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직진만이살길
하나의 수정란이 어떻게 눈, 심장 같은 서로 다른 기관으로 발생하나요?
하나의 수정란이 세포분열을 거듭하면서 각기 다른 기관과 조직으로 분화한다고 들었어요. 처음엔 다 똑같은 세포였는데 위치에 따라 다른 기관이 되는 신호가 어떻게 전달되는 건지 궁금합니다.
5개의 답변이 있어요!
안녕하세요. 말씀해주신 것처럼 하나의 수정란이 눈, 심장, 간처럼 전혀 다른 기관으로 나뉘어 발달하는 핵심 원리는 유전자는 동일하지만, 발현이 달라지기 때문입니다. 즉 모든 세포는 같은 DNA를 갖고 있지만, 어떤 유전자를 켜고 끄는지에 따라 운명이 달라지는데요, 이 과정을 가능하게 하는 것이 발생 신호 전달과 공간 정보의 형성입니다.
우선 수정란은 처음에는 균일한 세포 덩어리로 시작하지만, 세포분열이 진행되면서 비대칭이 생깁니다. 가장 먼저 모계 효과인데요, 난자 자체에 이미 단백질이나 mRNA가 위치별로 다르게 들어있어, 수정 직후부터 세포 위치에 따라 서로 다른 출발 신호를 받습니다. 이것이 최초의 앞-뒤, 위-아래 축을 만듭니다. 그 다음 단계에서는 세포들이 서로 신호를 주고받기 시작하는데요, 대표적으로 형태형성인자라는 물질이 중요한데, 특정 세포에서 분비된 신호 단백질이 주변으로 퍼지면서 농도 구배를 만듭니다. 세포는 이 농도를 측정해서 자신이 어느 위치에 있는지 판단하는데요, 예를 들어 농도가 높으면 A 유전자, 중간이면 B 유전자, 낮으면 C 유전자를 활성화하는 식입니다. 이와 함께 Wnt signaling pathway, Hedgehog signaling pathway, Notch signaling pathway, BMP signaling pathway 같은 경로들은 세포 간 직접 접촉 또는 분비 신호를 통해 이 자리는 신경이 될 것이라던가 저 자리는 심장 전구세포가 될 것이다와 같은 결정을 단계적으로 유도합니다. 이 신호들은 최종적으로 전사인자를 바꾸는데요, 전사인자는 어떤 유전자를 켜고 끌지 결정하는 단백질이라서, 한 번 결정되면 세포의 성질이 안정적으로 고정됩니다. 이후에는 같은 계열의 세포끼리 모여 조직을 만들고, 그 조직이 다시 상호작용하면서 기관이 형성됩니다. 감사합니다.
채택 보상으로 514베리 받았어요.
채택된 답변배아의 특정 부분에서 분비된 모포젠이라는 물질이 퍼져나가며 위치에 따라 진하고 연한 농도차이를 만듭니다.
그럼 세포들은 자신에게 닿는 이 물질의 농도를 통해 배아 내에서 자신의 상대적 위치를 스스로 인식합니다.
또 유기적인 결합을 위해 이웃한 세포끼리 직접 접촉하며 서로의 분화 방향을 조율하거나 억제합니다.
그리고 외부 신호를 받은 세포는 가지고 있는 동일한 DNA 설계도 중 특정 유전자 스위치만 켜게 됩니다.
이런 프로그래밍을 통해 처음엔 똑같았던 세포들이 눈이나 심장, 손가락 등 전혀 다른 조직과 기관으로 완성되는 것입니다. 결국 세포들이 끊임없이 화학적 대화를 나누며 스스로의 위치에 맞는 설계도를 살현하는 과정인 것입니다.
안녕하세요. 이상현 전문가입니다.
모든세포는 거의 동일한 DNA를 갖고있지만, 발생초기에는 모폴로젠의 농도차이와 주변 세포의 신호에 따라서 특정 유전자만 선택적으로 활성화되어서 눈과 심장, 신경 등 서로 다른 운명이 결정됩니다.
안녕하세요, 스라소니199님. 이중철 전문가입니다.
동일한 질문을 해주셨군요.
이전의 질문과 이번 질문까지 함께 답변을 남겨드렸으니, 잘 확인해보시고 도움이 되시기를 바라겠습니다.
우선은 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.😉
안녕하세요. 임형준 수의사입니다.
처음의 수정란 세포는 거의 같지만, 발생 과정에서 위치에 다라 서로 다른 신호물질(모르포젠)을 받습니다. 이 신호가 특정 유전자를 켜고 끄면서 세포의 운명을 결정해 신경, 심장, 눈 등으로 분화합니다. 이후 세포끼리 계속 신호를 주고받으며 조직과 기관이 정교하게 형성됩니다.