발생학문제(세포 간 상호작용에 의한 운명 결정)

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세포간 상호작용에 의한 점진적 운명 결정

 

II. 다음 질문에 대하여 가장 적절한 답을 하나만 선택하시오.

 

1. 다음은 Xenopus 초기 발생에서 밝혀진 신호에 대한 설명으로 틀린 것은?

요소 단백질 계열 효과(기능)

① Vg-1 TGF-β계열 중배엽유도

② activin TGF-β계열 중배엽유도

③ BMP TGF-β계열 중배엽의 복측화

④ Xwnt-8 TGF-β계열 중배엽의 복측화

⑤ FGF FGF계열 복측 중배엽 유도

 

답1) ④ Xwnt-8 요소는 Wnt계의 단백질이며 중배엽의 복측화 기능을 가지고 있다

 

2. 세포간 상호작용에 의한 점진적 운명결정에 대한 설명으로 틀린 것은?

① 외배엽이 될 동물캡 세포와 내배엽이 될 식물세포를 밀착시켜 배양하면 동물캡에서 중배엽이 유도된다.

② 슈페만 형성체에서 분비되는 신호는 BMP-4와 Xwnt-8의 기능을 억제한다.

③ 슈페만 형성체에서 나오는 goosecoid는 noggin과 같이 억제작용을 통해 복측 중배엽을 유도한다.

④ Activin은 농도구배에 의해 중배엽특이 유전자를 발현시킨다.

⑤ noggin이 BMP-4의 발현을 억제시키는 현상은 신경관 유도과정에서도 나타난다.

 

답2) ③ goosecoid는 배측 형성에 관련된 유전자들을 활성화시켜 배측 중배엽을 유도한다.

 

3. 다음 설명 중 중배엽 유도 신호에 대한 설명으로 옳은 것은?

① 복측 내배엽으로부터 오는 제1신호는 복측 중배엽을 유도한다.

② 배측 내배엽인 뉴크프 센터로부터 오는 제 2신호는 배측 중배엽인 슈페만 형성체를 유도한다.

③ 복측 중배엽 예정지역에서는 제3신호가 나와 복측 특성을 나타낸다.

④ 슈페만 형성체에서 나오는 제4신호는 제3신호의 작용을 억제하여 중배엽을 배측화시킨다.

⑤ 위의 네가지가 모두 옳다.

 

답3) ⑤

 

4. 다음 중 xenopus의 발생에서 밝혀진 신호 중 틀린 것은?

① 노긴 (noggin) 은 슈페만 형성체에서 발현된다.

② vg-1은 중배엽을 유도하고, 자외선 조사로 복측화된 배아를 정상화시킨다.

③ BMP는 중배엽의 복측화 기능을 한다.

④ BMP-4의 작용을 억제세키면 복측 세포들이 척삭과 근육으로 분화를 일으키게 되며 배는 복측화된다.

⑤ 프리즈비는 Xwnt-8과 결합하여 그 기능을 억제한다.

 

답4) ④ 배는 배측화된다.

 

5. 내배엽에 의한 중배엽 유도에 대한 설명으로 틀린 것은?

① 동물캡과 식물반구를 밀착시켜 배양하면 동물 캡에서 중배엽성 조직이 유도된다

② 동물반구의 중배엽으로의 유도는 식물반구의 물질에 의해서이다

③ 고농도의 Vg-1은 배측중배엽을 유도한다

④ BMP-4는 제4신호로 제3신호의 작용을 억제하여 중배엽을 배측화한다

⑤ Xenopus의 경우 4가지의 다른 신호가 중배엽유도와 초기 구획화에 관여한다

 

답5) ④ BMP-4는 제3신호로, 복측 중배엽 예정지역에서 나와 복측 특성을 나타내도록 한다. 제4신호는 noggin으로 동물캡을 중배엽으로 유도시키는 능력은 없지만, BMP-4를 억제하여 복측 예정지역을 배측화(dorsalizing)시킨다.

 

6. 다음 중배엽의 유도에 관한 설명으로 옳은 것은?

① 복측 식물반구는 동물 캡 세포를 척색과 근육으로 유도한다.

② 제 3신호는 형성체에서 나오는 신호로 복측 신호의 작용을 변형시킨다.

③ 고농도의 Vg-1은 복측 중배엽을 유도한다.

④ noggin은 중배엽의 배측화 기능을 한다.

⑤ Brachyury는 중배엽 특성을 나타내도록 하는 유전자로 과 발현 시 배측 중배엽 형성을 유도한다.

 

답6) ④ 배측 식물반구는 동물 캡 세포를 척색과 근육으로 유도하며 제 4신호가 형성체에서 나오는 신호로 복측 신호의 작용을 변형시킨다. 제 3신호는 복측 중배엽 예정지역으로부터 나오는 것으로 배측으로부터 오는 신호와 작용하여 그들의 영향을 제한한다. 고농도의 Vg-1은 배측 중배엽을 유도하고 Brachyury는 과 발현 시 복측 중배엽 형성을 유도한다.

 

7. 다음 중 세포간 상호작용에 의한 점진적 운명결정에 대해 옳은 설명은?

ⓛ Xenopus의 32할구기에 C3 세포만 염색하여 미아기에 운명을 추적하면 내배엽을 형성하고 있음을 알 수 있다

② 성숙한 Vg1의 낮은 농도에서 등쪽이 형성되었다.

③ 중배엽 유도는 식물반구로부터 오는 두 종류의 신호에 의해 시작되는데, 1신호는 배측의 중배엽을 유도한다.

④ 신경관 유도의 핵심 저해 물질은 Krox-20으로 알려져 있다.

⑤ 낭배 초기에는 표피와 신경 외배엽으로 될 운명이 아직 결정되지 않은 상태이다.

 

답7) ⑤ Xenopus의 32할구기에 C3세포만 염색하여 미아기에 운명을 추적하면 중배엽을 형성하고 있음을 알 수 있다, 성숙한 Vg1의 농도를 증가시키면 등쪽이 형성된다, 1신호는 복측 특성의 중배엽을 유도한다, 신경관 유도의 핵심 저해 물질은 BMP-4이다.

 

8. 중배엽 유도에 관한 다음 설명 중 잘못된 것은?

① 중배엽의 유도는 발생기간 중의 일정한 특정 시기에만 일어난다.

② 슈페만 형성체에서 발현되는 노긴(noggin)은 제 4신호로 작용하여 중배엽을 유도한다.

③ 중배엽 예정지역을 복측화 시키는 제3신호인 BMP-4는 중배엽 패턴화 유전자로 후기 포배 전지역에서 발현된다.

④ 중배엽 유도는 적어도 식물반구로부터 오는 두 종류의 신호에 의하여 시작된다.

⑤ 중배엽 유도의 제3신호는 복측 중배엽 예정지역에서 나오는 것이며 배측으로부터 오는 신호와 작용하여 그들의 영향을 제한한다.

 

답9) ② 노긴(noggin)은 동물 캡을 중배엽으로 유도시키는 능력은 없으며 복측 중배엽 예정지역으로 변화시키는 것으로 보아 제4신호일 가능성이 있다.

 

10. 다음은 중배엽 유도에 관한 설명으로 옳은 것은?

① 액티빈의 농도가 높을수록 외배엽성인 상피조직이 형성된다.

② 배-복 축의 특성화는 중배엽세포들이 축에서의 위치값을 획득하는데 기반이 되며, 그 결과 앞쪽이 결정된다.

③ 신경계는 중배엽으로부터 오는 신호와 외배엽으로부터 오는 신호에 의해 형성된다.

④ 중배엽의 특성을 나타내도록 하는 반응 유전자는 Hox 유전자이다.

⑤ 신경조직 유도물질인 BMP-4에 의해 신경조직이 직접적으로 유도된다.

 

답10) ③

 

11. 다음의 각 유전자가 발현되는 장소와 기능의 연결이 잘못된 것은?

① Brachyury : 초기 외배엽 : 신경계 형성

② Xwnt-11 : 식물반구 : 중배엽유도

③ BMP-4 : 낭배세포 : 중배엽의 복측화

④ Vg-1 : 식물반구 : 중배엽유도

⑤ noggin : 중배엽 형성체 : 중배엽의 배측화

 

답11) ① Brachyury는 초기 중배엽에서 특이적으로 발현되며, 신경계는 BMP-4의 억제에 의해 형성된다.

 

12. 중배엽 조직인 체절에 관한 설명으로 틀린 것은?

① 낭배운동 후에 척삭의 양쪽에서 앞에서부터 순차적으로 분획이 일어난다.

② 체절을 구성하는 세포는 체절 내에서의 위치에 따라 척추 몸통과 사지의 근육 및 진피로 발달된다.

③ 체절의 배-복 축에 따른 구획화된다.

④ 체절의 지역적 특성은 중배엽 내 Hox 유전자에 의해 지배된다.

⑤ 구획화는 척삭, 신경관 및 외배엽으로부터 오는 신호에 따라 결정된다.

 

답12) ③ 체절의 전-후 축 구획화 이다.

 

13. 다음 설명 중 틀린 것은?

① 미래의 표피 부위와 미래의 신경외배엽을 낭배 초기에 교환하여 실험한 결과 신경관과 표피의 운명은 낭배 초기와 말기 사이에 결정됨을 알 수 있다.

② BMP-4는 신경관 유도의 핵심 저해물질로 유도가 일어나기 위하여 외배엽 조직이 BMP-4의 억제 작용으로 푸려나는 것이 필수 조건이다.

③ 이원적 신호모델 가설에 의하면, 중배엽에서 유래하는 1차 신호에 따라 전위부 특성을 지닌 신경조직이 1차적으로 유도되고, 뒤이어 후방에서 전방으로 구배를 이루고 있는 2차 신호에 의해 신경조직은 점차 후위부 특성을 획득하게 된다.

④ FGF, Wnt, 레티놀산 등은 1차 신호의 유력한 후보로 간주되고 있으며, 노긴과 코딘 등이 2차 신호의 후보로 믿어지고 있다.

⑤ 낭배운동이 일어나는 동안 배의 정중선을 따라 위치한 외배엽이 신경판이 되며, 신경습, 신경구, 신경관 순서로 형성된다.

 

답13) ④

 

14. Xenopus의 포배를 동물 캡, 중간대, 식물반구로 분리하여 배양한 결과 각각 외배엽, 중배엽, 내배엽을 형성하였다. 그런데 동물극과 식물반구를 밀착시켜 3일 간 배양하면 식물극 세포는 예정대로 내배엽성 조직으로 발달하지만, 동물극 세포로부터는 본래의 외배엽성 조직은 물론 중배엽성 조직도 대부분 형성된다. 이 실험을 통해 알 수 있는 것이 아닌 것은?

① 포배기 때 동물 캡, 중간대, 식물 반구는 이미 운명이 결정되어 있다.

② 중배엽성 조직은 동물 캡에서 유도된다.

③ 동물 캡 자체 내에 중배엽성 조직으로의 유도 신호를 가지고 있다.

④ 동물 캡에서 중배엽성 조직이 유도되기 위해서는 식물반구의 유도신호가 필요하다.

⑤ 중배엽은 외부의 어떠한 유도신호에 의해서도 유도된다.

 

답14) ③

 

III. 다음 질문에 대하여 구체적으로 답하시오.

 

1. 세포의 유도작용에 대해 설명하시오.

답1) 세포의 분화는 크게 두가리 메카니즘에 의하여 결정된다. 첫째는 난자에 포함되어있는 특수한 세포질 요소, 즉 형태형성 요소에 의한 것으로 생식세포 결정소와, 축결정요소 들이 이에 속한다. 두 번째는 한 세포군이 다른 세포군에 영향을 미쳐 점진적으로 분화의 방향을 결정하는 것인데 이를 유도작용이라고 한다.

 

2. 중배엽 유도의 4신호 모델을 설명하라.

답2) 먼저 복측 내배엽에서 낮은 농도의 Vg-1에의한 제1신호가 위로 확산되며 신호를 전달하여 복측 중배엽을 형성한다. 이와 동시에 배측 내배엽인 뉴쿠프 센터로부터 높은 농도의 Vg-1에의한 제2신호가 위로 확산되어 배측 중배엽을 형성한다. 복측 중배엽 예정지역에서는 전체에 퍼져 발현되던 BMP-4에의해 제3신호가 나와 복측 특성을 유도하며 배측 중배엽 지역에서 나오는 noggin이 배측 중배엽 일대의 BMP-4의 발현을 억제하여 배측화를 유도한다. noggin은 가운데로 더 확산되어 중간지역 BMP-4를 억제하면서 intermediate 중간대를 형성한다.

 

3. 중간대 세포가 식물극으로부터 오는 신호에 의해 중배엽으로 유도된다는 것을 나타내는 증거는 무엇인가?

답3) 뉴쿠프는 Xenpus의 포배를 동물캡, 중간대, 식물반구로 분리하여 배양한 결과 각각 외배엽, 중배엽, 내배엽을 형성함을 보고 운명예정 지역도와 잘 일치됨을 관찰하였다. 그러나 동물극과 식물극을 밀착시켜 3일간 배양하면 식물극 세포는 예정대로 내배엽성 조직으로 발달하지만 동물극 세포로부터는 본래의 외배엽성 조직은 물론 중배엽성 조직도 대부분 형성되었다.

중배엽의 형성여부는 3일간의 밀착 배양 후 조직검사를 통하여 알 수 있는데 이때 형성되는 중배엽조직으로 근육, 척삭, 혈액과 같은 것을 들 수 있는데 중배엽성 형성은 조직 검사 외에도 근특이 단백질인 액틴과 같은 중배엽에서만 발현되는 특수 단백질이 합성되는 것을 항체를 이용하여 증명할 수 있다. 이 결과는 동물반구의 운명이 중배엽으로 변하게 된 이유가 식물반구의 영향 때문이라는 점을 분명히 나타낸다. 따라서 포배의 중간대는 바로 아래에 위치한 식물반구로부터 오는 영향, 즉 유도작용에 의하여 중배엽으로 운명이 결정된다. 그러나 식물반구로부터 멀리 떨어진 동물극은 유도작용을 받지 못하여 본래의 운명인 외배엽으로 결정된다.

 

4. 신경계 유도의 이원적 신호 모델(two-signal model)에 대해서 설명하시오.

답4) 이원적 신호 모델에 따르면 먼저 중배엽에서 유래하는 1차 신호에 따라 전위부 특성을 지닌 신경조직이 1차적으로 유도되고, 뒤이어 후방에서 전방으로 구배를 이루고 있는 2차 신호에 의해 신경조직은 점차 후위부 특성을 획득하게 된다. 1차 신호의 유력한 후보로는 노긴(noggin)과 코딘(chordin)등이 있고 2차 신호의 후보로는 FGF, Wnt, 레티놀산 등이 있다.

 

5. 중배엽 구획화에 관련된 유전자인 Brachyury에 대하여 설명하시오.

답5) 중배엽의 특성을 나타내도록 하는 초기 반응 유전자로 전사인자를 암호화하고 있다. Brachyury는 처음 중배엽 예정부위의 전 지역에서 발현되지만 뒤에 척삭과 후방 중배엽에만 국부적으로 발현된다. Brachyury 유전자의 지속적인 발현은 FGF의 발현에 의존하는 한편 Brachyury는 FGF의 발현을 촉진한다. Brachyury는 과발현 시 복측 중배엽을 형성을 유도하며, 이러한 결과는 Brachyury가 중배엽의 배-복측 구획화에도 깊이 연관되어 있음을 시사한다. Brachyury 발현을 확인하여 중배엽의 존재를 확인할 수 있다.

 

 

6. 신경과 유도 기작에 대해 설명하시오.

답6) 척추동물의 신경계통은 낭배운동의 결과 신경판 하부로 이동하여 온 중배엽의 유도작용으로 형성된다. 신경판 형성에는 noggin과 같은 유도물질이 밝혀졌으나 실제로 유도작용은 BMP-4 작용의 억제로 일어난다. 신경관 유도의 핵심저해 물질은 BMP-4로 알려졌으며, 유도가 일어나기 위하여 외배엽 조직이 BMP-4의 억제작용으로부터 풀려나는 것이 필수조건으로 판명되었다. BMP-4의 신호전달체계를 저해하는 물질 중 하나는 noggin 유전자에 의해 암호화되어 있다. noggin은 형성체 부위에서 발현되는 유전자로서 중배엽의 극성이 배축 특성을 띄도록 하며, 신경조직 유도인자로도 작용한다. 또 형성체 부위에서 발현되는 chordin도 BMP-4와 결합하여 그 기능을 무력화시켜 신경조직을 유도한다.

신경관의 전-후 축에 따른 지역적 특성화는 2중 신호 모델로 설명되는데, 제1신호는 외배엽을 전방 신경조직으로, 구배를 이룬 제2신호는 보다 후방조직으로 변형시킨다. 신경관의 형성 후 후뇌는 후뇌절로 분획되는데, 지역에 따른 후뇌절과 신경제세포의 특성화는 Hox 유전자의 발현에 의하여 일어난다.

 

7. 세포분화는 어느 시기까지는 외형적인 변화는 없지만 이미 세포질은 다른 생화학적인 운명을 갖게 되는데, 이러한 상태를 구속이라 한다. 이 구속은 특성화와 운명결정으로 나뉘어진다. 이 둘의 차이점에 대하여 간략히 설명하여라.

답7) 특성화는 세포운명 지도와 같이 자율적으로 분화 할 수 있는 능력을 가진 상태이지만 배의 다른 부분으로부터 신호를 받게 되면 운명이 바뀔 수 있는 것이다. 즉, 신경세포를 표피에 이식시켰을 때 이 세포가 표피 세포화 하여 표피의 일부로 변할 수 있는 상태이다.

반면 운명결정은 세포의 운명이 결정되면 배의 다른 지역에 세포를 옮겨놓아도 주변의 영향에 관계없이 자신의 운명대로 분화할 수 있는 능력이다. 위의 예에서 표피에 이식시킨 신경세포가 그대로 신경세포 그대로 발현되는 경우이다.

 

8. 액티빈의 농도에 따라 초기 Xenopus 동물캡의 반응은 어떠한가?

답8) 액티빈의 농도에 따라 동물 캡 세포로부터 특수한 유전자가 활설화 된다. 낮은 농도에서는 외배엽성인 상피조직이 형성되고 중간 농도에서는 중배엽 특이 유전자인 Brachyury와 액틴 유전자가 고농도에서는 형성체 특이 유전자인 gosecoid가 발현된다.

 

9. 척추동물의 Hox 유전자에 대해 설명하라.

답9) Hox 유전자는 척추동물의 전-후 축의 특성화에 관련하는 유전자로서 초파리의 호메오박스 유전자 복합체에 대응하는 것으로 초파리와 염색체상의 위치와 시간적, 공간적 발현이 서로 일치한다. 척추동물의 Hox 유전자는 4개의 복합체가 존재하고, 그 발현양상은 체절과 신경관이 형성된 후의 중배엽과 신경관에서 잘 관찰된다. Hox 유전자 발현양상 중 가장 특징적인 것은 최전방 부위의 경계선이 뚜렷하다는 점이다. 그러나 후방부의 경계선은 뚜렷하지 않다. 이와 같이 전방과 후방 지역에서의 Hox 유전자 발현양상의 차이 때문에 전-후 축의 위치에 따라 조직의 특성화가 결정된다. 또 어떤 지역 내에서 Hox 유전자가 발현되더라도 모든 세포에서 발현이 일어나는 것은 아니다. 이런 Hox유전자의 발현과 지역간의 일치는 다른 해부학적 경계선에서도 잘 보전되어 있다. Hox 유전자 발현의 일반적 원리는 보다 후방부위에서 발현되는 Hox 유전자가 전방부위에서 발현되는 Hox 유전자의 작용을 억제하는 후방강세(posterior dominance)또는 후방우위현상(posterior prevalence)이다. 따라서, Hox 유전자 발현에 변화가 일어날 경우 이 유전자가 발현되는 최전방 지역에 영향을 미치지만 후방지역에서는 영향이 나타나지 않는다. Hox 유전자 기능의 억제는 호메오틱변형(homeotic transformation)을 유발하기도 한다. Hox 유전자의 발현은 비타민 A유사체인 레티놀산(RA)이 지역적 신호로 작용하는 것으로 보인다. 그리고 Hox 유전자는 신경관 구획 시 후뇌절과 이로부터 유래하는 신경제 세포의 위치 특성과 밀접한 관련을 맺고 있는 것으로 보이는 유전자이다.

조상환

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