세포분열은 무엇일까 2(이분법, 유사분열의 진화, 세포주기 조절, 암세포)

저번 글에서는 세포분열과 관련하여 유전물질, 염색체, 전반적인 세포주기와 유사분열의 과정에 대해 알아보았습니다. 이번 글에는 이어서 세균의 이분법, 유사분열의 진화, 그리고 진핵세포의 세포주기를 조절하는 시스템에 대해 살펴보겠습니다. 

1. 세균의 이분법

세균 등의 원핵생물은 세포가 기존의 두 배 정도의 크기로 자라면 세포 두 개로 나뉘는 방법으로 번식합니다. 그것을 이분법(binary fission)이라고 합니다. 즉 원핵생물의 분열이나 단세포 진핵생물의 무성생식 방법입니다. 단, 진핵세포의 경우에는 유사분열이 포함되지만 원핵생물은 아니라는 점에서 다릅니다. 일부 세균에서 세포분열 과정은 염색체상의 복제원점(origin of replication)이라는 부위에서 염색체의 복제가 시작되어 복제원점이 2개 만들어집니다. 염색체 복제 과정 동안 세포는 계속 신장되고, 복제원점 하나는 세포의 반대쪽 끝으로 이동합니다. 이후에는 세포막이 안쪽으로 조여 모세포가 2개의 딸세포로 분리됩니다.

2. 유사분열의 진화

원핵생물은 진핵생물보다 10억 년 이상 먼저 출현한 생물이기에 유사분열은 원핵생물의 생식 메커니즘에서 유래했을 것입니다. 세균의 이분법과 비슷한 원시적 분열은 진핵생물이 진화함에 따라 유사분열로 변화했을 것으로 추정됩니다. 예를 들어 와편조모류, 규조류 등의 특정 단세포 진핵생물의 특이한 유사분열 형태는 덜 진화된 형태로 여겨집니다. 진핵생물에서는 대부분 분열기에서 핵막이 사라지지만 이 생물들에서는 핵막이 유지된다는 차이점이 있습니다. 

3. 진핵세포의 세포주기 조절

-세포주기 조절 시스템

세포주기는 세포주기 조절 시스템(cell cycle control system)에 의해 조절됩니다. 이 시스템에서는 세포내 분자들이 작용하여 단계를 유도 또는 억제합니다. 세포주기는 내외부의 신호에 의해 특정한 지점에서 조절되는데 이 확인점(checkpoint)는 G1기, G2기, M기에 나타납니다. 세포주기의 사건 속도를 결정하는 것은 세포주기 조절 분자의 양과 활성에 따라 달라집니다. 이 때 세포주기 조절 분자는 인산화효소, 사이클린의 두 종류 단백질입니다. 인산화효소는 활성화되어야 하는데 사이클린(cyclin)단백질이 결합해야 합니다. 따라서 인산화효소는 사이클린 의존성 인산화효소(cyclin-dependent kinase;Cdk)라고도 불립니다. 예를 들면 MPF라는 사이클린-Cdk 복합체는 성숙촉진인자로, G2기에서 M기로 갈 수 있도록 유도합니다. 후기에는 MPF가 사이클린을 파괴하여 스스로의 작용을 억제하고, Cdk는 불활성 상태로 변합니다. G1 확인점도 사이클린-Cdk 복합체에 의해 조절됩니다.

 각각의 확인점을 더 자세히 살펴보겠습니다. G1 확인점에서 정지 신호가 아닌 출발 신호를 받으면 세포는 정상적으로 세포주기를 거쳐 분열까지 마칩니다. 그러나 출발 신호를 받지 않으면 세포는 G0기로 전환해 분열하지 않습니다. 다만 일부 세포의 경우 생장인자 신호 등의 외부 신호에 의해 다시 세포주기로 돌아올 수는 있습니다. M기 확인점에서는 내부 신호로 세포주기가 조절됩니다. 유사분열의 후기는 염색체가 모두 중기판에 배열되어야 진행됩니다. 방추체의 미세소관이 일부 방추사부착점에 결합하지 않아도 후기가 지연됩니다. 적절히 배열된 후 조절 단백질이 활성화되어 염색분체를 분리합니다. 이밖에도 S기에도 확인점이 존재합니다. DNA가 손상된 세포의 세포주기 진행을 억제하는 역할을 담당합니다. 그리고 후기와 말기 사이에도 또 다른 확인점이 있다는 것을 발견해냈다고 합니다.

 생장인자(growth factor)는 다른 세포의 분열을 촉진하는 분비 단백질입니다. 대부분의 포유 동물 세포는 특정 생장인자가 있어야만 분열할 수 있습니다. 한 예시로는 섬유아세포의 분열에 필요한 혈소판유래 생장인자(platelet-derived growth factor, PDGF)가 있습니다. PDGF는 타이로신 인산화효소 수용체에 결합하면 G1 확인점을 지나 분열 가능하도록 하는 신호전달경로가 활성화됩니다. 한편 외부 요인이 세포분열에 미치는 예시로는 밀도 의존성 억제(density-dependent inhibition)이라는 현상이 있습니다. 배양 중인 세포는 한 층을 이룰 때까지만 분열하는데, 이것은 세포 표면의 단백질이 이웃 세포의 대응 분자와 결합하면 세포분열 억제 신호가 작용합니다. 동물세포는 대부분 부착 의존성(anchorage dependence)도 있습니다. 세포분열을 위해서는 기저층(세포외기질, 배양 용기 표면 등)에 부착되어야만 합니다. 왜냐하면 부착이 세포주기 조절 시스템에 신호를 전달하는 역할을 담당하기 때문입니다.

-암세포의 세포주기 조절 결핍

 암세포는 정상적인 세포와 달리 세포주기 조절 신호에 대해 정상 반응을 하지 못합니다. 또한 생장인자가 없을 때도 계속 분열 가능합니다. 또한 암세포는 분열을 멈출 때도 확인점이 아닌 아무 단계에서나 멈춰 설 수 있습니다. 영양분만 공급된다면 무한정 분열할 수 있는, 즉 죽지 않는 세포입니다. 일반적인 세포는 20~50번 분열 후 노화 및 사멸하는 것과 비교하면 큰 차이점입니다. 그리고 암세포는 세포에 이상이 생겼을 때도 세포자멸사라고 하는 정상 조절 기능이 작동하지 않습니다. 만약 신체에서 정상 세포가 암세포로 변화되면 증식을 계속해 비정상 세포 덩어리를 만들어내며, 이것이 바로 종양입니다. 종양은 양성종양(benign tumor)과 악성종양(malignant tumor)으로 나뉩니다. 양성종양은 비정상 세포가 원래 위치에 남아 있는 것이지만 악성종양은 세포가 다른 조직으로 퍼질 수 있습니다. 이 악성종양이 있다면 암이라고 합니다. 악성종양 세포는 증식을 과도하게 할뿐만 아니라 비정상적인 염색체 수를 가지고 있습니다. 암세포는 혈관이 종양 쪽으로 자라는 것을 유도하기도 합니다. 암세포들이 혈관, 림프관을 통해 이동하여 다른 부위에서 종양을 형성하는 것을 전이(metastasis)라고 합니다. 종양이 한곳에 모여 있다면 고에너지의 방사선을 조사하여 치료할 수는 있습니다. 암세포의 DNA 손상 회복 능력이 상대적으로 작은 특징을 이용한 것입니다. 종양이 전이되었다면 분열하는 세포에 독성이 있는 약물을 주입하는 화학요법을 사용합니다. 다만 세포주기의 특정 단계를 억제하는 이 방법은 암세포뿐만 아니라 정상적인 분열 세포에도 작용해 머리카락이 빠지는 등의 부작용이 나타날 수 있습니다. 이번 글에서는 세균의 이분법, 유사분열의 진화, 암세포에 대해서 알아보았습니다. 다음 글에서는 감수분열에 대해 공부하겠습니다.