체세포분열 document_id A220623081467

세포생물학에서 체세포분열(mitosis s; 유사분열)은 복제된 염색체가 두 개의 세포핵으로 분리되는 세포 주기의 한 부분이다. 세포 분열은 전체 염색체 수를 유지하면서 유전적으로 동일한 세포를 만든다. 따라서 체세포분열을 균등 분열(equational division)이라고도 한다. 일반적으로 사이기의 S기 이후에 체세포분열(핵의 분열)이 진행되고, 체세포분열의 말기 이후에는 세포질과 세포소기관, 세포막이 하나의 세포에서 2개의 새로운 세포로 거의 동일하게 나뉘는 세포질분열이 일어난다. 체세포분열 과정의 여러 단계를 함께 M기(체세포분열기)라고 정의한다. 체세포분열의 과정은 특정 세포의 활동에 따라 여러 단계로 나뉘는데, 각 단계를 순서대로 전기, 전중기, 중기, 후기, 말기라고 한다. 체세포분열 동안 염색체는 복제되어서 응축된 상태이고, 각 복제된 염색체는 방추에 부착하여 분리되면서 세포의 양 끝으로 끌려간다. 체세포분열 말기에 형성된 2개의 딸세포 핵은 유전적으로 서로 동일하다. 체세포분열의 오류로 3개 이상의 딸세포를 만드는 경우를 세극 체세포분열이라고 하거나 다극 체세포분열이라고 한다. 체세포분열에서 나타나는 다른 오류는 어팝토시스(프로그래밍된 세포 죽음)를 유도하거나 돌연변이를 일으킨다. 일부 암도 이러한 돌연변이로부터 생긴다. 체세포분열은 진핵생물의 세포에서만 일어난다. 원핵생물의 세포는 핵이 없기 때문에 이분법이라는 다른 방법으로 분열한다. 체세포분열 방법은 생물에 따라 다양한데 1838년에는 다른 독일의 식물학자 마티아스 야콥 슐라이덴(Matthias Jakob Schleiden)이 식물의 내부에서 나타나는 새로운 세포 형성이 세포 증식의 일반적인 법칙이라는 사실을 확인했지만, 나중에 로버트 레막(Robert Remak) 같은 과학자들에 의해 몰(Mohl) 모델이 지지되면서 이 견해는 받아들여지지 않았다. 동물 세포에서 체세포분열은 1873년 개구리, 토끼, 그리고 고양이의 각막 세포에서 발견됐고, 1875년 폴란드의 조직학자 바츠왑 마이젤(Waclaw Mayzel)이 처음으로 이를 묘사했다. 부츨리(Bütschli), 슈나이더(Schneider), 폴(Fol)도 체세포분열 과정을 발견했을 수 있다. 1873년 독일의 동물학자 오토 부츨리(:en:Otto Bütschli''Otto Bütschli'')는 선형동물을 관찰한 데이터를 출판했다. 몇 년 뒤 부츨리는 그 관찰을 기반으로 체세포분열을 발견하고 묘사했다. "체세포분열(mitosis)"이라는 용어는 그리스어로 날실을 뜻하는 μίτος (''mitos'')에서 유래하여 1882년 발터 플레밍(Walther Flemming)이 만들었다. 1878년 슐라이허(Schleicher)가 도입한 "핵분열"이라는 용어나, 아우구스트 바이스만(August Weismann])이 제안한 "균등 분열"이라는, 체세포분열 과정을 의미하는 다른 용어도 존재한다. 그러나, "체세포분열"이라는 용어는 일부 학자들이 핵분열과 세포질분열을 동시에 나타내는 넓은 의미로 사용한다. 현재는 "균등 분열"이라는 용어가 체세포분열을 닮은 감수분열 과정 중 하나인 감수 2분열을 나타낼 때 더 일반적으로 사용된다. 그리스어 어원에서 살펴봤듯이 "mitosis"는 날실 같은 방추섬유가 관여하는 세포 분열이다. 일본은 이 용어를 처음 번역할 때 실이 존재하는 분열이라는 뜻에서 "有絲分裂"이라고 한자로 번역했고, 한국은 일본의 영향을 받아 한자를 그대로 읽어서 "유사분열"이라고 사용해왔다. 이후 이 단어를 우리말로 바꾸는 과정에서 "체세포분열"이라는 용어로 굳어졌고, "mitosis"를 번역할 때에는 "체세포분열"로 번역하는 것이 권장된다. 그러나 이는 원래 용어의 어원을 살리지 못한 용어이므로, 더 적절한 우리말 용어가 만들어질 필요성이 있다. <heading>단계 >> 개요 </heading> 체세포분열과 세포질분열을 하면 모세포의 지놈이 2개의 딸세포로 전달된다. 염색체에서 DNA는 세포 기능 유지에 필수적인 유전 정보를 저장하고 있는데, 한 생물의 전체 유전 정보를 지놈이라고 한다. 각 딸세포는 모세포와 유전적으로 동일해야 하기 때문에 모세포는 반드시 체세포분열을 하기 전에 염색체의 사본을 만들어야 한다. 이는 사이기의 S기 때 일어난다. 세포 주기를 일시적 또는 영구적으로 벗어나 분열하지 않는 세포는 G₀기로 접어든다. 이는 세포가 너무 많아져서 밀도-의존성 억제가 나타나거나, 혹은 사람 심장근육 세포나 뉴런처럼 세포가 개체에서 특정 기능을 갖도록 분화했을 때 나타난다. 일부 G₀기 세포는 다시 세포 주기를 진행시킬 수 있다. 사이기 때는 2개의 주요 과정을 통해 DNA 이중가닥 절단을 복구할 수 있다. 첫 번째 과정은 비상동 말단연결(non-homologous end joining; NHEJ)인데, 이 과정을 통해 사이기의 모든 시기에 잘린 DNA의 끝부분을 서로 연결시킬 수 있다. 두 번째 과정은 상동 재조합 복구(homologous recombinational repair; HRR)인데, 이 과정은 NHEJ보다 더 정확한 DNA 이중가닥 절단 복구 방법이다. HRR을 하려면 서로 인접한 상동 서열이 필요하기 때문에 DNA 복제가 이루어지고 있는 S기나 DNA 복제가 다 이루어진 G₂기 때만 할 수 있다. 사이기는 세포가 체세포분열을 준비하도록 도우며, 체세포분열이 일어날지 말지 결정한다. 세포의 DNA가 손상받거나 중요한 시기를 완료하지 못하면 세포 주기를 중단시킨다. 이처럼 사이기는 체세포분열이 성공적으로 완료될지 말지를 결정하는 데 매우 중요한 시기이다. 사이기에 관여하는 주요 단백질들이 실수라도 하면 잠재적인 암세포를 만들 수도 있다. 현재 각 시기들이 어떻게 일어나는지 구체적으로 이해하기 위하여 더 많은 연구가 진행되고 있다. <heading> 전기 (Prophase) =</heading> 사이기의 G₂기 이후에 진행되는 전기 때는 염색체를 고도로 응축하고 방추체를 형성하면서 세포가 분열될 준비를 한다. 사이기 동안 핵 안에서의 유전 물질은 느슨하게 풀어져서 염색질을 이뤘다. 그러나 전기가 시작되면 염색질 섬유가 응축하여 뚜렷하게 구분되는 염색체가 만들어지고, 이때 고도로 응축된 염색체는 광학 현미경을 사용하여 높은 배율에서 관찰할 수 있다. 이 시기의 염색체는 길고 가는 실처럼 생긴 구조물을 형성한다. 각 염색체는 복제된 형태이기 때문에 2개의 염색분체를 가진다. 각 염색분체는 중심절에서 서로 붙어 있다. 전기 동안 유전자 전사는 멈추고 후기의 후반부에서 G₁기가 시작하기 이전까지 전사는 일어나지 않는다. 핵소체도 전기의 초반에 사라진다. 중심체는 체세포분열 전기 때 동물 세포의 핵 근처에 존재하는 구조물이다. 각 중심체는 한 쌍의 중심립을 가지며, 여러 단백질이 느슨하게 이를 둘러싸고 있다. 중심체는 세포의 미세관을 조직화하는 중심이다. 세포는 사이기 때 중심체를 복제하고, 세포 분열할 때 딸세포는 하나의 중심체를 물려받는다. 전기 때 존재하는 2개의 중심체는 튜뷸린을 중합하면서 미세관 방추장치가 형성되도록 한다. 이후 운동 단백질은 미세관을 따라 중심체를 밀면서 세포의 양끝으로 이동시킨다. 중심체가 미세관 조립을 조직화하기는 하지만, 식물은 중심체가 없기 때문에 중심체가 없는 식물은 핵막에서 방추장치가 형성되며, 동물 세포의 체세포분열에도 필수적으로 필요한 것은 아니다. <heading> 전중기 (Prometaphase) =</heading> 동물 세포에서 전중기가 시작되면, 핵 라민이 인산화되면서 핵막이 작은 소포들로 분해된다. 핵막이 분해되면서 미세관은 핵의 영역까지 뻗어 들어온다. 이런 과정을 ''열린 체세포분열''이라고 하고, 이는 일부 다세포 생물에게서 일어난다. 진균이나 조류나 트리코모나드 같은 일부 원생생물은 핵 내부에서 방추체가 형성되거나, 미세관이 핵막을 뚫고 들어가는 ''닫힌 체세포분열''을 한다. 참고로 '방추부착점(kinetochore)'과 '중심절(centromere)'은 모두 '동원체'라고 잘못 번역되어 오류를 야기하므로 '동원체'라는 표현을 지양할 것을 권장한다. 한쪽 중심체에서 뻗어 나오는 많은 수의 ''극성 미세관''은 다른 쪽 중심체에서 뻗어 나오는 극성 미세관을 찾아 상호작용하면서 방추체를 형성한다. 대부분의 동물 세포에서 후기 A가 후기 B보다 먼저 일어나지만, 일부 척추동물의 알세포는 후기 B가 후기 A보다 먼저 일어난다. <heading> 말기 (Telophase) =</heading> 말기는 전기와 전중기 때 일어났던 사건이 반대로 일어난다. 극성 미세관은 계속해서 길어지면서 세포를 더 길게 늘린다. 핵막이 분해되었다면, 새로운 모세포의 오래된 핵막이 쪼개졌던 막 소포를 이용해 핵막이 다시 생긴다. 새로운 막은 각 분리된 딸염색체 주변으로 형성되며(중심체는 핵막 밖에 위치한다), 핵소체가 다시 나타난다. 나누어진 각 염색체 세트는 각각의 새로운 핵막으로 둘러싸이게 되고, 응축되었던 염색체는 탈응축되어 풀린다. 이로써 체세포분열이 완료된다. 각 딸핵은 동일한 염색체 세트를 가진다. 생물에 따라서 이 시점에서 세포 분열은 또 일어날 수도 있고 안 일어날 수도 있다. <heading>세포질분열 (Cytokinesis) </heading> 세포질분열은 체세포분열의 시기에 포함되지는 않지만 체세포분열기(M기)에는 마지막 시기로 포함되어 세포 분열을 완료시킨다. 아래는 진핵생물에서 발생하는 체세포분열 형태이다. <heading>오류와 다른 변이들 </heading> 체세포분열을 하는 동안 오류가 나타날 수 있다. 사람에게서는 특히 초기 배아 발생 과정에서 나타난다. 체세포분열의 각 시기 동안 체세포분열이 정상적으로 일어나게 조절해주는 체크포인트가 존재한다. 그러나 가끔 드물게 실수가 일어날 수 있다. 체세포분열 실수는 염색체 수 하나 이상이 많거나 적은 비정배수체(aneuploid)를 만들 수 있고, 이 경우 암과도 연관이 있다. 초기 사람 배아와 암 세포, 감염되거나 중독된 세포는 3개 이상 딸세포를 만드는 병리학적인 증상을 겪으며, 염색체 구성에 심각한 오류를 야기한다. 하나의 딸세포가 비분리된 염색체에서 2개의 염색분체를 물려받으면, 나머지 세포는 아무 염색체도 물려받지 못한다. 결과적으로 전자의 세포는 그 염색체에 대해 염색체 사본을 3개 가지게 되어 ''세염색체증''(trisomy)이 나타나고, 후자의 세포는 염색체 사본을 1개 가지게 되어 ''홑염색체증''(monosomy)이 나타난다. 가끔 세포가 비분리될 때 이 세포들은 완전한 세포질분열에 실패하여 한 세포에 2개의 핵이 존재하여 이핵 세포(binucleated cell)를 형성하게 된다. 후기 동안 염색체의 이동이 지연되면 ''후기 지연''(anaphase lag)이 일어난다. 속재복제는 많은 종에서 발생의 정상적인 한 형태로 나타난다. 세포는 다시 G₁기와 S기로 접어들어 염색체를 또 복제한다. 섬모충과 동물의 태반 조직에서 일어나는 무사분열은 부모의 대립유전자를 무작위하게 배분한다. 세포질분열 없이 핵분열만 일어나면 다핵세포를 만든다. <heading>진단 표지자 </heading> 조직병리학에서 체세포분열 속도는 여러 조직 샘플에서 종양의 공격성을 특정하고 진단할 때 사용되는 중요한 지표이다. 예를 들어, 유방암 샘플을 채취하면 일반적으로 체세포분열 횟수를 정량화한다. 체세포분열 횟수는 가장 활발하게 체세포분열을 하고 있는 부위에서 센다. 암은 체세포분열 활성이 매우 높기 때문에 암에서는 이 부위를 확인하기 어렵다. 또한, 비정상적인 체세포분열을 감지하는 것은 진단 표지나 예후 표지로 사용될 수 있다. <heading>관련된 세포 과정 >> 세포 라운딩 </heading> 동물 조직에서 대부분의 세포는 체세포분열을 할 동안 구 모양이 가깝게 동그랗게 모양이 변한다. 체세포분열 할 세포를 G₂기에 X선으로 피폭시키면, 세포는 두 자매 염색분체 사이에서 나타나는 재조합을 우선적으로 사용해 DNA 손상을 복구시킨다. 이는 체세포분열 재조합이 잠재적으로 치명적일 수 있는 DNA 손상을 복구시키는 적응 과정을 암시한다. <heading>진화 </heading> 진핵생물의 체세포분열 과정에 등장하는 액틴이나 튜뷸린 같은 분자들은 원핵생물에도 대응하는 상동 분자가 존재한다. 체세포분열이 진핵생물의 보편적 특징이라는 점에서 체세포분열이 진핵생물 나무의 처음부터 시작되었을 가능성이 크다. 또한 체세포분열은 감수분열보다 덜 복잡하다는 점에서 감수분열이 체세포분열이 등장한 이후에 등장했을 수 있다. 그러나 감수분열이 관여하는 유성 생식은 진핵생물의 원시적인 특징 중 하나인 것은 사실이다. 따라서 감수분열과 체세포분열은 조상 원핵생물의 분열 과정에서 함께 평행하게 진화했을 가능성이 존재한다. 박테리아의 세포 분열에서 DNA가 복제되고 나면, 2개의 원형 염색체는 세포막의 특별한 부위에 부착되어 있다. 반면에 진핵생물의 체세포분열에는 여러 선형 염색체가 존재하고, 염색체의 방추부착점에는 방추의 미세관이 부착한다. 체세포분열의 여러 형태의 관계를 살펴보면 닫힌 핵속 가쪽체세포분열(closed intranuclear pleuromitosis)이 박테리아의 분열과 비슷한 가장 원시적인 유형으로 보인다.