초파리 발생의 분자적인 특징

Ⅰ. 들어가기

매우 단순한 동물이라도 그 동물로서의 특징이 만들어지기 위해서는 상당히 복잡한 과정을 거친다. 생명체의 모든 현상은 기본적으로 유전자의 활동에 의해서 이루어지기 때문에 발생에 대한 비밀을 푸는 것도 유전자의 작용을 이해하는 것이 절대적으로 요구된다.

요즘 생물학자들이 수행하는 연구의 한 방법은 조직적이고 체계적으로 많은 유전자를 발견하는 것이다. 일단 유전자를 발견한 후 이들 유전자들의 기능을 하나씩 밝혀가는 것이다. 유전자 하나만 찾아서 하던 시대와는 많이 달라져 그야말로 대량 생산의 개념이 유전자 연구에도 도입되었다고 볼 수 있다.

초파리의 훌륭한 유전학적인 방법을 이용하여 1980년대를 전후하여 발생에 관여하는 많은 유전자가 발견되었다. 이들 유전자들이 분자생물학적으로 규명된 후 생쥐, 인간, 개구리, 닭 등과 비교해 보았을 때 구조와 기능이 유사한 유전자들이 대량으로 발견되어 동물의 발생을 분자유전학적으로 연구하는데 획기적인 전환점을 마련하게 되었다. 이제 생물학 연구는 한 생물체만을 고집하는 것이 의미 없게 되었다.

발생의 일반적인 과정은 먼저 전-후 축, 배-복 축, 좌-우 축 등 기본적인 축 형성이 일어나야 한다. 축 형성은 동물에 따라 수정 전에 결정되는 경우가 있는가 하면, 수정이 일어난 후에 결정되는 것도 있다. 축이 결정되고, 난할이 진행되어 삼배엽 (외배엽, 중배엽, 내배엽)을 형성하고 이들이 낭배 과정을 겪는 동안 적절한 위치로 이동하여 미래에 특정한 구조를 형성할 위치에 자리를 잡는다. 세포들은 분화 과정을 거쳐 근육세포, 신경세포, 피부세포 등으로 변하게 되며, 기관 및 기관계가 형성되어 그 동물의 고유한 패턴 (pattern) 즉 인간은 인간의 모습을 띠고, 초파리는 초파리의 모습을 띠게 된다.

유전자 발현을 보기 위한 방법을 간단히 살펴보고, 초기 발생에 관여하는 유전자의 발현을 살펴보자.

Ⅱ. 유전자 발현의 관찰 방법

(1) 항체를 이용한 유전자 발현 관찰

알수집판을 이용하여 초파리 알 받기 -> 배아를 둘러싸고 있는 난각 제거 -> 고정액에서 고정 -> 난각 안쪽에 있는 난황막 제거 -> 1차 항체 반응 -> 2차 항체 반응 -> 색깔 반응 -> 현미경으로 관찰

(2) X-gal 반응을 이용한 유전자 발현 관찰

알수집판을 이용하여 초파리 알 받기 -> 배아를 둘러싸고 있는 난각 제거 -> 고정액에서 고정 -> X-gal 염색 -> 현미경으로 관찰

(3) In situ 반응을 통한 유전자의 발현 관찰

알수집판을 이용하여 초파리 알 받기 -> 배아를 둘러싸고 있는 난각 제거 -> 고정액에서 고정 -> 난각 안쪽에 있는 난황막 제거 -> 탐침 (cDNA 혹은 antisense RNA) 처리 -> 색깔 반응 -> 현미경 관찰

Ⅲ. 초기 발생에 관여하는 유전자 작용 모식도

다음의 모식도 발생에 관여하는 유전자에 대하여 매우 간단하게 요약하여 작용하는 단계별로 나타낸 것이다. 실제로 유전자의 작용 과정은 매우 복잡하게 진행된다.

Ⅳ. 전-후 축 형성에 관여하는 유전자

① 모계영향 유전자 (Maternal effect genes)에 의한 전-후 축의 형성

초파리에서 전-후 축과 배-복 축에 대한 연구가 매우 활발하게 진행되었다. 두 축은 수정되기 전의 알 속에 이미 축 형성에 대한 물질이 만들어져 있다. 이러한 유전자를 모계영향 유전자 (maternal-effect gene)라고 하며 수정이 일어나기 전에는 주로 mRNA의 형태로 존재한다. 수정이 되면 해독 과정을 통해 만들어진 단백질이 활동하여 유전자의 발현이 단계적으로 일어나도록 조절한다. 대표적인 것으로 앞쪽의 형태형성요소로 작용하는 bicoid 유전자와 뒤쪽의 형태 형성 요소로 작용하는 nanos 유전자가 있다.

<그림> bcd 유전자의 발현. bcd mRNA가 앞쪽에 편재되어 있다.

② 접합자 유전자 (zygotic genes)에 의한 체절의 형성

수정 후 배아의 핵에서 발현되는 유전자를 접합자 유전자 (zygotic gene)이라고 한다. 전-후 축의 형성에 관여하는 접합자 유전자들은 단계적으로 작용하여 먼저 체절을 형성하고, 최종적으로 각 체절이 어떠한 구조로 될 것인가, 즉, 각 체절의 정체성 (identity)를 결정한다.

체절은 세 단계로 만들어진다. 첫째, 원시적인 형태의 넓다란 체절 형성, 둘째, 정확한 수의 체절 형성, 셋째, 각 체절의 구체화 단계로 진행된다. 각각 갭 유전자 (gap genes), 페어 룰 유전자 (pair-rule genes), 체절극성 유전자 (segment polarity genes)의 작용에 의해 체절이 형성된다.

(1) 갭 유전자 (gap gene)

유전자로부터 만들어진 단백질은 체절을 크게 앞부분, 중간 부분, 뒷부분으로 결정한다. 갭 유전자에는 hunchback (hb), Krupple (Kr), knirps (kni), giant (gt) 등이 있다. hb은 두부와 흉부의 일부를, Kr은 흉부의 일부와 복부의 앞부분을을, kni는 복부 후반부를, gt는 hb 발현되는 앞부분과 복부 체절의 뒷부분을 형성하는데 관여한다. 갭 유전자들은 배아의 넓은 지역에 영향을 주므로 이들에서 돌연변이가 생기면 여러 체절이 한꺼번에 없어진다.

<그림> hb 유전자의 발현.

hb mRNA가 앞쪽과 뒤쪽에서 보인다.

(2) 페어 룰 유전자 (pair-rule genes)

수정 후 13번째 핵분열 시 발현되기 시작하는 페어 룰 유전자에 의해 처음으로 체절에 대한 주기성이 형성되어 유전자의 발현 양상이 마치 배아를 체절 단위로 나누는 것처럼 보인다. 이들 각각은 7개의 얼룩 줄무늬 띠 모양으로 발현하지만 다른 패어룰 유전자는 다른 지역에서 7개의 띠를 형성하여 결국 14개의 소단위로 나누어진다. 이를 부체절 (parasegment)이라고 하며, 배아 후기에 가시적으로 나타나는 체절과 일치하지 않는다. 부체절은 배아 발생 중기에 성충에서 나타나는 체절 단위로 바뀌게 되는데 이 때 한 부체절의 뒷부분과 그 다음 부체절의 앞부분이 합쳐져 한 개의 체절 (segment)을 구성한다.

<그림> 페어룰 유전자의 발현.

파란 색깔은 even-skipped (eve) 유전자의 발현이며, 갈색은 fushi tarazu (ftz) 유전자의 발현을 나타낸다.

두 유전자 모두 7개의 띠를 보여준다.

(3) 체절극성 유전자 (segment polarity genes)

이 시기에는 핵들이 막에 의해 둘러싸여 있으므로 이전 단계와는 다른 양상으로 유전자간의 상호 작용이 일어날 수밖에 없다. 즉 이제까지 확산에 의해 다른 유전자의 조절 부위와 결합하여 발현을 조절하는 기작보다는 분비 단백질을 만들어 세포 밖으로 분비하여 옆 세포에 신호를 전달하여 작용하는 시스템이 발달하게 된다. 체절 극성 유전자에 돌연변이가 생기면 복측의 강모띠가 한 체절 내에서 반쪽이 다른 반쪽을 닮는 거울상이 되는 등 체절 형성에 결함을 유발한다. 체절 극성 유전자는 상위 단계의 유전자인 패어 룰 유전자에 의해 발현이 조절되며 부체절 주기성을 더욱 공고히 한다. 체절 극성 유전자는 14 개의 발현 띠를 보여준다.

<그림> wingless (wg) 유전자의 발현 양상.

③ 호메오틱 유전자 (homeotic genes)

체절의 경계면이 결정되고 나면 각 체절이 어떠한 구조로 될 것인가 즉, 정체성 (identity)이 결정되어야 한다.

즉, 각각의 머리, 3개의 다른 가슴 체절, 8개의 다른 복부 체절이 결정되고, 각 체절에 해당하는 구조가 형성되어야 한다.이러한 체절의 정체성을 결정하는 것은 호메오틱 유전자에 의해 일어난다. 따라서 호메오틱 유전자에 돌연변이가 생기면 체절의 구조가 바뀌어 괴물이 생긴다. 즉, 안테나가 다리로 되거나, 한 쌍의 날개가 아니라 두 쌍의 날개를 갖는 초파리가 만들어진다.

<그림> Ubx 유전자의 발현.

부체절(PS6)에서 가장 진하게 발현된다.

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