나뭇잎 교과서

세포 분화와 발생

근육 세포와 신경 세포는 모양도 기능도 다르지만 같은 DNA를 가지고 있습니다. 같은 설계도에서 어떻게 전혀 다른 세포가 만들어질까요?

먼저 알면 좋은 것 유전자 발현 조절세포 분열
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세포 분화와 발생

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우리 몸의 세포는 모두 수정란 하나에서 나왔고, 거의 같은 DNA를 가지고 있다. 그런데 근육 세포는 수축하고, 눈의 수정체 세포는 투명하며, 간세포는 해독을 하고, 신경 세포는 신호를 전달한다. 같은 설계도를 가진 세포들이 어떻게 이렇게 다른 일을 하게 될까? 분화한 세포는 다른 유전자를 잃어버린 것일까, 아니면 쓰지 않는 것일까?

그림 1. 네 가지 세포에서 발현되는 유전자(모식). 모든 세포에서 켜지는 살림 유전자와, 세포 종류마다 다른 특수 유전자가 있다. DNA는 같고 켜진 유전자의 조합이 다르다.
먼저 알아야 할 것유전자 발현 조절과 전사 인자(유전자 발현 조절), 체세포 분열(생명과학), 전사와 번역.

2.4.1세포 분화

수정란이 분열하여 생긴 세포들이 각각 특정한 구조와 기능을 갖게 되는 과정을 세포 분화라 한다. 분화한 세포도 대부분 모든 유전자를 그대로 가지고 있다. 다만 세포마다 다른 유전자를 켜고 끈다. 해당 과정 효소나 리보솜 단백질처럼 모든 세포에 필요한 유전자는 늘 켜져 있고, 마이오신(근육), 크리스탈린(수정체), 알부민(간)처럼 특정 세포에서만 쓰이는 유전자는 그 세포에서만 켜진다.

정리 2.4.1 분화와 전사 인자

세포 분화는 세포마다 서로 다른 전사 인자의 조합이 발현되어, 특정 유전자 무리를 켜고 다른 무리를 끄는 결과이다. 한 세포를 특정 세포로 분화하게 하는 핵심 전사 인자를 주조절 유전자가 만든다.

그림 1에서 세포 종류를 바꾸어 보자. 근육 세포에서는 MyoD라는 전사 인자가 마이오신 같은 근육 유전자들을 켠다. 피부 섬유아세포에 MyoD 유전자를 넣어 발현시키면 그 세포가 근육 세포처럼 변한다. 즉 분화의 방향은 몇 개의 전사 인자로 정해진다. 그리고 한번 정해진 발현 상태는 세포가 분열해도 딸세포에 그대로 이어져, 근육 세포는 근육 세포를 낳는다.1

2.4.2발생과 유전자

발생 과정에서는 세포가 놓인 위치에 따라 다른 유전자가 켜져 몸의 앞뒤, 위아래, 기관이 만들어진다. 초파리의 혹스 유전자는 몸의 마디마다 어떤 기관이 생길지 정하며, 이 유전자가 잘못 발현되면 더듬이 자리에 다리가 생긴다. 혹스 유전자는 사람을 포함한 거의 모든 동물에 있고, 같은 순서로 몸의 앞에서 뒤로 발현된다. 생김새가 전혀 다른 동물들이 같은 도구 상자를 다르게 쓰고 있는 셈이다.

올챙이 창자 세포의 핵 핵을 없앤개구리 난자 온전한 개구리(드물게 성공)
그림 2. 거던의 핵 이식 실험. 분화한 세포의 핵도 온전한 개체를 만들 모든 유전자를 가지고 있다.

2.4.3예제 풀이

예제 2.4.2

1996년 복제 양 돌리는 다 자란 양의 젖샘 세포 핵을 핵을 없앤 난자에 넣어 만들었다. 이때 핵을 이식한 난자 277개 가운데 새끼로 태어난 것은 1마리였다. 성공률을 구하여라. 이 실험은 분화한 세포의 유전자에 대해 무엇을 알려 주는가?

성공률은 \(\dfrac{1}{277} \approx 0.0036\), 곧 약 0.36%이다. 1000번에 3~4번꼴로 매우 낮다.

성공률은 낮았지만, 젖샘 세포라는 다 분화한 세포의 핵에서 온전한 양이 태어났다. 즉 분화한 세포도 젖샘 유전자만이 아니라 근육, 뇌, 뼈를 만드는 유전자를 모두 가지고 있으며, 난자의 세포질 환경에서 다시 처음 상태로 되돌려질 수 있다. 성공률이 낮은 까닭은 분화한 세포의 유전자 발현 상태를 처음으로 완전히 되돌리기가 어렵기 때문이다.

아래 탐구 카드에서 같은 DNA를 가진 세포가 근육도 되고 수정체도 되는 원리를 직접 정리해 보자.

  1. 2006년 야마나카 신야는 피부 세포에 전사 인자 유전자 네 개를 넣어 배아 줄기세포처럼 여러 세포로 분화할 수 있는 유도 만능 줄기세포(iPS 세포)를 만들었다. 거던과 함께 2012년 노벨 생리의학상을 받았다.
마무리

세포 분화는 같은 유전체를 가진 세포들이 서로 다른 전사 인자의 조합으로 서로 다른 유전자를 켜고 꺼서 일어나며, 발생 과정에서는 위치에 따라 켜지는 유전자가 몸의 구조를 정한다. 그래서 처음 질문의 세포들은 유전자를 잃어버린 것이 아니라, 근육에서는 근육 유전자를, 수정체에서는 크리스탈린 유전자를 골라 켜서 서로 다른 세포가 된다.

탐구 1

같은 DNA를 가진 세포가 어떻게 근육도 되고 눈의 수정체도 될까?

전사 인자의 조합과 세포 분화
세포에 있는 전사 인자
켜진 유전자
—
세포의 모습
—

실제 세포 분화에는 훨씬 많은 전사 인자와 신호가 관여한다. 여기서는 잘 알려진 전사 인자 몇 개와 그 표적 유전자로 조합 조절의 원리만 단순화해 보였다.

  1. 질문수정란 하나가 분열해 생긴 몸의 세포들은 거의 모두 같은 DNA를 가진다. 그런데 근육 세포는 미오신을, 적혈구의 전구 세포는 헤모글로빈을, 수정체 세포는 크리스탈린을 만든다. 같은 설계도에서 어떻게 서로 다른 세포가 만들어질까?
  2. 복원진핵생물의 유전자는 전사 인자가 프로모터와 인핸서에 붙어야 전사된다(진핵생물의 유전자 발현 조절). 그리고 세포 분열에서 DNA는 똑같이 복제되어 딸세포로 나뉜다.
  3. 설명세포마다 가진 전사 인자의 조합이 다르면 켜지는 유전자가 달라지고, 만드는 단백질이 달라져 모양과 기능이 다른 세포가 되는데, 이것이 세포 분화이다. 몇 개 안 되는 전사 인자의 조합만으로 수많은 유전자 발현 양식을 만들 수 있다. 특히 한 가지 세포 운명을 이끄는 전사 인자를 핵심 조절 유전자라 하며, MyoD를 섬유아세포에 넣으면 근육 세포처럼 바뀌고, 초파리의 eyeless(사람 Pax6에 해당)를 다리에서 발현시키면 다리에 눈이 생긴다.
  4. 연결발생 과정에서는 몸의 앞뒤를 따라 차례로 발현되는 혹스 유전자가 각 체절이 머리, 가슴, 배 중 무엇이 될지 정하며, 혹스 유전자에 돌연변이가 생긴 초파리는 더듬이 자리에 다리가 나기도 한다. 반대로 Oct4, Sox2 등 4가지 전사 인자를 피부 세포에 넣으면 분화 이전의 줄기세포 상태로 되돌아가는데, 이것이 유도 만능 줄기세포(iPS 세포)이다(생명공학기술).
  5. 적용전사 인자를 켜고 끄며 어떤 조합에서 어떤 유전자가 켜지는지 보자. 그리고 Sox2는 두 가지 세포 운명에 모두 쓰이는데 결과를 가르는 것이 무엇인지 찾고, MyoD만 있을 때와 MEF2가 함께 있을 때를 비교해 보자.
  6. 판단분화한 세포가 필요 없는 유전자를 잃어버린다는 생각은 틀렸다. 분화한 세포의 핵을 난자에 넣어 개체를 만든 복제 실험(개구리, 복제 양 돌리)과 iPS 세포는 분화한 세포도 온전한 유전체를 가지고 있음을 보여 준다. 즉 분화는 대부분의 경우 유전체의 변화가 아니라 발현의 변화이다.

확인조건이 달라지면

근육 세포의 핵을 핵을 제거한 난자에 넣었더니 올챙이로 발생했다. 이 결과가 뜻하는 것은?

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