감수분열은 무엇일까 1(유성/무성생식, 염색체, 생식주기)

저번 글에는 세포분열에서 이분법, 유사분열의 진화, 세포주기 조절, 암세포 등에 대해 살펴보았습니다. 그럼 이번 글에서는 생식주기와 감수분열에 대해 공부해보겠습니다.

1. 유전자의 전달

유전(heredity)는 한 세대에서 다음 세대로 형질이 전달되는 것을 의미합니다. 그러나 유전적으로 동일하지는 않은데, 유사성뿐만 아닌 변이(variation)도 나타나기 때문이겠죠. 이것을 연구하는 유전학(genetics)는 유전, 유전적 변이와 관련된 학문입니다. 이번 글에서는 유성생식과 감수분열의 단계 및 체세포분열과의 차이점, 유전적 변이 등에 대해 알아보겠습니다.

-무성생식과 유성생식

부모는 자손들에게 유전자(gene), 즉 암호화된 정보를 물려줍니다. 이 유전자는 뉴클레오타이드라는 단위체 4종류로 구성된 DNA 중합체를 이루고 있습니다. 그리고 각 유전자는 다른 DNA 뉴클레오타이드 서열의 형태로 다음 세대에 전달됩니다. 즉 특정 형질 자체가 전달된다기보다는 DNA 형태로 프로그램되어 전달됩니다. DNA 복제를 시작으로 전달될 유전자의 복사본을 만들어냅니다. 동물과 식물에서는 배우자(gamete)라는 생식세포가 유전자를 전달합니다. 

2. 유성생식 주기: 수정과 감수분열

생식주기(life cycle)는 임신부터 자손을 낳는 것까지 한 개체의 생식 역사 단계들을 의미합니다. 유성생식 주기 동안의 염색체의 변화는 어떨지 사람을 예시로 한번 들어보겠습니다.

-사람 세포의 염색체

사람의 체세포는 각각 46개의 염색체를 가지고 있습니다. 23종류의 염색체가 2개씩 있는 것입니다. 핵형(karyotype)으로 가장 긴 염색체부터 쌍으로 나열하면 알 수 있습니다. 한 쌍을 이루는 염색체는 길이, 염색 양상, 그리고 동원체의 위치가 동일하며, 이것을 상동염색체(homologous chromosome)이라고 합니다. 상동염색체는 같은 유전적 특징을 조절하는 유전자들을 가집니다. 즉, 하나의 형질에 대한 유전자가 상동염색체들에서는 같은 위치에 존재한다는 것입니다. 사람 체세포에서는 X와 Y라는 두 개의 독특한 염색체가 존재합니다. 일반적인 상동염색체들과는 다른 점이 존재합니다. 여성은 2개의(한 쌍의) 상동인 X 염색체를 가지며, 남성은 X 1개와 Y 1개 염색체를 가집니다. X와 Y 염색체는 일부분에서만 상동이라는 특징이 있습니다. X와 Y 염색체는 성을 결정하기 때문에 성염색체(sex chromosome)이라고 부릅니다. X와 Y를 제외한 나머지 염색체는 상염색체(autosome)이라고 합니다. 상동염색체, 성염색체, 상염색체 등의 용어를 잘 구분해야 합니다.

 그렇다면 사람 체세포에 염색체 쌍들이 존재하는 것은 무엇 때문일까요? 바로 유성생식 때문입니다. 사람은 양쪽 부모로부터 각 쌍의 염색체 중 한 개씩만 전달받습니다. 즉, 어머니와 아버지로부터 각각 23개의 염색체를 받은 것입니다. 이렇듯 염색체가 쌍으로 존재하는 것이 아닌 형태의 염색체 수는 n이라고 표현합니다. 염색체들이 쌍으로 존재한다면 2배체 세포(diploid cell)라고 하며, 2n이라고 표현합니다. 사람에서는 2배체 수는 체세포의 염색체 수(46개, 2n=46)입니다. ((cf) DNA 복제가 일어난 세포에서는 모든 염색체가 복제되어 각각이 2개의 자매염색분체로 이루어지는데, 이것도 2배체(2n)이라고 합니다.) 이것과 비교해서 배우자는 염색체들이 쌍이 아닌 한 벌씩만을 가지고 있으므로 반수체 세포(haploid cell)이라고 합니다. 사람에서는 반수체 수는 23(n=23)입니다. 23개의 염색체는 22개의 상염색체와 1개의 성염색체로 구성됩니다. 수정 전의 난자는 성염색체 중 X염색체를 가지고, 정자는 X 또는 Y를 가집니다. 다른 유성생식 종에서는 다른 반수체 수와 2배체 수를 가집니다.

-사람 생식 주기와 염색체

부모의 반수체 정자세포와 반수체 난자세포가 만나 두 세포의 핵이 융합되는 것을 수정(fertilization)이라고 합니다. 수정란(접합자, zygote)는 2벌의 반수체 염색체 세트를 가지므로 2배체에 속합니다. 수정란에서부터 완전한 사람으로 성장하면서 체세포분열이 체세포들을 만듭니다. 단, 배우자만 체세포분열이 아닌 생식소에서 생식세포(germ cell)로부터 만들어집니다. 체세포분열로 만들어진다면 배우자도 2배체일 것이고, 그럼 두 배우자 융합 시 염색체수는 46개로 유지되는 것이 아닌 92개로 2배가 될 것입니다. 그런데 염색체 수는 실제로 이렇게 증가하지 않습니다. 바로 감수분열(mitosis) 과정 때문입니다. 감수분열은 체세포분열과 달리 배우자의 염색체 수를 반으로 줄이기 때문에 배우자 결합 시 염색체 수는 다시 46개가 되는 것이죠. 즉, 감수분열 후 정자와 난자는 반수체(n=23)이며, 수정 후는 2배체입니다.

-유성생식 주기

이렇듯 사람은 감수분열과 수정이 교대로 나타납니다. 그리고 사람과 대부분 동물에서의 생식주기에서는 배우자만 반수체입니다. 수정 후에는 2배체의 수정란이 체세포분열에 의해 분열해 2배체인 다세포 개체가 만들어지는 것입니다. 이것과 비교해 식물과 일부 조류는 세대교번(alternation of generation)이라는 다른 생식주기가 있습니다. 2배체와 반수체에 모두 다세포인 시기가 있습니다. 다세포 2배체 시기는 포자체(sporophyte)입니다. 포자체는 감수분열을 통해 반수체 세포인 포자(spore)를 만듭니다. 반수체 포자는 융합하는 것이 아닌 체세포분열을 통해 배우자체(gametophyte)라는 다세포 반수체 시기로 이어집니다. 그리고 배우자체 세포는 체세포분열로 배우자를 만들고, 반수체인 배우자의 수정으로 2배체인 접합자가 형성됩니다. 즉, 이 유형에서는 포자체 세대가 만든 배우자체가 다음 포자체 세대를 만듭니다.

 또 다른 생식주기는 곰팡이, 원생동물 등에서 나타납니다. 배우자 융합으로 2배체인 접합체를 만든 후 2배체 자손을 만드는 것이 아닌 감수분열이 일어납니다. 감수분열은 배우자가 아닌 반수체 세포를 만들고, 이것이 체세포분열을 통해 반수체 개체를 만듭니다. 그럼 이 반수체 개체는 체세포분열을 하여 배우자를 형성합니다. 이 경우 단세포 접합자일 때만 2배체입니다. 즉, 반수체나 2배체 세포는 둘 다 체세포분열을 할 수 있으나, 감수분열은 오직 2배체만 한다는 것을 이 세 가지의 생식주기를 통해 알 수 있습니다. 감수분열은 염색체 세트의 수를 2배체에서 반수체로 줄이는 역할을 하기 때문입니다. 자세한 단계들에 대한 설명은 다음 글에서 공부해 보겠습니다!