분화된 세포들이 완전한 게놈을 보유하고 있는 증거

분화된 세포들이 완전한 게놈을 보유하고 있는 증거

 

DNA 양

한 가지의 주류적인 예외와 몇 가지의 부수적인 예외가 있기는 하지만, 세포내 DNA 양의 분석은 신체의 서로 다른 세포들이 똑같은 양의 DNA를 가지고 있음을 보여준다. 부수적인 예외는 정상 염색체수의 두 배인 4배체(tetraploid)를 갖는 간장의 보조세포(補助細胞, occasional cell)를 형성하는 경우인데, 이것은 세포분열 없이 염색체 복제 결과 형성된다. 주류적인 예외는 배우자 형성의 경우인데 이들 배우자들은 정상 체세포가 갖는 DNA 양의 절반만을 갖고 있다.

 

염색체수

핵형분석을 해보면 생물체의 분화된 많은 세포들이 같은 염색체수를 가지고 있음을 보여준다. 그러므로 대부분의 생물체에서 염색체는 발생과정 동안에 소실되지는 않는다.

 

다사염색체

다사염색체(polytene chromosome, 거대염색체)는 초파리와 같은 파리 유충의 많은 세포에서 발견된다. 약 5,000밴드로 구성된 다사염색체의 일반적인 모양은 이것을 갖는 모든 세포에서는 똑같다는 것이다. 한 종류의 세포는 어떤 특정 부위에서 퍼프(puff)가 형성되며, 다른 세포에서는 다른 부위에 퍼프가 형성된다. 실제로 특정하게 분화된 세포에서 형성된 독특한 퍼프는 그 세포에서만 볼 수 있는 유전자 활성의 특징을 반증해 준다. 그러나 퍼프를 형성하든 안하든 간에 모든 밴드(유전자)는 각각의 세포에 모두 존재한다.

 

식물세포에 있어서의 가역적인 분화

완전히 분화된 당근의 뿌리세포를 적합한 배양액 속에서 성장시키면 분열하기 시작하고 원래 가지고 있던 분화된 구조를 잃어버리게 된다. 그리고 배양체는 분화하기 시작하여 결국에는 성숙한 당근의 모든 기관을 형성하게 된다. 비록 실험에 앞서 적합한 뿌리세포의 부분을 사용하는 것이 필수적이기는 하나 확실한 것은 분화된 뿌리세포는 그들의 어떠한 게놈도 소실하지 않는다는 것이다. 아마도 분화된 식물세포는 한번 더 분화할 수 있는 유전적 활성을 갖는 배젖 형태로 전환할 수 있다. 

 

예정발생에 대한 핵의 능력 검정

예정발생에 있어서의 핵의 능력은 동물의 경우 그리 확실하지는 않다. 이러한 문제에 대한 초기의 접근 중의 하나는 초기 난할 단계에서 형성된 할구(blastomere)의 분리를 수행하는 것이었다. 개구리 접합자가 첫번째 난할을 하여 형성된 2개의 낭세포는 각각 절반 크기의 배아로 발생하게 될 것이다. 어찌되었든 우리는 이 두 낭세포가 그 개체 유전자의 절반만을 사용할 것으로 예상할 수 있다. 그러나 세포의 물리적인 분리 결과는 그렇지 않음을 보여준다. 이 두 세포를 분리시켜 배양하면 각각의 세포는 비록 작지만은 완전한 배아를 형성하게 된다. 이러한 발견은 일란성 쌍생아와 세 쌍생아의 출산에 대해 설명할 수 있게 해준다. 이들은 하나의 수정란으로부터 발생하며, 한번 또는 몇 번의 난 후에 독립된 부분으로 분리가 일어나게 된다. 이들 개체들의 놀랄만한 유사성은 이 개체들이 하나의 접합자로부터 형성되었고 동일한 게놈을 갖기 때문에 나타난다.

개구리 난할의 4-세포기에서 세포분리 실험을 실행한 결과는 아주 다르게 나타난다. 분리된 어느 세포도 완전한 배아를 형성하지 못한다. 그러면 어떠한 일이 발생하는가? 제2차 난할 동안에 형성된 딸핵(daughter nuclei)이 완전한 생물체를 형성하는데 필요한 유전자 중의 일부를 잃어버릴 수 있는가? 이러한 의문점은 독일의 실험 발생학자 Spemann에 의해서 해결되었다. 그는 어린아이의 가느다란 머리카락을 사용하여 수정된 도롱뇽 알을 졸라매어 2개의 반구로 분리시켰다. 그러나 이때 회색신월환은 두 반구에 모두 분포하도록 장축으로 분리하였다. 접합자 핵은 한쪽 반구에만 존재하고 다른 쪽 반구에는 핵이 없으나 세포질의 좁은 연접부(bridge)에 의해 핵을 가지고 있는 반구와 연결되어 있다. Spemann은 단지 핵을 가진 반구에서 난할이 일어남을 발견하였다. 그러나 난할의 특정 시기에 핵은 세포질의 좁은 연접부를 통해 핵이 없었던 세포질 반구로 이동되었다. 이러한 현상이 일어나자마자 핵이 없었던 다른 반구에도 난할이 일어났다. 비록 그 핵이 5차 난할의 생성물이라 할지라도 완전한 배아를 형성하였다. 분명한 것은 32-세포기까지의 핵은 생물체를 구성하는데 필요한 어떤 유전자도 잃지 않는다는 것이다.

Spemann시기 이후 현미수술기(顯微手術機,micromanipulator)의 발달로 다양한 발생단계에서 개구리 배아세포의 핵을 제거할 수 있게 되었다. 예정발생에 따른 분리된 핵의 잠재능을 알아 보기 위해서, 분리된 핵을 핵이 제거된 개구리 미수정란(enucleated egg)에 이식하였다. 이러한 방법에 의해 수천 개의 개구리 포배세포의 모든 핵이 핵을 제거한 개구리 알에 이식되었을 때 완전한 발생을 일으킴을 알게 되었다. 이러한 결과는 개구리 배발생 동안의 유전자 발현 시기와 일치한다. 난할과정 동안 세포내 염색체는 각 유사분열 사이의 간기(interphase, S-phase)에 자가복제를 제외하고는 어떠한 다른 기능도 수행하지 않는다. 난할중인 세포의 모든 활성 조절작용은 미수정란속에 존재했던 mRNA 분자와 리보솜에 의해서 이루어진다. 다시 말해서 난자에 존재하는 유전자는 난할 동안에 아무 역할도 하지 않는다. 단지 낭배형성이 시작된 후에 인의 형성, 새로운 리보솜의 생산, 그리고 모계와 부계의 유전자를 사용한 활발한 RNA 합성이 일어난다. 인간의 접합자 유전자들은 아마도 2-세포기와 같은 난할의 초기 단계에서 발현되기 시작하는 것 같다.

개구리 후기 배아의 핵을 핵이 제거된 알속으로 이식할 때 그 결과는 아주 다르게 나타난다. 이식된 핵은 발생을 야기시키지만 엉뚱한 결과를 초래한다. 만들어진 배아의 대부분은 한 단계나 다른 단계에서 발생이 정지된다. 이들 배아들은 종종 비정상적으로 발달하게 된다. 이것은 낭배형성 동안에 세포핵이 변형됨을 가리킨다. 아마도 분화는 게놈의 일부를 영원히 억제하도록 하는 것같다. 다른 경우 배아발생 동안에 유전자는 서로 다른 분화경로로 발생하는 세포들로 분배되지는 않는다. 대신에 모든 분화된 세포들은 수정란에 존재했던 완전한 게놈을 보유한다. 그러면 세포분화 현상은 어떠한 기작에 의해 설명될 수 있는가? 또다시 우리는 서로 다른 유전자 활성에 관한 문제에 직면하게 된다. 앞에서 우리는 호르몬과 같은 어떤 물질이 유전자 활성을 조절(on and off)하는 것을 배웠고, 우리는 이러한 효과를 변조(modulation)라 하였다. 이제 우리는 세포가 여러 방향으로 분화되어갈 때 선택적인 유전자의 발현을 조절하는 요인을 발견할 수 있을까?