원기는 Spemann과 Mangold의 실험에서처럼 형성된다. Goosecoid는 homeobox gene이다.