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하나의 수정란이 어떻게 눈, 심장 같은 서로 다른 기관으로 발생하나요?
발생 과정을 배우는데 하나의 수정란이 세포분열을 거듭하면서 각기 다른 기관과 조직으로 분화한다고 들었어요. 처음엔 다 똑같은 세포였는데 위치에 따라 다른 기관이 되는 신호가 어떻게 전달되는 건지 궁금합니다.
4개의 답변이 있어요!
안녕하세요, 스라소니199님. 이중철 전문가입니다.
하나의 수정란이 눈, 심장, 피부처럼 서로 다른 기관으로 발달하는 이유는 모든 세포의 유전자가 처음부터 완전히 다른 것이 아니라, 같은 유전정보를 가진 세포들이 서로 다른 신호를 받으면서 켜는 유전자와 끄는 유전자가 달라지기 때문입니다. 즉 처음 세포들은 비슷하게 시작하지만, 시간이 지나면서 위치, 주변 세포, 받은 신호의 양과 시간 차이에 따라 서로 다른 운명을 갖게 되는 것이에요.
1. 그러면, 처음에 어떻게 차이가 생기나요?
배아가 자라기 시작하면 세포들은 단순히 늘어나는 것만이 아니라, 서로 신호물질을 주고받으면서 몸의 앞뒤, 위아래, 안팎 같은 기본 축을 먼저 만듭니다. 이 과정에서 어떤 부위에는 신호가 많이, 다른 부위에는 적게 전달되는데요. 이런 농도 차이를 만드는 물질을 형태형성인자, 즉 모포겐이라고 부른답니다. 세포는 자신이 받은 신호의 종류와 세기에 따라 다른 유전자 발현 프로그램을 시작하게 됩니다.
2. 위치가 왜 중요한가요?
배아 안의 세포는 모두 같은 유전자를 가져도, 어디에 있느냐에 따라 주변 환경이 다릅니다. 예를 들어 어떤 세포는 WNT, BMP, FGF, Nodal 같은 신호를 많이 받고, 어떤 세포는 적게 받거나 억제 신호를 받습니다. 그 결과 어떤 세포는 신경계 쪽으로, 어떤 세포는 근육과 심장 쪽으로, 어떤 세포는 소화기관 쪽으로 분화하기 시작하는 것이지요.
3. 기관이 나뉘는 큰 단계는..
배아 발생에서 매우 중요한 단계가 낭배형성인데, 이 시기에 세포들이 재배치되면서 외배엽, 중배엽, 내배엽이라는 세 개의 배엽이 만들어집니다. 외배엽은 주로 신경계와 피부, 중배엽은 근육, 뼈, 혈액, 심장, 내배엽은 소화관과 간, 췌장, 폐 같은 기관의 바탕이 됩니다. 즉 눈과 심장이 처음부터 따로 있는 것이 아니라, 먼저 큰 계통이 갈라지고 그 다음 더 세부적으로 나뉘는 것입니다.
4. 어떤 신호가 분화를 이끄나요?
현재 배아 발달 연구에서 반복적으로 중요하게 확인되는 핵심 신호 경로는 WNT, BMP, FGF, Nodal 또는 Activin 계열입니다. 예를 들어 BMP 신호는 배아 초기에서 신경조직과 표피의 경계 형성 같은 세포 운명 결정에 중요한 역할을 하고, WNT와 Nodal은 배엽 형성과 몸축 형성에 깊이 관여하는데요. FGF도 세포 계통 전환과 분화 과정의 중요한 매개자로 작용하고 있답니다.
5. 왜 한번 정해지면 계속 유지되나요?
세포가 특정 방향으로 분화하기 시작하면 그 세포 안에서는 관련 유전자들이 연쇄적으로 켜지고, 반대 계통 유전자들은 억제되는 유전자 조절망이 작동해요. 게다가 세포 내부의 후성유전학적 조절도 함께 작용해서, 한 번 정해진 세포 운명이 비교적 안정적으로 유지됩니다. 그래서 같은 수정란에서 출발했어도 나중에는 신경세포는 신경세포답게, 심장세포는 심장세포답게 기능하게 되는 것이지요.
쉽게 비유하자면, 같은 악보를 가진 오케스트라 단원들이라도, 지휘자의 신호와 앉은 위치, 맡은 파트에 따라 서로 다른 소리를 내는 것과 비슷한데요. 배아의 세포도 같은 유전정보를 공유하지만, 받은 신호의 종류와 강도와 순서가 달라지면서 각자 다른 역할을 맡게 되는 것이지요.
정리하자면,
하나의 수정란이 서로 다른 기관으로 발생하는 이유는 세포마다 유전자가 달라서가 아니라, 배아 안에서 위치에 따라 서로 다른 신호를 받고 그에 따라 다른 유전자 발현 프로그램이 작동하기 때문인데요. 이 과정에서 모포겐 농도 차이, 배엽 형성, WNT와 BMP와 FGF와 Nodal 같은 신호 경로, 그리고 유전자 조절망과 후성유전학적 변화가 함께 작용하여 눈, 심장, 피부, 소화기관 같은 서로 다른 기관이 순차적으로 만들어지게 되는 것이랍니다.
※ 질문자님을 포함하여 소중한 분들의 건강, 재산과 안전을 지키고, 혹시나 발생할 수 있을 다양한 문제 상황에 놓이지 않기 위해서라도 저를 포함하여 다양한 토픽에서 활동하는 모든 전문가분들의 아하 지식커뮤니티에서의 답변은 예외 없이 참고 용도로만 유용하게 활용하시기 바랍니다.😉
채택된 답변안녕하세요. 하나의 수정란이 눈, 심장, 뇌, 피부처럼 서로 다른 기관으로 발달하는 것은, 세포마다 서로 다른 유전자들이 선택적으로 발현되기 때문입니다. 수정 직후에는 모든 세포가 거의 같은 유전정보를 가지고 있지만, 발생이 진행되면서 각 세포가 받는 신호와 위치가 달라지면서 서로 다른 운명을 갖게 됩니다.
발생 초기에 세포들은 계속 분열하면서 서로 다른 위치에 놓이는데요, 이때 주변 세포에서는 다양한 신호분자와 성장인자가 분비됩니다. 이러한 물질은 농도 차이를 이루며 퍼지는데, 세포는 자신이 노출된 신호의 종류와 농도를 감지합니다. 예를 들어 어떤 세포는 높은 농도의 특정 신호를 받아 신경세포로 분화하고, 다른 세포는 낮은 농도의 같은 신호를 받아 피부세포로 분화하는 방식이며, 이때 세포의 위치가 곧 어떤 신호를 받는지를 결정하는 중요한 요소가 됩니다. 이 신호를 받은 세포에서는 특정 전사인자가 활성화되어 필요한 유전자는 켜지고 불필요한 유전자는 꺼집니다. 이렇게 형성된 유전자 발현 패턴은 세포분열을 거쳐도 대부분 유지되기 때문에, 한 번 심장세포의 운명이 결정된 세포는 계속 심장세포의 특징을 유지하며 증식하고, 신경세포로 결정된 세포는 신경조직을 형성하게 됩니다.
또한 발생 과정에서는 세포끼리 서로 정보를 주고받는 현상도 매우 중요한데요, 이미 분화한 세포는 주변 세포에 신호를 보내 분화를 유도하거나 억제하여 조직의 경계를 만들고, 이러한 상호작용이 반복되면서 눈, 심장, 폐, 간 등 각각의 기관이 정확한 위치와 형태를 갖추게 됩니다. 이와 함께 후성유전학적 조절이 더해져 DNA 염기서열은 그대로 유지하면서도 유전자 발현 상태를 안정적으로 유지할 수 있는 것입니다. 감사합니다.
결론부터 말씀드리면 세포들의 위치에 따라 서로 다른 신호를 주고 받기 때문입니다.
예를 들어 특정 부위에서 분비된 신호물질은 분비점에서 멀어질 수록 농도가 옅어집니다. 그리고 세포들은 자신이 처한 위치의 신호 물질 농도를 정확하게 인지할 수 있습니다.
이 농도 차이에 따라 세포 내부에서 서로 다른 유전자 스위치가 켜지는 방식입니다.
또한 먼저 방향을 잡은 세포는 이웃 세포에게 신호를 보내 특정 조직으로 분화를 유도하고, 맞닿은 세포끼리 직접 접촉하여 서로의 운명을 억제하거나 조절하기도 합니다.
그리고 일부에서는 초기 분열 시 mRNA같은 세포질 물질이 불균등하게 나뉘어 처음부터 운명이 갈리기도 합니다.
다시 말해 똑같은 DNA를 가졌지만 이런 과정을 통해 눈이나 코, 심장 등의 위치가 지정되는 것입니다.
결국 위치 정보와 세포 간의 정확한 인식과정을 통해 신체를 만들어내는 핵심 과정인 셈입니다.
안녕하세요. 임형준 수의사입니다.
수정란의 세포는 처음에는 같지만 , 분열하면서 위치에 따라 서로 달느 신호물질(모르포젠)을 받습니다. 이 신호가 특정 유전자를 켜고 끄면서 세포의 운명을 결정해 신경, 심장, 피부 등으로 분화합니다. 이후 세포끼리 계속 신호를 주고받으며 조직과 기관이 정교하게 형성됩니다.