세포분열(Cell Division) - 서론 - 세포주기의 개요 - 유사분열 - 세포질 분열 - 감수분열 - 요약 1.

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1 세포분열(Cell Division) - 서론 - 세포주기의 개요 - 유사분열 - 세포질 분열 - 감수분열 - 요약 1

2 서론 - 세포설(cell doctorine): “세포는 기존의 세포로부터 유래한다(omnis cellula e cellula)”  1858, Rudolf Virchow(French Pathologist)  생명의 연속성에 관한 심오한 의미내포  세포는 세포로부터 형성되고, 더 많은 세포를 만드는 유일한 방법은 세포분열(cell division)에 의해서만 가능  30억년의 생명체 역사는 반복된 세포의 성장과 분열의산물 2

3 - 세포는  자기내용물을 복제, 분열을 통해 새로운 세포를 형성
 세포주기(cell cycle)는, 즉 복제와 분열의 주기는, 생물체의 번식과 증식을 위한 필수과정  단세포 생물: 세포분열이 새로운 개체 형성  다세포 생물: 수정난에서 새로운 개체를 형성하기 위해서는  많은 분열이, 일생을 걸쳐 일어나며,  성체는 죽은 세포 대체를 위해 분열하고,  분화 완성된 신경, 근육 세포는 분열 안하나, 그 외는 서로 다른 속도로 분열 3

4  생존을 위해 매초 수백억개의 새로운 세포 형성
 분열 속도: • 간세포: 년 1회 • 창자 상피세표, 혈구 전구세포: 1일 1회 이상  생존을 위해 매초 수백억개의 새로운 세포 형성  높은 선량의 X-선 조사: 세포분열 중지  수일내 개체 사망 4

5 - 유사분열의 산물은 분열하는 세포의 유전적 복제품이다.
• 유사분열은 복제된 DNA를 똑같이 나눈다. • 부모와 똑같은 딸세포의 핵을 생산함 • 효모나 윈생동물 같은 단세포 진핵생물 메카니즘 - 감수분열은 부모의 핵과는 유전적으로 다른 복제품이다. • 유전적으로 부모와 다른 딸세포의 핵을 생산함 • 생식세포를 만드는 발생과정의 한 부분으로 일어난다.. 4

6 세포주기는 유전정보를 복제, 다음대로 전달하는 작업
 염색체 DNA를 복제하여 복제된 염색체를 두 딸 세포에 정확히 배분하고, 매 주기마다 크기는 배가 되어야함 세포분열  세균: 핵이 없이, 단일 염색체, 세포주기 20분  진핵세포: 핵분열과 세포질분열 로 구분

7 세포분열의 물리적 과정 검토:  핵분열  세포질분열  감수분열

8 세포주기의 개요 - 세포주기의 기간은 세포에 따라 다양 7

9 분열중인 동물세포에서의 진핵 염색체 (파란색)
유사분열의 산물은 분열하는 세포의 유전적 복제품이다 유사분열 : 부모의 핵과 동일한 유전적 복제품인 딸 세포의 핵을 생산하는 과정 분열중인 동물세포에서의 진핵 염색체 (파란색)

10 진핵세포의 세포주기는 4 단계로 구분 - M기(mitotic phase): 핵이 분열하는 유사분열(mitosis)과 세포가 2개로 분리되는 세포질분열(cytokinesis)이 포함 현미경 상에서 극적인 변화, 1시간 소요 - 간기(interphase): M기에서 다음 M기까지의 기간. 세포가 성장하는 시기, 현미경상의 변화는 없고, 세포주기의 대부분의 시간 소요  S기(synthesis): DNA복제 시기  G1기(1st gap): M기의 완료와 S기의 시작 시기  G2기(2nd gap): S기의 종료와 M기의 시작 사이 기간

11 종마다 G1 길이가 다르다 포유류세포 S기 : 10-12시간, G2기 : 4-6시간 M : 약 1시간 이내
Go : 분열 중지 단계 단백질과 다른 분자생성

12 체세포분열(유사분열)

13 유사분열 단계 응축의 필요성 : 총 길이 2m DNA 분자를 유사분열 동안
성공적으로 나누기에 충분히 작은 단위체로 포장하는 것 유사분열 단계

14 방추체에 의해 생긴 장력이 양극으로 동원체를 끌어당김
유사분열 단계

15 유사분열 - 핵분열이 시작되기 전에  각 염색체는 복제되어 2개의 자매염색분체(chromatid)를 형성
 이들 두 자매염색분체는 표면에 결합된 단백질들의 상호작용에 의해 전 길이에 걸쳐 서로 결합  유사분열 중 이 단백질들은 분해되며  자매염색분체는 서로 분리, 독립적인 딸 염색체를 형성 방추사에 의해 세포 양극으로 이동 12

16 피나리의 유사분열

17 - 유사분열은 연속적인 과정이나, 전통적으로 5 단계로 구분
① 전기(: 복제된 염색체가 응축, 방추사가 핵 밖에서 형성되기 시작 ② 전중기(: 핵막 붕괴, 방추사가 염색체와 접촉, 특수부위에 결합 ③ 중기(: 방추사가 모든 염색체를 적도판에 배열 ④ 후기(: 염색분체가 동시에 분리, 방추사가 이들을 양극으로 이동 ⑤ 말기: 분리된 염색체들의 주위로 핵막이 재형성, 두 핵을 완성 13

18 일부 세포기관은 유사분열시 조각으로 분리 - 유사분열과정은 각 딸세포가 완전한 염색체 전량을 받아들이는 과정이나,
- 유사분열과정은 각 딸세포가 완전한 염색체 전량을 받아들이는 과정이나, - 또한 막성 세포기관을 포함, 필수 내용물들도 함께 물려받아야 함  Mito. Chloro.는 기존 소기관의 성장과 분열에 의해서만 형성 따라서 매 세포주기마다 2배로 증가, 양분  ER, GA 등은 작은 조각으로 분해, 분열시 양분 11

19 방추사는 전기에 조립 동물세포는 간기에 중심체(centrosome)로부터 뻗어 나온 미세소관의 배열을 볼 수 있음
 전기가 시작되면 두 딸중심체는 분리, 양극으로 이동  두 중심체로부터 방사된 미세소관이 상호작용하여 방추사(spindle fiber)를 형성 14

20 간기 세포의 중심체로부터 방사된 미세소관들은
 이를 구성하는 tubulin 단위체의 첨가와 소실에 의해 중합, 또는 탈중합, 신장과 수축을 반복, 이를  동적 불안정성(dynamic instability)  빠르게 수축하고 신장하는 미세소관들은 두 중심체로부터 모든 방향으로 뻗어 나와 세포 구석구석을 탐색.  일부 두 미세소관들은 미세소관 결합 단백질에 의해 결합, 양극성 방추사의 기본 구조 형성  극성 미세소관(polar microtubule)  극성 미세소관을 형성한 두 중심체  방추극(spindle pole)

21 염색체는 전중기에 방추사에 부착 전중기: 핵막 붕괴로부터 시작
이는 핵막내 핵층(nuclear lamina)의 중간 filament 단백질이 인산화됨으로써 해체됨으로 바깥의 방추사 미세소관이 염색에 부착함. 방추사 미세소관은 두 자매염색분체가 특정 DNA 서열로 수축된 중심절(centromere)에 형성된 동원체(kinetochore)란 특수 단백질 복합체에 부착 16

22 * 이 염기서열이 없으면 동원체 형성이 불가능  염색체가 분리되지 못함
* 동원체 단백질은 이를 인식하는 형광항체를 이용, 식별 가능. 이 항체는 피부경화증(scleroderma) 환자가 자신의 동원체 단백질에 대한 항체를 형성한 것 (CREST) 일단 핵막이 붕괴되면 무작위적으로 탐침하던 미세소관이 동원체를 만나, 그 양성 발단이 이곳에 결합, 염색체를 방추극에 연결시킴.  동원체 미세소관(kinetochore) microtubule) 동원체에 부착되는 미소관의 수:  사람은 20~40  효모, 1

23 염색체는 중기에 적도판에 배열 전중기 중 방추사에 부착된 염색체는 결국 적도판에 배열,
중기판(metaphase plate)를 형성  중기 시작 염색체를 적도판으로 끌어오는 힘은 미세소관의 연속적인 신장과 수축, 미세소간 운동성 단백질이 관여하는 것으로 추측 18

24 딸 염색체는 후기에 분리 후기 초에 자매염색분체 간의 연결은 단백질가수분해 효소 (Separase)에 의해 절단, 각 염색체는 반대 극으로 분당 1㎛ 속도로 이동. ① 후기A: 동원체 미세소관들이 탈중합에 의해 짧아져서, 부착된 염색체가 극으로 이동. ② 후기B: 양극이 다음 두 힘에 의해 각각 반대 방향으로 이동 활주력이 양극에서 나온 극성 미세소관 사이에서 발생, 서로 밀어내며, 세포피층 방향으로 방출된 미세소관에 의해 당기는 힘이 작용, 양극이 반대방향으로 이동. 19

25 핵막은 말기에 재형성 말기엔 염색체 주위에 핵막이 재형성, 2개의 딸핵 형성
후기 끝에 딸 염색체는 두 집단으로 분리, 양극에하나씩 분배 말기엔 염색체 주위에 핵막이 재형성, 2개의 딸핵 형성  핵막 소낭이 개별 염색체 주위에 응집, 융합하여 핵막 형성  이때 핵공도 막에 재형성  전기 중 인산화되었던 중간 filament인 라민은 탈인산화되어 핵층을 재형성하기 위해 결합 일단 핵막이 재형성되면 핵공들은 핵단백질을 안으로 능동수송  응축한 염색체들은 풀어져서, 유전자의 전사를 재개  유사분열 종료, 세포질 분열에 들어감 21

26 세포질분열 M기는 염색체 분리와 새로운 핵 형성 외에
 막, 세포골격, 세포기관, 수용성 단백질도 두 딸세포로 분배되는 시기 이는 세포질분열(cytokinesis)에 의해 완성   세포질분열은 actin filament로 구성된 일시적 구조물인 수축환(contractile ring)이 관여  그러나 세포질분열의 분열면과 시기는 모두 방추사에 의해 결정 22

27 방추사가 세포질 분열면을 결정 동물세포에서 세포질분열의 첫 징후는 후기 중에 출현하는  PM의 주름과 고랑의 형성임.
 고랑은 방추사의 긴 축에 수직으로 남. 이를  분열구(cleavage furrow)  분열구는 딸 염색체들의 두 집단 사이를 절단, 두 딸세포가 동일하고 완벽한 염색체 집단을 받을 수 있도록 보장 23

28 * 방추사가 분열구 위치를 결정하는 기작은 불명
 만약, 고랑이 형성되자마자, 세포를 유리봉으로 찔러 방추사 위치를 바꾸면  만들어지던 고랑이 사라지고, 새 고랑이 방추사의 새 위치와 방향에 따라 직각방향으로 형성  그러나 고랑이 상당히 진행된 상태에서는, 인위적인 방추사 제거나, colchicine에 의한 방추사 탈중합에도 세포질 분열은 계속됨 * 방추사가 분열구 위치를 결정하는 기작은 불명 24

29 세포분열은 동물세포에서 세포모양의 변화, 세포 외 기질에 대한 세포의 부착력의 감소 등 수반
세포분열은 동물세포에서 세포모양의 변화, 세포 외 기질에 대한 세포의 부착력의 감소 등 수반  이는 세포피층의 actin 및 myosine filament의 재배열의 결과 예: 배양 섬유아세포  간기 : 편평한 모양, 표면에 고착결과  M기 : 둥근 모양  고착시키는 PM 단백질 인테그린의 일부가 인산화, 기층에 대한 결합력이 약해 졌기 때문  분열 후, 고착력 회복, 다시 편평한 형태

30 식물세포의 세포질분열은 새 세포벽 형성을 수반
식물세포는 새 세포벽 형성으로 두 세포로 분리 새 세포벽은 말기초 염색체의 두집단 사이에 형성되기 시작 말기에 남아 있던 극성 미세소관은 격막형성체(phragmoplast)를 형성. 여기에 GA에서 유래되어 세포벽 기질에 필요한 막결합소낭(small membrane-bounded vesicle)들이 모여 적도면으로 이동, 융합하여 새로운 세포벽을 형성 27

31  새로 형성된 세포벽은 원래의 PM, 세포벽에 도달할 때 까지 신장, 그 결과 세포를 2로 분리
 그 후 섬유성분의 미세 섬유들이 기질 내부에 첨가, 새로운 세포벽 형성 완료 28

32 감수분열 - 1883년 발견 난자와 정자가 염색체 수를 반감 해야하는 특수 세포분열  감수분열(meiosis, Gr 감소)
 특정 벌레의 배우자(gamete)가 2개의 염색체를 갖는 반면 수정란은 4개  유성생식을 위해 특수화된 배우자(정자. 난자)는 부계, 모계 중 한 셋트의 염색체로 구성된 반수체(haploid, n).  체세포는 모계와 부계에 유래한 각 한 쌍의 염색체 셋트로 구성된 이배체(diploid, 2n)를 가짐 난자와 정자가 염색체 수를 반감 해야하는 특수 세포분열  감수분열(meiosis, Gr 감소) 29

33 상동염색체는 감수분열중에 쌍을 이룸 이배체 세포는 크기와 형태가 비슷한(성염색체를 제외) 부계와 모계 유래의 염색체를 각각 한 쌍씩 가짐  상동염색체(homologous chromosome), 동족체 (homologue) 감수분열은 한쌍의 염색체 중 하나만(부, 혹은 모계)갖는 두 세포로 분리.  반감된 염색체 수는 수정으로 다시 2배체로 회복  감수분열중 부,모계 염색체는 각 배우자로 무작위적으로 배분 되기 때문에, 원래의 부, 모계 염색체가 다양한 조합으로 재편성됨 30

34 mitosis/meiosis의 중요 차이점:
감수분열에서는 복제된 부계와 모계의 상동염색체들이 방추사에 의해 정열되기 전에 쌍(pairing)을 이룸 이러한 물리적 결합 부계와 모계의 염색체들이 두 딸세포에 나뉘어 들어갈 수 있도록 함 상동염색체끼리 어떻게 서로 인식하는지에 대해서는 불명 31

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39 감수분열은 두 번의 세포분열로 이루어짐 - 제1 감수분열 :
 각 염색체들은 유사분열과 같이 복제되어 2 염색분체를 형성 핵막이 소실되기 전, 그리고 염색체가 적도판에 집결되기 전에 복제된 각각의 염색체가 자신의 상동염색체와 쌍을 이루어 4개의 염색 분체로 이루어진  2가 염색체( bivalent)를 형성 * 제1 감수분열기간은 몇 년동안 지속, 나머지 부분은 빠르게 진행

40 제1 감수분열의 긴 전기기간동안 2가 염색체는 시냅토네마 복합체(synaptonemal complex)에 의하여 밀착, 정열
제 1 감수분열에서 복제된 상동염색체들은 서로 분리, 개의 딸세포로 이동 그러나 각 상동염색체의 자매염색분체들은 마치 복제가 일어나지 않은것 처럼 하나의 단위로 행동, 제 2감수분열 분리되지 않음 제1 감수분열의 긴 전기기간동안 2가 염색체는 시냅토네마 복합체(synaptonemal complex)에 의하여 밀착, 정열 이 복합체는 긴 사다리 모양의 단백질로 상동염색체를 서로 반대 방향으로 정열, 단단히 응축시킴 33

41 상동염색체가 2가 염색체로 쌍을 이루는 현상은 유전자 재조합 을 허용, 부계와 모계염색체 사이에 재조합이
재조합 을 허용, 부계와 모계염색체 사이에 재조합이 일어나게 함. 이 과정을  교차(crossingover): 이는, 배우자에 있는 각 염색체의 유전적 성분을 재조합 함으로써 새로운 유전자 조성을 갖는 개체 형성 유도 핵막이 붕괴, 전중기 시작, 나머지 부분은 유사분열과 동일 2가 염색체에 방추사가 결합하고, 적도판에 배열 후기에 복제된 두 상동염색체는 분리, 양극으로 이동  아직 염색분체가 서로 결합, 마치 하나의 단위처럼 이동하기 때문에, 분열시 각 딸세포는 상동 염색체 중 부계 또는 모계 중 어느 하나만을 물려받게 됨 34

42 감수분열은 한번의 DNA 복제에 이은 2번의 세포 분열로 4개의 반수체 세포를 형성
제2 감수분열 :  더 이상의 DNA 복제나 간기 없이  방추사가 형성되고, 염색체가 적도면에 배열,  자매염색분체가 분리되어 반수체 DNA를 갖고 딸세포를 형성. 감수분열은 한번의 DNA 복제에 이은 2번의 세포 분열로 4개의 반수체 세포를 형성 35

43 - 상동염색체의 분리가일어나지 않아, 특정 염색체가 결여, 또는 잉여 배우자를 형성할 경우
- 상동염색체의 분리가일어나지 않아, 특정 염색체가 결여, 또는 잉여 배우자를 형성할 경우  이로 인한 배아는 태내 중 사망  일부 생존 경우는 선천성 이상증후(congenital anomalism) 예: ① Down’s syndrome(21 trisomy, 2n=47) ② Turner’s syndrome(XO monosomy, 2n=45) ③ Kleinefelter’s syndrome(XXY, 2n=47)  이를 비분리(non-disjunction) 36