분화

분화

비록 개구리의 낭배에서 다양한 세포층들이 서로 다른 운명을 가지고 있다 하더라도 세포들의 독특한 구조나 기능이 처음부터 나타나는 것은 아니다. 실제로 낭배 초기에 있는 세포들은 한 위치에서 다른 위치로 이식할 수 있다. 이식된 세포들은 새로운 위치에 잘 적응하게 되고, 그에 알맞는 기관을 형성하는데 관여하게 된다.

그러나 배아발생이 진행됨에 따라 발생 중인 배아세포들은 “되돌아올 수 없는 시점”(point of no return)에 이르게 되며 독특한 종류의 세포를 형성하게 된다. 점차적으로 배아세포들은 세포의 다양한 모양과 기능을 갖게 된다. 이렇게 됨으로써 세포 각각은 그 세포형의 특유한 단백질을 합성하기 시작한다. 분화중인 심근(心筋,heart muscle) 세포들은 심장 미오신(heart myosin)이라 불리는 특수한 수축성 단백질을 합성하기 시작한다. 분화중인 적혈구 세포들은 헤모글로빈(hemoglobin)을 합성하기 시작하고 결합조직 세포들은 분화함에 따라 콜라겐(collagen)과 다른 세포외 단백질을 합성하기 시작한다. 이렇게 세포들의 특수한 운명은 처음에는 중배엽과 내배엽 세포에서 그 다음에는 외배엽 세포에서 일어나는 것으로 생각된다.

난할과 낭배형성, 그리고 분화의 과정은 서로 구분되지만 이 세 가지 작용은 하나의 기본적인 유사점을 갖는다. 각 경우에 있어 서로 다른 조직들은 동일한 세포들로부터 만들어진다. 개구리 초기 난자의 동물극 세포들은 식물극 세포들과는 모양 및 화학적 조성에서 차이가 난다. 포배로부터 세 가지의 독특한 배엽이 생겨나고, 배엽을 이루는 미분화된 세포들로부터 성체가 갖는 모든 분화된 세포들이 형성된다.

대부분의 경우 분화는 발생 초기에 한 번일어난다. 예를 들어 새로운 신경세포는 유아기 이후에는 더 이상 분화되지 않으나 다른 세포는 살아가는 동안 분화가 계속 일어난다. 여러 종류의 혈구세포들은 전 생애를 통해 계속적으로 대체된다. 이것은 이들(적혈구,림프구,호중성 백혈구 등)의 모두가 간세포(幹細胞, stem cell)라 부르는 하나의 전구세포(precursor cell)로부터 생긴다는 것으로 증명된다. 골수(骨髓, bone marrow)에서 발견되는 이러한 간세포의 유사분열은 두 가지 기능을 가진 낭세포를 형성한다. 일부는 간세포로 남아 간세포의 푸울(pool of stem cell)이 고갈되지 않도록 하고, 일부는 분화의 경로로 들어간다. 그들이 이러한 분화 경로를 거치면서 점차적으로 분화가 심화되어 세포의 구조, 기능, 그리고 단백질의 특성을 획득하게 된다.

분화과정은 다시 특이한 유전자 발현에 대한 의문점이 제기된다. 성체의 모든 분화된 세포를 만드는데 필요한 유전자들은 수정란 속에 존재해야만 한다. 그러면 특정 유전자는 특정 세포에서 어떻게 발현되며, 반면에 다른 유전자는 다른 세포에서 어떻게 발현되는가? 발생이 진행됨에 따라 처음에는 같았던 세포들이 어떻게 해서 서로 다른 세포들로 변화되어 가는 것일까?

하나의 특기할 만한 가설은 각 유사분열과정에서 어떤 특정 유전자는 하나의 낭세포에 분배되고 다른 유전자는 나머지 다른 낭세포에 분배되는 것으로 생각할 수 있다. 이러한 방법에 의해 수정란에 존재하는 게놈(genome)은 점차적으로 분산되어 체내의 각각 다른 세포에 분배된다. 그러므로 심장근세포들은 심장 미오신의 합성을 위한 유전자를 암호화하며 그 기능에 필요한 유전자만을 받게 될 것이다. 적혈구 세포가 될 세포들은 헤모글로빈의 a, B-사슬을 위한 유전자만을 갖게 된다. 이것은 분화와 서로 다른 유전자 활성을 갖는 것을 함께 설명할 수 있는 타당한 가설이 되겠지만, 체내의 수많은 정보가 이러한 가설과 일치되는 것은 아니다. 이것에 대한 증거는 수정란에 존재했던 원래의 게놈(genome)이 체내의 분화된 세포들 각각에 모두 보유되어 있다는 사실이다.