[생리학] 3. 세포구조와 유전자 조절 (5) DNA 합성과 세포분열

3. 세포구조와 유전자 조절

 

3.5 DNA 합성과 세포분열

세포가 분열할 때, 각 DNA 가닥은 새로운 상보적인 가닥을 형성하기 위한 주형으로 사용됩니다. 기관들은 유사분열(mitosis)을 통해 성장하고 두 개의 딸 세포는 부모 세포와 동일한 유전자를 가지고 있습니다. 배우자는 부모세포에 있는 염색체 수의 절반을 가지게 되며 감수분열에(meiosis) 의해 형성됩니다. 유전 정보는 세포 내의 생명 활동을 유지하고 모든 기능을 수행하기 위해 필요합니다. 각 세포는 DNA 복제와 세포 분열을 통해 부모세포로부터 유전 정보를 받습니다.

 

 

(1) DNA 복제

세포가 분열할 때 DNA 분자는 스스로 복제하고, 복제된 각각의 동일한 DNA는 두 개의 딸 세포로 전달됩니다. DNA 복제는 많은 효소와 단백질로 구성된 복합체의 작용을 필요로 합니다. 이 복합체가 DNA 분자를 따라 움직일 때, DNA 나선분해효소(DNA helicase)는 상보적인 염기들 사이의 수소 결합을 끊어서, 이중가닥 DNA 분자의 분기점(fork) 부분에 두 개의 유리된 가닥을 만듭니다. 그 결과 유리된 각 가닥은 새로운 상보적 염기와 결합될 수 있습니다. 즉, 아데닌은 티민-포함 뉴클레오티드 그리고 구아닌은 시토신-포함 뉴클레오티드와 염기쌍 결합을 합니다. DNA 중합효소가 이 과정을 촉매 하여 두 개의 새로운 DNA 분자를 만들어집니다.DNA 복제 시, 각 복제물은 새로운 가닥과 원래의 DNA 분자의 단일 가닥으로 구성됩니다. 이 복제를 반보존적 복제(semi-conservative replication.)라고 합니다.

 

(2) 세포주기

 

생물의 수명과 달리 세포 수명은 주기적인 패턴을 따릅니다. 다시 말해서, 세포의 자손이 지속적으로 분열하는 한, 세포는 기본적으로 영원히 죽지 않습니다. 예를 들어, 피부의 표피는 약 2주마다 새로운 세포로 대치되고, 위의 내벽 세포는 매 2~3일마다 새로운 세포로 대치됩니다. 하지만, 성인의 가로무늬 근육 세포는 거의 분열되지 않습니다.
세포 주기에서 분열되지 않는 세포의 주기를 간기(interphase)라고 하며 G₁, S, G₂ 로 세분화됩니다. 세포는 RNA 전사가 일어나는 동안 성장하는데, 이를 G₁기(G₁ phase; G는 gap을 의미)라고 합니다. G₁기를 안정기라고 부르지만, G₁기의 세포들 또한 mRNA와 단백질을 합성합니다. 세포가 분열하기 위해서는 DNA가 복제되어야 하는데, 이를 S기(S phase)라고 합니다. 일단 DNA가 S기에서 복제되면, 염색질은 응축하여 짧고 굵은 구조로 되는데, 이 시기는  G₂기(G₂ phase)라고 불립니다.

 

(3) 유사분열(mitosis)

세포 주기의 G₂ 단계의 끝날 무렵 각 염색체는 동원체와 연결된 염색분체(chromatid)로 구성됩니다. 두 개의 염색분체는 동일한 DNA 염기서열을 가지고 있습니다. 따라서, 각 염색분체는 복제 이전의 단일 DNA 분자의 복사물인 완전한 이중나선 DNA 분자를 가지고 있습니다. 각 염색분체는 유사분열이 완료되면 독립적인 염색체가 됩니다.

G₂기는 간기을 완성합니다. 세포는 세포 주기의 M기(M phase)라고 불리는 다음 단계인 유사분열로 들어갑니다. 유사분열은 전기(prophase), 중기(metaphase), 후기(anaphase), 말기(telopase)의 네 단계로 나뉩니다. 염색체의 구조는 전기에서 뚜렷하게 보입니다. 중기의 염색체들은 적도상에 정렬되어 있는데, 이것은 방추사 작용에 의해 발생합니다. 이 방추사는 각 염색체의 동원체에 있는 키네토코어(kinetocore)라고 불리는 단백질에 부착되어 있습니다.

후기는 동원체가 분리되고 방추사(spindle fiber)가 짧아지면서 두 염색체를 양쪽 끝으로 잡아당길 때 시작됩니다. 말기에는 세포질 분열에 의해 두 개의 딸세포가 만들어지고, 이들의 유전자 조성은 부모의 것과 같습니다.

 

(4) 감수분열(meiosis)

세포가 유사분열이나 감수분열을 통해 분열할 때, DNA는 복제되고 염색체는 짧고 굵어집니다. G₂기가 끝날 무렵에 보이는  짧고 굵은 염색체는 상동염색체(homologous chromosome)라고 불리는 짝을 이룰 수 있습니다. 하나의 상동염색체는 아버지로부터 물려받고 다른 하나는 어머니로부터 물려받습니다. 상동염색체는 동일한 DNA 염기서열을 가지고 있지 않습니다. 예를 들어, 짝 중의 하나는 파란 눈을 만들 수 있고 다른 한 쌍은 갈색 눈을 만들 수 있습니다. 인간은 22쌍의 상염색체(autosomal chromosome)와 한 쌍의 성염색체(sex chromosome)를 가지고 있습니다.

분열의 두 단계를 가지고 있는 감수분열은 정소나 난소에서만 일어나는 세포 분열의 특별한 방법입니다. 첫 번째 분열에서, 상동염색체는 나란히 배열되어 있고, 방추사는 상동염색체 중 하나를 한쪽 극으로, 다른 하나는 다른쪽 극으로 잡아당깁니다. 그러므로, 두 딸 세포 각각은 부모에 간직된 23개의 상동 염색체 쌍의 각각으로부터 하나의 염색체만 받습니다. 즉 감수분열을 통해 46개의 딸 세포가 아닌 23개의 염색체를 가지게 됩니다.
이 감수분열의 마지막에, 각각의 딸 세포는 23개의 염색체를 가지고 있으나, 각각은 2개의 염색분체로 되어 있습니다. 염색분체는 제2감수분열에 의해 분리됩니다. 첫 번째 세포 분열을 통해 복제된 딸 세포의 염색분체는 두 개의 새로운 딸 세포로 각각 가게 됩니다. 그러므로, 네 개의 딸 세포는 하나의 부모 세포의 감수 분열로부터 만들어집니다. 정소에서는 하나의 부모 세포가 네 개의 정자 세포를 만들고 난소에서는 네 개의 딸 세포를 만드는데, 그 중 세 개는 사라지고 한 개만 성숙한 난자 세포가 됩니다.

감수분열 단계는 첫 번째 또는 두 번째 감수분열이 발생하는 방법, 즉 첫 번째 I, 중간 I, 후기 I, 후기 I 및 이전 II, 중간 II, 후기 II 및 후기 II에 따라 분류됩니다.
감수 분열을 통한 염색체 수 감소는 성생식을 위해 필수적입니다. 왜냐하면 정자와 난자가 수정되어 하나의 새로운 개체를 생성하기 때문입니다. 상동염색체의 일부분의 교환이 전기 I에서 발생하는데, 즉 한 염색체의 일부가 다른 염색체의 일부와 교환합니다. 이 과정은 유전자 재조합(genetic recombination)을 만드는 교차(crossing-over)라고 불립니다. 이 유전자 재조합은 생물의 유전적 다양성을 만들어냈고, 유전적 다양성 때문에 생물들은 오랜 진화 과정에서 살아남을 수 있었습니다.