조직 - 특이적인 유전자 발현의 검출

여기에서의 핵심적인 내용은 배아의 질서정연한 발생이 배아세포내에서 일어나는 유전자 발현 형태의 아주 정교한 조절에 의해 이루어진다는 것이다. 여러 다양한 기술들은 발생중인 세포들에서 배아의 특수한 유전자의 발현을 관찰 가능하게 만들었다.

 

조직 - 특이적 단백질

대부분의 유전자들은 단백질로 발현된다. 세포 안에서 특이한 단백질 합성은 그러한 단백질에 결합할 수 있는 항체(antibody)에 의해 검출할 수 있다. 만일 항체가 형광 추적자(fluorescent tracer)로 표지된다면, 그러한 단백질을 생산하는 세포는 그들 자신이 될 것이다.

 

mRNA

유전자 발현의 가장 첫단계는 DNA를 RNA로 전사하는 것이다. mRNA에 상보적인 단일 사슬의 DNA 분자는 Watson-Crick의 염기 결합에 의해 mRNA와 결합하게 될 것이다. 만일 DNA 을 방사성 물질로 표지한다면 mRNA를 만드는 세포를 확인할 수 있을 것이다. 그림 1의 자기방사법(autoradiography) 결과는 초파리 배아에서 fushi-tarazu 유전자의 mRNA 서열과 상보적인 방사성 물질로 표지된 DNA에 의해 결합된 부분들을 보여준다. RNA에 상보성을 갖는 antisense RNA는 특수한 mRNA의 탐침자(probe)로 사용될 수 있다.

 

보고자 유전자

유전자 스플라이싱(splicing)에 의해서 유전자의 촉진유전자(promoter)는 선택된 보고자 유전자(reporter gene)에 재조합할 수 있다. 많이 사용되는 보고자 유전자는 대장균(E. coli)의 lac 오페론에서 B-galactosidase 효소를 암호화하고 있는 Z 유전자이다. 다음 단계는 인위적으로 합성한 유전자를 실험동물의 게놈 속으로 삽입시키는 것이다. 배아발생이 진행됨에 따라 촉진유전자를 가동시키는 전사인자들을 갖는 세포는 B-galactosidase를 합성하기 시작할 것이다. 이러한 효소 합성을 확인하기 위해 적당한 기질을 넣어 주게 되면 효소는 색깔을 띠는 생산물을 형성하게 된다. 또 다른 방법에서 효소는 이것에 대한 특이한 항체로 표지하여 관찰할 수 있다. 이러한 사건은 lac 오페론의 Z 유전자에 의해 밝혀졌다.

 

 

발생과 조절 요약

 

성숙한 다세포 생물에서 발견되는 모든 형태의 분화된 세포들은 단세포인 접합자로부터 형성된다. 인간에 있어 약 41회의 세포분열이 완전한 성체 세포를 구 1회 성하기 위해 필요하다(24" = 2.2 × 10). 그러나 발생은 세포분열 이외에 더 많은 사건들을 포함한다. 배아발생 동안에 형성된 세포들은 서로 다른 발생경로로 분화되어야만 한다. 이러한 발생의 초기에 일어나는 분화를 통해 앞으로의 생물체 형태를 이루게 된다. 즉 배아의 전·후축, 배·복축, 그리고 좌 ·우면이 결정된다. 발생 후기의 세포들은 적혈구 세포, 근육 세포와 같은 특수한 형태로 분화할 것이다. 형태형성과 분화는 모두 비슷한 전구세포로부터 서로 다른 낭세포들의 형성을 수반하게 된다.

모든 분화된 체세포가 그 종의 완전한 게놈을 보유하고 있음이 여러 가지의 증거들로부터 밝혀졌다. 그러므로 우리는 형태형성과 분화과정 동안에 각각의 세포는 핵속에 존재하는 유전자 일부의 발현에 의존한다는 결론을 내려야 한다. 그러면 세포들이 서로 다른 경로로 분화되어 나갈 때 나타나는 서로 다른 유전자 활성을 어떻게 설명할 수 있는가? 문제는 유사분열에 의해 형성된 2개의 딸세포들이 동일한 유전자 정보를 공유하고 있으면서도 유전자 활성은 서로 다르게 일어날 수 있는 방법을 증명하는 것이다. 이러한 문제의 가장 좋은 해결 방법은 동일한 핵을 갖고 있지만 서로 다른 세포질에 접하도록 해주는 것이다. 우리는 유전자를 발현시키는 핵의 능력이 특정한 세포질에 의해서 조절되는 강력한 증거를 찾아냈다. 난할의 초기 유사분열에 의해 형성된 동일한 핵들은 서로 다른 세포질에 배분됨이 발견됐다. 대부분의 경우에 서로 다른 세포질들은 난할 중인 배아내 세포질 성분들의 불균등한 분포로 형성된다. 이러한 세포질의 비대칭성은 난자형성 동안에 모체에 의해 만들어진다. 세포질의 차이가 유전자 발현에 영향을 발휘하기 시작하면 다음에 일어나는 문제는 보다 단순한 작업이 된다. 어떤 핵과 세포질의 조합이 어떤 유전자를 발현시키는 반면에 또 다른 조합은 다른 유전자를 발현시키는데, 그 단계는 다음과 같이 매우 복잡하다.

 

발생 동안에 서로 다른 유전자 발현의 결과로 일어나는 것 중의 하나는 한 종류의 세포와 다른 종류의 세포 사이에서 화학적 신호(유도물질)를 주고 받는것이다. 그러한 신호는 세포들이 유전적인 진행과정의 일부에 반응하여 최종적인 분화형태나 기능을 획득할 때 사용된다. 동물세포는 식물세포와는 다르며 발생학적인 유연성의 정도도 또한 종에 따라 다르게 나타난다. 일반적으로 식물은 가장 많은 유연성을 가지며, 포유동물은 조금 가지고 C. elegans는 매우 적게 갖는다.

형태형성에 관한 초기의 결정 사항들 중 일부는 homeobox 유전자의 발현 물질에 의해 중개된다. 이러한 유전자들은 특정 유전자의 발현 유무를 조절하게 되는 전사인자들을 암호화한다. 아마도 이러한 결정들은 homeobox 유전자들이 모든 진핵생물에서 발견되어 왔으므로 대부분의 진핵생물 진화과정을 통해 사용되어져 왔을 것이다.

비록 상세하게 설명해야 할 것들이 많기는 하지만, 우리는 적어도 단세포인 수정란이 어떻게 가장 복잡한 기관인 성체로 되는지 원리를 알 수 있다. 어떻게 유전자가 발생을 조절하는지는 유전자들의 발현을 적당히 실행하지 못하도록 유전자를 변형시키는 연구로부터 알 수 있다. 한 유전자의 안정된 변형을 돌연변이(突然變異, mutation)라 부른다. 다음 장에서 돌연변이와 이것을 일으키는 유발물질에 대해 조사할 것이다.