발생학 길라잡이 7장 조류와 포유류: 초기 발생과 축 형성

조류의 초기 발생 난할 원반형 부분난할: 난황의 양이 많아서 동물극에 지름 2-3 mm 정도의 크기의 배반에서 난할 시작 난할이 진행되면 한 층으로 된 배반엽 형성 배반엽은 계속된 분열로 인해 5-6개의 세포 층으로 됨 배반엽과 난황 사이의 공간: 분할강 - 배반엽 세포가 알부민으로 부터 수분을 흡수하여 액체를 분비하여 형성 이 시기에 배반엽의 중앙에 위치한 심층 세포들은 떨어져나가 죽고 세포 1개의 두께로 된 투명부위(실제 배아 형성부위)가 남음 주변부 배반엽에서는 심층세포들이 떨어져나가지 않은 암역을 이룸 암역과 투명부위 사이에는 주변대(닭이 초기 발생에서 세포 운명결정에 중요) 라고 부르는 얇은 층들이 존재

-암역과 투명부위 사이 분할강 심층세포가 떨어져 나가지 않은 부위 실제 배아 형성부위 심층세포 떨어져나가 죽고 1층만 남음 <그림 7.1 닭 배아의 원반형 부분난할>

조류 배아의 낭배형성 하배엽 닭이 알을 낳을 무렵의 배반엽은 약 20,000개의 세포로 구성 투명부위 대부분: 표면의 상배엽 형성 일 부: 1차 하배엽을 형성 배반엽의 뒤쪽 주변대에서 심층 난황세포에서 유래된 얇은 판으로 된 세포들이 세포층이 표면 아래에서 앞쪽으로 이동 이동중인 세포들의 박판이 1차 하배엽을 앞쪽으로 밀어내어 2차 하배엽 형성 두 층으로 된 배반엽은 서로 암역 주변대에서 합쳐지고 그 사이의 공간 에 포배강이 형성 하배엽은 발생중인 배아에는 기여하지 않고, 외막의 한 부분, 특히 난황 주머니와 그리고 난황덩어리 및 내배엽인 소화관을 연결하는 자루를 형성 상배엽 세포의 이동을 정해주는 화학적 신호를 제공

<1,2차 하배엽의 이동> <전체 배아의 모습> 투명부위로부터 형성 = 1차 하배엽 1차 하배엽층을 형성 = 안배엽 2차 하배엽세포가 앞쪽으로 이동 <그림 7.2 닭 배반엽의 형성>

원조의 형성 원조의 신장 <그림 7.2 닭 배반엽의 형성>

원조: 조류, 파충류, 포유류 낭배 형성의 특징 원조의 형성 켈러낫 위에 있던 상배엽의 정중선에 있던 세포들이 원조형성 개시 예정 원조세포들은 구형이 되면서 이동성을 획득하고 바로 아래의 세포외기질을 분해 세포들은 정중측면에서 서로 교차하면서 수렴확장 세포들이 원조로 모여듦에 따라 원조 내에서 함몰이 일어남: 원조구 형성 원조의 두터워진 앞쪽 끝을 헨센결절(원결절)이라 함 헨센결절은 양서류 원구의 등쪽입술(형성체) 및 어류의 배방패와 기능적으로 동일함

<그림 7.3 원조의 세포 이동과 닭 배아의 운명지도>

<그림 7.2 닭 배반엽의 형성>

원조의 신장 보다 앞쪽의 세포들이 배아의 중앙을 향해 이동함에 따라 원조는 장래의 머리 부위 쪽으로 길어짐 : 세포분열과 수렴확장으로 일어남 2차 하배엽은 배반엽의 뒤쪽 주변대에서 앞쪽으로 계속 이동 : 하배엽이 원조의 이동 지시

- 상배엽의 세포는 원조를 통해 포배강으로 이동하기 시작 내배엽과 중배엽의 형성 - 상배엽의 세포는 원조를 통해 포배강으로 이동하기 시작 <헨센 결절을 통한 세포들의 이동> <그림 7.4 원조를 통한 내배엽과 중배엽의 이동>

내배엽과 중배엽의 형성 헨센결절을 통해 이동하는 최초의 세포들은 앞창자의 인두 내배엽이 됨 내배엽세포는 앞쪽으로 이동하여 하배엽세포를 대체하고 하배엽을 투명 부위의 앞쪽 부위에만 있도록 함: 생식신월환 형성 두 번째로 이동해 들어가는 세포들은 내배엽과 상배엽 사이에서 간충직과 초기척삭판 중배엽을 형성 그 다음 통과하는 세포들은 척삭 중배엽이 됨 그 후 원조의 후퇴가 일어나며 후퇴 중인 헨센결절로 들어오는 세포들은 척삭이 됨

그림 14.15 닭 배아의 생식신월환. (A) 원조기(4기, 18시간째) 배아에서 닭의 Vasa 단백질(자주색)로 염색한 생식세포. 염색된 세포는 생식신월환에만 분포한다. (B) 4기 배아에서 생식신월환 부위의 고배율 사진. 갈색으로 염색된 생식세포는 두꺼워진 상배엽에 위치하고 있다. (From Tsunekawa et al. 2000, courtesy of N. Tsunekawa.)

원조의 형성 개별 세포들은 원조가 형성됨에 따라 정중측면으로 끼어듬 하배엽에서 생성되는 FGF에 의해 켈러낫 옆의 상배엽에서 활성화되는 Wnt 경로는 이와 같은 중앙으로의 세포의 움직임을 일으킴 원조형성직전 원조형성직후 <그림 7.5 원조 형성에서 정중측면 끼어들기>

원조의 퇴화와 외배엽의 외적 투명부위 중심에 근처에 있던 헨센결절이 뒤쪽으로 이동 퇴화중인 원조는 그 흔적으로 척삭이 포함된 배아의 등쪽 축을 남김 외배엽 전구체는 증식을 하여 외적으로 난황을 감싸고자 이동을 함 24시간째-완전한 원조의 확장 25시간째 27시간째 원조의 퇴화 후 형성된 척삭의 길이 28시간째 <그림 7.7 닭 배아에서 후정 후 24-28시간째의 낭배형성>

축 예정화와 조류의 형성체 중력의 역할과 PMZ 배란된 알은 생식관을 통과할 때 껍데기 분비샘에서 약 20시간 동안 회전하여 난황의 위치가 바뀜 중력의 영향으로 가벼운 성분(모계결정자)이 배반엽의 한쪽 면과 겹침 배반엽의 한쪽이 솟구치면서 이 부분이 원조형성 시작 부위: 뒤쪽 주 변대(PMZ) PMZ는 낭배형성을 시작할 뿐만 아니라 주변부의 다른 부위에서 원조가 형성되는 것을 차단 PMZ <그림 7.8 중력에 의한 닭의 앞-뒤 축의 예정화>

Wnt 8c (β-카테닌 유도)와 Vg1이 PMZ에서 생성 PMZ에서 nodal유전자 발현 Lefty 분비되어 추가적인 원조형성 차단 Nodal유전자 의 활성으로 원조형성 시작

켈러낫의 앞쪽 부위에 있는 상배엽과 중간층 세포: 헨센 결절 켈러낫의 뒤쪽 부위: 원조의 뒤쪽 구성 닭 ‘형성체’ 켈러낫의 앞쪽 부위에 있는 상배엽과 중간층 세포: 헨센 결절 켈러낫의 뒤쪽 부위: 원조의 뒤쪽 구성 헨센결절 원조뒤쪽부위 <그림 7.9 켈러낫에서의 헨센결절의 형성>

조류의 헨센결절은 양서류의 등쪽 원구입술에 해당 이유: (1) 초기 척삭판과 척삭 중배엽이 됨 이유: (1) 초기 척삭판과 척삭 중배엽이 됨 (2) 낭배의 다른 장소에 이식할 경우 - 제2배아 축 유도, 형태화 (3) 양서류의 형성체와 경골어류의 배방패와 동일한 표지 유전자 발현 헨센결절은 어류, 양서류 및 포유류 배아에 이식하면 신경조직을 유도 <그림 7.10 헨센결절의 이식에 의한 새로운 배아의 유도>

헨센결절과 그 유도된 세포들은 (양서류의 형성체처럼 작용하여) BMP 길항제(코르딘, 노긴, nodal) 분비: BMP신호를 방해하여 외배엽과 중배엽을 등쪽화 시킴 (하지만, BMP의 억제만으로 신경유도가 되지는 않음-FGF 필요) BMP 억제된 부위 <그림 7.11 BMP 신호전달 억제로 인한 닭의 신경유도>

FGF: 상배엽에서 신경세포의 표현형을 만드는데 필요(자세한 기작 모름) BMP신호를 차단하고 신경이 되게 하는 외배엽의 유전자를 활성화 시킴 (초기 신경유전자) 케르베루스에 의해 기능 차단 Fgf8에의해 Ch. 추가로 활성 케르베루스가 밀려가면서 nodal의 활성 시작 – nodal + Fgf8 → Tbx6활성: 중배엽예정하고, 원조를 통해 중배엽세포의 이입을 개시 Ch. 는 Sip1을 추가로 활성하고, Sip1은 Tbx6를 차단하여 원조로의 추가적인 이입을 차단 하배엽이 안배엽으로 교체되기 시작 남아있는 상배엽 세포는헨센결절에서 나오는 신경유도인자에 민감해 짐 <그림 7.12 FGF가 중배엽과 신경과 형성을 조절하는 모델>

포유류의 초기 발생 난할 포유류 난할의 특성 포유류의 난자는 난구세포에 둘러 싸인 채로 수란 관으로 배란 <그림 7.15 사람 배아의 수정에서 착상까지의 발생> 수란관의 팽대부에서 정자와 만나 수정이 이루어 짐 수정 후, 감수분열을 끝내고 난할을 시작 함 난할은 수란관의 섬모가 배아를 자궁으로 밀어내는 동안 계속 일어남

① 느린 분열 속도(한번 분열하는데 12-24시간 정도 소요) ② 할구간의 독특한 분열 방향: 회전 난할 포유류 난할의 특성 ① 느린 분열 속도(한번 분열하는데 12-24시간 정도 소요) ② 할구간의 독특한 분열 방향: 회전 난할 ③ 초기 분열의 불일치성: 홀수 세포기가 존재 함 ④ 포유류의 유전체는 분열 초기에 활성화(4-, 8- 세포기 사이) <그림 7.16 극피동물 및 양서류(A)의 방사형 난할과 포유류(B)의 회전형 난할 비교>

8세포기 배아는 바깥쪽 세포들 사이의 밀착결합(E-카드히린)이 일어나며, 할구들 사이에서는 간극결합이 형성: 세포 통로 형성 밀착화 8세포기 배아는 바깥쪽 세포들 사이의 밀착결합(E-카드히린)이 일어나며, 할구들 사이에서는 간극결합이 형성: 세포 통로 형성 16세포기는 상실배가 되며, 내부의 세포는 배아가 되는 안쪽 세포 덩어리 를 이루고, 외부의 세포는 융모막을 형성하는 영양막이 됨 - 영양막의 형성의 포유류 발생에서 첫 번째 분화 2-세포기 4-세포기 초기 8-세포기 밀착화 8-세포기 16-세포기(상실배) 포배 <그림 7.17 생쥐 배아의 체외 난할>

ICM (Inner Cell Mass) 포유류 배아는 수정란에 비대칭적으로 분포하는 어떠한 단백질이나 다른 세포 내 구성성분을 갖고 있지 않고 그리고 미리 결정된 어떤 극성도 없음 ICM의 세포들이 배아와 이에 연결된 양막, 난황주머니, 요막으로 발달 ICM은 영양막세포의 분열을 촉진하는 Fgf4와 같은 단백질을 분비 ICM의 세포는 몸의 모든 세포로 발생할 수 있지만 영양막을 형성할 수는 없음 포배강의 형성 영양막세포가 중앙 공간으로 나트륨 이온을 보냄 나트륨이온에 의해 삼투압이 상승하여 물이 끌려 들어옴 포배강이 점점 확장 됨 자궁으로 배아의 이동 중에 수란관 세포가 나트 륨 펌프의 활성을 자극

배아가 자궁에 도달하면 투명대에서 부화 해야 함: 투명대는 포배가 수란관 벽에 붙지 못하도록 함 투명대에서의 탈출 배아가 자궁에 도달하면 투명대에서 부화 해야 함: 투명대는 포배가 수란관 벽에 붙지 못하도록 함 배아는 영양막에서 트립신 계열의 단백질 분해효소를 분비하여 투명대에 구멍을 뚫어 빠져 나오게 됨 <그림 7.20 포유류 포배의 부화와 자궁에 착상>

착상 ① 자궁 내막은 복합당, 콜라겐, 라미닌, 피브로넥틴, 히알루론산 및 황화 헤파린 수용체로 구성된 세포외기질에 포배를 붙잡음 ② 영양막세포의 L-실렉틴과 자궁세포의 황화다당류 간에 결합이 일어남 ③ 영양막에서 쭛 단백질의 작용으로 일련의 단백질 분해효소가 분비됨 ④ 효소가 자궁 조직의 세포외기질을 분해하여 자궁벽에 포배가 파묻히도 록 함

태반의 배아 조직인 융모막은 모계 부분인 탈락막의 형성을 유도하며, 모체 내에서 배아의 발생 포유류 배아는 모체로부터 직접 영양소를 얻음 태반의 배아 조직인 융모막은 모계 부분인 탈락막의 형성을 유도하며, 혈관이 풍부하게 분포하고 있어서 배아에게 산소와 영양소를 제공하는 역할을 함 (배아로 발생) 두겹배아판 (양막강 형성) <그림 7.21 사람과 붉은털원숭이 배아에서 배아조직의 발생과정을 보여주는 모식도>

양막강에 양수가 채워짐 ① 배아로의 충격 흡수 ② 배아의 건조 막아줌 상배엽 예정세포와 하배엽 예정 세포(붉은색)의 모자이크 배열 양막강에 양수가 채워짐 ① 배아로의 충격 흡수 ② 배아의 건조 막아줌 상배엽이 분층 (하배엽에서 형성) (상배엽에서 형성) <그림 7.22 초기 포유류 배아의 조직 형성>

낭배형성은 배아의 뒤쪽에서 시작하며, 이 부위에서 결절이 형성 중배엽과 내배엽은 원조를 통해서 이동: 포유류 상배엽의 이동중인 세포는 E-카드히린을 상실하고 이웃한 세포들과 떨어져 있음 (조류와 달리) 생쥐의 척삭을 형성할 세포들은 초기소화관의 내배엽에 통합 되어 있는 것으로 추정 이입 세포들이 하배엽 대치 이입 세포들이 중배엽 형성 <그림 7.23 사람의 낭배형성과정에서 양막의 구조와 세포 이동>

세포영양막 ① 자궁 내막에 부착된 후, 단백질 분해 효소 분비하여 자궁 배외막의 형성 세포영양막 ① 자궁 내막에 부착된 후, 단백질 분해 효소 분비하여 자궁 벽을 뚫고 들어감 ② 국소분비인자를 분비하여 모계혈관을 끌어 당김 다핵영양막조직은 자궁벽을 분해하여 배아가 자궁벽 속으로 깊게 들어 가도록 함 배외중배엽은 ① 배아와 영양막 조직을 연결하는 탯줄 형성 ② 영양막 조직화 중배엽으로 된 혈관에 의해 구성된 발생이 끝난 배외기관을 융모 막이라 함(자궁벽과 합쳐져서 태반을 구성) <그림 7.24>

<그림 7.25 사람에서 배외막과 관련하여 일란성 쌍둥이의 형성 시기를 모여주는 모식도>

포유류 축의 형성 앞-뒤 축: 2개의 신호중심 ① 앞쪽 내장내배엽(AVE) - 닭의 하배엽에 해당하고 양서류 형성체의 머리부위와 비슷함 - Nodal(뒤쪽화) 와 Wnt(뒤쪽화) 단백질의 활성을 억제함으로써 앞쪽 예정화를 촉진 함 ② 결절 - 배아 몸의 모든 부위의 생성에 관여 - 결절은 코르딘을 분비하고, 나중에 머리돌기와 척삭이 노긴을 분비: BMP 길항제

배아 영역(ICM)과 비배아 영역(ICM 반대쪽)의 축에 의해 결정 거의 알려진 바 없음 등-배 축 배아 영역(ICM)과 비배아 영역(ICM 반대쪽)의 축에 의해 결정 거의 알려진 바 없음 좌-우 축 <그림 7.34 발생중인 사람의 좌-우 비대칭>

결절에 존재하는 섬모세포는 액체를 오른쪽에서 왼쪽으로 흐르게 함 이 흐름은 결절 소낭꾸러미를 왼쪽으로 이동 시킴 소낭은 FGF의 신호하에 결절세포에서 분비되며, sonic hedgehog 단백질과 레티노산을 가짐 왼쪽으로 소낭이 운반되면, 왼쪽 면에서 칼슘 이온의 증가가 나타남 자세한 기작은 모름 <그림 7.35 포유류 기관의 위치 설정>

<그림 7.36 척추동물 4강(class)의 초기 발생>