The Cell Cycle 생물학개론 9주차 강의

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1 The Cell Cycle 생물학개론 9주차 강의
세포주기 The Cell Cycle 생물학개론 9주차 강의 It is difficult to come up with a single definition of life.

2 세포주기 Cell Cycle 세포주기 Cell Cycle 세포주기 조절 Control of the Cell Cycle
간기 (Interphase) 체세포 분열 (mitosis) 세포질 분열 (cytokinesis) 세포주기 조절 Control of the Cell Cycle 검문지점 (Checkpoints), 텔로미어 (Telomeres) 세포분열 신호, 줄기세포 (Stem cells) 세포죽음 Cell death 예정세포사 (Apotosis) 암세포와 정상세포 (Cancer and Normal Cells)

3 생명의 유지 예정세포사와 세포분열 사이의 균형을 유지하는 것이 중요 세포 분열 : 생명체의 성장, 유지 및 보수에 필수
예정세포사 : 손상된 세포의 제거, 생리 등에 필수 암(Cancer) : 예정세포사와 세포 분열 사이의 균형이 깨어졌을 때 일어나는 질병

4 세포 분열의 종류 Eukaryotic cells divide by mitosis or meiosis
단세포 생물 – 이분법 (binary fission) 자기와 같은 개체를 만들어 자손을 이어가는것 체세포 분열 역시 단세포 동물의 개념으로 본다면 자신과 같은 개체를 만들어 가는것. 저는 유전을 공부하는 사람인데 유전적인 관점에서 보면 자신이 가진 유전정보를 다음세대로 전달하고 싶어하는것. 우리는 자식을 가지고 싶어하고 자식을 본인의 목숨보다 더 소중이 여기게 되는데 이러한 마음들은 어디서 오는걸까요? 유전자에의해 지배된다는 생각. 유전자는 다음세대로 유전자를 잘 전달하기 위해서 인간의 뇌를 발달 시켜왔다고 생각되어 집니다. 즉 살아남기 위해 많은 기능을 익히게 된것. 그래서 이제는 뇌가 유전자를 파괴할 수 있는 수준이 되어 왔지요. 예를 들어 자살도 그 한 예라고 생각되고 또 자손을 가지지 않는것도 그 한 예라 생각됩니다. 하지만 우리는 여전히 착각을 하고 살고 있는걸지도 모릅니다. 우리의 뇌가 유전자를 지배하고 있다고… 단세포에서는 세포 분열자체가 번식이 된다. 하지만 다세포에서의 세포분열은 조직의 생장과 회복에 보자 중요한 역할. 이 6장에서는 체세포분열에 대해, 그리고 다음장이 7장에서는 생식이 가능하도록 생식세포를 만드는 과정인 감수분열에 대해 알아본다

5 세포분열 주기 간기(Interphase)와 분열기로 나눔 간기(interphase) 분열기(Mitosis)
G1기 growth : 세포 소기관의 복제, 세포의 성장 G0기 : 무활동 시기 S기 synthesis: DNA의 합성 G2기 growth : 세포의 성장, 염색체의 분리 준비 분열기(Mitosis) 핵분열 karyokinesis 세포질 분열 cytokinesis

6 G1기 G1기: 세포 생활의 결정 시점 세포 분열을 할 것인가? 손상된 DNA를 치유하기 위해 멈출 것인가?
무활동 단계로 들어갈 것인가? 죽을 것인가? 가장 중요한 결정을 내려야 하는 시기이나 G1기 에 소요되는 시간이 특별히 길지는 않음 분열을 할 것이라면 분열을 준비

7 G0기 무활동 시기 DNA복제도 없고 분열도 하지 않으면서 분화된 상태에 서의 특징만 유지  활발하게 분열을 하지 않는 대부분 의 체세포들이 여기에 멈춰있음. 복제양 돌리의 클론을 만들 수 있었던 이유 S기 : 세포가 유전적 물질을 복제하는 작업 분열 직전에 유전자를 2배로 늘리는 과정 총 8-10시간 정도 걸림

8 G2기 많은 단백질 합성. 특히 미세소관(microtubule)을 형성하는 단백질인 튜불린(tubulin)이 풍부하게 합성.
막을 이룰 물질은 세포막 밑에 작은 낭에 저장  세포 분열 후 두개의 세포를 감쌀 수 있을 만큼의 양이 필요 염색체의 응축 시작

9 세포분열 주기 일반적인 세포분열의 경우: 간기가 길고 분열기는 짧다 수정란이 발생하는 도중: 간기에서 G1기와 G2기가 사라짐
초기 : 세포의 성장없이 분열만 계속되어 세포수만 증가 (M  S  M  S) 후기 : G1과 G2가 들어가 세포의 성장이 진행됨

10 염색체 응축 인간 세포의 크기 ~ 100 micron 그 안에 들어가는 DNA의 길이 ~ 2 미터
간기에선 DNA들이 풀려서 존재함  따라서 DNA 복제라던가 단백질 합성등이 가능 하지만 세포분열기에선 DNA가 세포의 다른 소기관들을 방해하지 않고 나뉘어야 함  DNA를 염색체로 응축 DNA를 단백질 주위로 둘러싸서 응축시킴

11 중심체 centrosome 방추사 형성의 중심 한쌍의 중심소체 (centriole)로 이루어짐
세포분열에 들어가기 전에 중심체는 2개로 복제 (총 4 개의 중심소체) 세포분열을 끝마친 시점에서 중심체는 1개 동물세포만이 가지는 구조 그렇다면 식물세포는 방추사를 만들지 않는가?  No 중심체에서 뻗어나온 미세소관들이 서로를 밀며 점점 양극으로 이동 염색체의 동원체 위에 있는 단백질 복합체인 방추사 부 착점 (kinetochore)에 부착됨

12 체세포분열 체세포 분열은 전기, 전중기, 중기, 후기, 말기, 세포질 분열로 구분 DNA가 평소에는 실모양으로 퍼져서 존재
전기(prophase): 복제된 DNA가 응축됨 (왜? 세포 안에서의 이동이 용이하게) 중심체에서 미세소관이 형성되어 세포의 양극으로 이동

13 분열기 전중기 (prometaphase): 중기 (metaphase): 후기(anaphase): 말기(telophase):
핵막 사라짐 방추사가 방추사 부착점에 달라붙음 중기 (metaphase): 염색체가 중앙에서 정렬 후기(anaphase): 미세소관이 수축되며 복제되어 있던 염색체가 분리,양극으로 움직임 세포의 길이가 길어짐 미세필라멘트가 미세소관과 직각을 이루며 세포 중앙에 배열 말기(telophase): 새로 형성된 딸핵 주위로 핵막 다시 생겨남 염색체의 응축이 풀림 세포질 분열 일어남

14 식물세포 분열 식물세포분열의 특징 : 세포벽을 만들어야 함 격막형성체 (Phragmoplast) :
세포 중앙에 세포판을 만들고 세포벽 구조물질 이 든 소낭을 포착하여 세포벽을 형성 일부 조류, 점균류, 곰팡이, 곤충의 초기 배아 등 에서는 세포질 분열이 없는 경우도 있다. 식물세포는 동물세포와 달리 분리할 새로운 세포벽을 만들어야 한다. 중간에 형성 보통 단시간에 완성, 세포질 분열은 핵분열이 따라가지 않고 생기는 경우가 간혹 있다. 합포(syncytium)이라 불리우는 다핵성 세포 덩어리가 된다. 배유조직은 세포질을 공동으로 공유하여 핵이 여러 개 되는 세포로 구성되어 있다. 일부 조류, 점균류, 곰팡이는 중간의 세포질 분열없이 체세포 분열만 해서 길이가 1미터가 넘는 다핵성 세포를 만들어 낸다.

15 텔로미어 Telomere 1930년 대에 처음으로 엽색체끝이 분열때 마다 상실(50-200 nt) 되는 현상 관찰
텔로미어 발견  TTAGGG의 반복 기능 : 염색체 보호, 세포의 시계 텔로미어의 길이가 어느 정도 이상으로 짧아지면 세포분열이 더 이상 일어나지 않음.

16 텔로미어의 길이가 줄어들지 않는 세포 소장의 내막세포, 골수세포, 혈액세포, 암세포  끊임없이 분열하는 세포들
왜 텔로미어가 짧아지지 않는가? 텔로미어를 길게 해주는 효소가 존재  텔로머라아제(telomerase) 생식세포에서도 텔로머라아제가 작용  세포내 시계 리세팅 (성인의 세포보다 태아의 세포가 훨씬 더 여러 번 분열)

17 식물의 경우 식물세포에도 텔로미어 존재  염색체 보호 식물세포에서는 세포분열시 텔로미어가 짧아지지 않는다.
왜? 식물체의 세포에 텔로머라아제가 있음 왜? 아마도 풍부한 분열 조직을 가지고 있어서 분열능력의 제한이 없어서가 아닐까. 특별히 분열이 많이 일어나는 조직(뿌리 끝)에는 텔로머라아제의 양도 많음

18 텔로미어 미스테리 텔로머라아제에 문제 있는 돌연변이 쥐  생식 능력 없고, 생식기관 위축, 골수 퇴화
배양중인 사람의 세포에 텔로머라아제를 과다 발현  정상적인 숫자 이상으로 분화 그러나… 텔로머라아제가 없는 쥐의 세포는 암세포가 되었고, 과도한 텔로머라아제를 갖는 사람 세포는 암세포가 되지 않았다  암 발생을 텔로미어 하나로 설명할 수는 없는 듯. 보면서 설명, 각각의 세포가 분열할때 각 세포내의 텔로미어는 DNA 뉴클레오타이드를 잃게된다.

19 세포를 분열하게 하는 신호는? 세포 밖과 세포 안에서부터 오는 신호가 세포주기에 영향 어떤 신호?
세포 밀도 : 높아지면 그만 분열해라. 성장인자나 호르몬 등 분열하라는 신호 키나아제(Kinase)와 사이클린(Cyclin)

20 접촉억제(Contact inhibition)
중간에서 세포층이 찢어지면 가장자리에 있던 세포들이 자라고 분열하여 그 공백을 채우는 것 각막의 경우 전체 재생은 되지 않지만 상처가 난 틈은 세포분열로 쉽게 메울 수 있다. 암세포  접촉저해성(Contact inhibition)을 잃고 계속해서 자람

21 호르몬(hormone) 세포분열을 계속하라는 신호와 예정세포사를 하라는 신호를 보낼 수 있음 여성의 경우:
배란기 이전 : 에스트로겐 호르몬 분비량이 많아지며 수정란이 착상할 수 있도록 자궁의 내막세포 자극 분열 배란기 이후 : 착상이 안 되면 다른 호르몬으로 자궁 내막세포들을 부수는 세포죽음을 조절 월경. 착상이 되면 자궁내벽 유지

22 세포주기의 조절 G1 S  G2  M기로의 진입을 어떻게 조절할 수 있을까? 키나아제와 사이클린으로 조절
키나아제 : 모든 진핵세포가 가지고 있으며 항상 있는 단백질 사이클린 : Cycling하는 단백질. 세포주기를 따라 생겨났다가 파괴되었다가를 반복 어떤 키나아제와 어떤 사이클린이 결합할 것이냐가 세포주기를 조절

23 생명체의 유지 보수 생명체의 유지 보수를 위해 노화되거나 손상된 조 직을 치유하고 새로운 세포를 생산을 해야함. 이 때 만들어진 세포들은 그 세포 고유의 특성을 가 져야 함. 딜레마: 상처조직을 치료하기 위해 주위 세포가 분열을 한다고 하더라도 분열할 수 있는 횟수는 제한되어 있다 (텔 로미어의 길이 등) 신체에 있는 대부분의 세포들은 G0기에 멈춰져 있어 서 세포분열을 하지 않는다. 그렇다면 어떤 세포에서 세포분열이 시작되는가?

24 줄기세포 줄기세포 : 성체(Adult) 줄기세포 (예: 골수) 배아(Embryonic) 줄기세포 미분화 상태로 존재하며, 자기 자신을 만들어낼 수 있으며, 필요한 경우 다른 여러타입의 세포들로 분화될 수 있는 세포

25 세포죽음 : 생명의 한 부분 세포죽음은 정상적인 발생의 한 부분
꼬마선충의 연구에서 밝혀짐. 정상적인 꼬마선 충의 발생과정에서 총 1090개의 세포가 만들 어지고 그 중에서 131개가 죽음 세포죽음의 종류 : 괴사(necrosis) : 세포가 상처로 인해 죽는 것. 염증 반응 유발 예정세포사(apoptosis) : 세포가 신호를 받아 자살하는 것. 깨끗한 죽음. 죽은 세포의 물질을 다른 세포가 이용할 수 있게 해준다

26 예정세포사의 과정 세포막에 있는 ‘죽음 수용체’가 죽음의 신호를 받 아들임 (혹은 X선, 자외선, 독성물질등의 손상에 반응할 때도 수용체가 활성화될 수 있음) 신호를 받아들이면 카스파아제란 효소가 활성 카스파아제의 기능: 세포죽음을 막는 단백질의 기능 저해 핵막 지탱하는 중간 필라멘트 파괴 DNA복제 및 수리 효소 파괴 DNA를 자르는 효소 활성 세포골격을 찢어헤침

27 뇌 발생에 필수적 신경세포가 제기능을 하기 위해서는 뉴런들이 효과적으로 연결되어 있어야 함
맨처음 세포 분열을 하면서부터 연결된 형태가 이루어지는 것은 아님 어떤 세포가 신경성장인자 (nerve growth factor, NGF)를 방출하여 다른 뉴런을 끌어당기고 이에 반응하지 않은 뉴런들은 예정세포사로 죽음 최종적으로 고도의 연결망을 가짐

28 면역계 세포에서도 필수적 면역 세포의 기능: 자기와 비자기를 구분하여 비자기인 세포를 공격한다
만일 자기와 비자기를 구분하지 못하면? 류머티스, 루푸스, 당뇨병 I형 같은 자가면역질환 따라서 면역 세포 중 자기를 인식하지 못하는 세포들은 예정세포사로 죽임

29 또한… DNA 손상이 심해서 정상적으로 작동하지 못하는 세포 Heritable Disease, Cancer, Aging
Genetoxic Agents IR, UV, ROS, etc. 자발적인 손상요인 복제시의 errors DNA 손상 DNA 수리 BER, NER, MMR Recombination Direct Reversal Cell Cycle Arrest Mutation (돌연변이) DNA 손상이 심해서 정상적으로 작동하지 못하는 세포 Irreparable Damage Heritable Disease, Cancer, Aging Apoptosis (세포자살기작) Programmed cell death

30 세포분열에 관여하는 유전자와 돌연변이 원종양유전자(protooncogene) vs.
종양 억제 유전자 (tumor suppressor gene) 원종양유전자 : 정상적인 세포 분열에 관여하는 유전자. 모두 다 가지고 있음 Proto (before) + onco (cancer) + gene 돌연변이가 일어나서 더 이상 세포 분열 조절을 못해주면 종양유전자가 됨 (oncogene)

31 원종양유전자 대부분의 경우 성장인자 자체를 만들거나, 성장인자에 반응하거나, 성장인자 수용체를 만드는 단백질임
성장인자가 많거나, 성장인자의 신호 전달이 계속해서 이루어질 경우, G1 검문점을 무시하고 계속해서 세포 분열  암

32 종양억제유전자 조건이 좋지 않을 때 세포분열을 억제하는 단백질을 만드는 유전자 조건이 좋지 않을 때란?
DNA에 손상이 있거나 할 때 원종양유전자를 보완하는 기능 p53 : 종양억제유전자로 G2기 검문에 관여하는 유전자  돌연변이 일어난 세포는 암세포가 됨. 암의 절반 이상이 p53의 이상

33 암세포의 특성 세포주기의 조절능력 상실과 접촉저해의 상실 매우 빠르게 분열하며 위에 계속하여 쌓인다.
암 수술 후 완치 기간을 5년으로 잡는 이유는? 단 하나의 세포라도 남아있으면 결국에는 그 세포들이 분열을 하여 원래대로 커지기 때문 유전력과 유전변이력 자식에게 유전된다는 뜻이 아니라 암세포가 분열해서 생긴 딸세포도 암세포라는 뜻. 암세포에 있던 모든 유전자 변이를 유전받기 때문

34 암세포의 특성 이식가능성, 전이능력, 침투력 주위 다른 조직 침범 (침투성)
전이력 : 세포간의 부착능력이 약해서 떨어져 나와 다 른 곳으로 이동할 수 있음 이식가능성 : 조직의 가장자리에 자신을 정착시키고 건 강한 조직을 절단하는 화학물질을 분비하며 침투하여 자랄 수 있음 혈관생성: 어느 정도 크기가 커진 이후에는 영양분과 산소를 공급받기 위해서 혈관을 끌어들이는 물질을 분 비하거나 스스로 혈관을 만든다 탈분화: 원래의 기능을 대부분 잃어버림