세포분열은 무엇일까 1(유전물질, 염색체, 세포주기, 유사분열)

저번 글에서는 세포막 관련하여 능동수송과 집단수송에 대해 알아보았습니다. 이번 글에서는 세포분열에 대해 알아보고자 합니다. 세포분열(cell division)은 세포의 생식으로, 생물의 일생에서 매우 중요합니다. 원핵세포는 분열하면 새로운 개체를 만들어 번식하고, 다세포 진핵생물은 세포분열을 통해 각각의 개체가 수정란 등의 한 세포에서 발생합니다. 개체가 완전히 성장한 후에도 세포분열은 새로운 세포들을 만들어 재생, 회복에 관여합니다.

1. 대부분의 세포분열: 유전적으로 동일한 딸세포를 만든다

원핵세포와 진핵세포에서는 세포분열에서 동일한 유전물질인 DNA를 두 딸세포로 분배합니다. 분열하는 세포는 DNA를 복제하여 세포의 양 끝에 두고 이것이 나중에 각각의 딸세포에 갑니다. 다만 감수분열은 예외로, 정자와 난자가 만들어집니다. 

-유전물질의 세포내 구성

유전자와 DNA, 유전체 등의 개념을 명확히 알고 있어야 합니다. 유전자(gene)는 개체의 유전형질을 정하는 정보의 기본 단위이며, 이 유전자가 수백~수천 개가 모인 것이 DNA 분자입니다. 유전정보가 있는 DNA 전체는 유전체(genome)라고 합니다. 원핵생물은 하나의 긴 DNA 분자를 가지지만, 진핵생물은 다수의 DNA 분자를 가지며 길이가 깁니다. 유전적으로 같은 딸세포를 만들기 위해서는 이 DNA가 모두 복제되어야 합니다. 그렇다면 이 DNA를 복제하고 분배하는 것은 염색체(chromosome) 구조 덕분에 가능합니다. 진핵생물의 염색체는 DNA 분자가 단백질과 결합한 형태입니다. 염색체를 만드는 이 두 물질의 복합체를 염색질(chromatin)이라고 합니다. 염색체의 염색질은 세포분열 과정에서 응축됩니다. 그리고 모든 진핵생물은 세포핵에 염색체 수를 특징적으로 가집니다. 인간의 체세포(somatic cell)는 46개 염색체를 가집니다(부모로부터 각각 물려받은 23개의 염색체 2세트). 생식세포(gamete)는 체세포의 염색체 수의 반인 23개 염색체 1세트입니다. 

-세포분열 과정에서의 염색체 분배

세포가 분열하고 있지 않을 때에는 염색체가 염색사의 형태로 풀려 있습니다. 이후에 DNA 복제 후 세포분열할 때는 응축되어 염색체가 됩니다. 각각의 복제된 염색체는 두 개의 자매염색분체(sister chromatid)로 구성되며, 이 두 염색분체는 코헤신(cohesin)이라는 결합 단백질 복합체에 의해 부착됩니다. 이것을 자매염색분체 접합(sister chromatid cohesion)이라고 합니다. 또한 각각의 염색분체는 자매염색분체가 가장 가깝게 붙어 있는 부분인 동원체(centromere)를 가집니다. 세포분열 과정에서 두 자매염색분체가 분리되면 세포의 양끝으로 각각 이동하는데 이때 세포내 염색체 수는 2배가 됩니다.(염색분체가 분리되면 독립적인 염색체로 간주하기 때문입니다) 유사분열(mitosis) 후에는 세포질분열(cytokinesis)가 일어납니다. 결과적으로는 모세포와 유전적으로 동일한 두 개의 딸세포가 만들어집니다. (예외적으로 감수분열은 염색체의 수를 46개에서 23개로 줄입니다.)

2. 세포주기

-세포주기의 단계

세포분열은 세포주기의 한 단계일 뿐입니다. 분열(M)기는 유사분열과 세포질분열 모두를 포함하며, 세포주기 중 가장 짧습니다. 세포주기는 크게 간기(interphase)와 분열기(M기)로 나뉩니다. 간기는 세포주기 전체의 90% 정도를 차지하며, G1기와 S기, G2기로 나뉩니다. 여기서 G는 gap의 첫 글자를 딴 것입니다. 간기에서는 세포소기관을 만들며 세포가 성장합니다. 다만 염색체를 복제하는 것은 S기에서만 나타납니다. 즉, G1기에서는 세포가 성장하고, S기에서는 DNA를 복제하고, G2기에서는 더 성장하면서 세포분열 준비를 완료합니다. 인간세포의 일부는 하루에 한번 분열을 하는데 S기는 세포주기의 거의 절반을 차지합니다. 24시간 중 S기는 10~12시간, G2기는 4~6시간, G1기는 5~6시간 정도입니다. 간기가 지나면 분열기로 접어드는데 유사분열은 전기, 전중기, 중기, 후기, 말기로 구분됩니다. 이후에 세포질분열까지 일어나면 분열기가 끝납니다. 너무 유명한 과정이지만 한번 더 공부해봅시다!

-동물세포의 유사분열

우선 간기의 G2기에서는 핵막이 핵을 둘러싸고 있고, 핵은 인을 가집니다. 복제된 염색체는 응축되지 않은 상태입니다. 그리고 중심체 하나가 2개로 복제됩니다. 그 후 유사분열의 전기(prophase)에서는 염색체로 응축되고, 인이 소실됩니다. 그리고 유사분열방추체가 만들어지기 시작하고, 두 중심체가 양극으로 이동합니다. 전중기(premetaphase)에서는 핵막이 아예 붕괴되고, 미세소관이 염색분체의 방추사부착점(kinetochore)에 결합하여 염색체를 앞뒤로 당깁니다. 중기(metaphase)에서 두 중심체는 세포의 양끝에 위치하고, 염색체는 세포의 중앙인 적도면(중기판, metaphase plate)에 모입니다. 이때 염색분체의 방추사부착점에는 반대편 극에서의 미세소관이 붙습니다. 후기(anaphase)는 가장 짧은 단계로, 자매염색분체가 분리되고 미세소관이 짧아지면서 세포의 반대편 끝으로 이동합니다. 이때 속도는 약 1마이크로미터/분입니다. 마지막으로 말기(telophase)에서는 2개의 딸핵이 만들어지기 시작하고, 인이 다시 만들어지고, 염색체는 풀립니다. 이로써 2개의 핵으로 나뉘는 유사분열이 끝납니다.

-세포질분열

 말기의 뒷부분에서 세포질분열이 시작되며, 동물세포에서는 분할(cleavage)에 의해 일어납니다. 중기판 부위 주변의 세포 표면에 분할구(cleavage furrow)가 얕게 홈으로 나타납니다. 여기의 세포질쪽에 액틴과 마이오신이 결합한 수축환이 있고, 이것이 수축되면 분할구가 깊어져 완전히 독립된 두 개의 세포로 나뉩니다. 식물세포는 동물세포와 달리 세포벽이 있기 때문에 과정이 살짝 다릅니다. 분할구는 만들어지지 않고, 골지체에서부터 만들어진 소낭들이 세포의 중앙에서 세포판(cell plate)을 만듭니다. 소낭이 운반한 물질들이 점점 쌓여 세포판이 자라고, 바깥쪽 막이 세포막에 융합되면 2개의 딸세포가 만들어집니다. 그리고 세포판으로부터 새 세포벽이 형성됩니다. 이밖에도 세균의 이분법 및 유사분열의 진화, 세포주기 조절에 대해 더 공부하고자 하는데 글이 너무 길어질 것 같아서 다음 글에 이어서 공부하도록 하겠습니다!