생리학에 관하여 - 조직의 성장과 세포분열

1. 조직의 성장과 세포사멸

 인체는 약 75조 세포를 지니고 있는 다세포 생물이지만 시작은 단세포인 난자의 분열로부터 시작된다. 이렇게 만들어진 각 세포는 일생동안 다시 분열하여 성체가 되거나 오래된 세포를 대체하게 된다. 수정란으로부터 다세포 생물이 만들어지는 과정인 '발생'은 아직도 베일에 가려져 있는 부분이 많지만 과학자들에 의하여 하나씩 풀리고 있다.

 성인의 조직 중 신경세포나 근육세포는 분열하지 않지만 인체의 간세포는 1년에 한 번 정도 소장 점막의 상피세포는 거의 매일 분열하며 피부세포는 2주에 한 번 정도 분열한다. 포유류의 세포는 다른 세포로부터 전해오는 화학물질에 의하여 자극을 받아 분열하게되며, 세포가 분열할 수 있는 횟수는 정해져 있다.

 인체의 조직은 체세포의 유사분열을 거쳐 성장하며 난소나 정소 속에서 세포가 분열될 때는 다른 방식인 감수분열에 의하여 세포가 분열한다. 유사분열 시 각각의 딸세포는 세포 내 소기관도 물려받아야 하므로 미토콘드리아는 분열 시 그 수가 증가하여 나뉘지만 골지체나 소포체 등은 무작위로 쪼개져 나뉘게 된다. 세포의 분열 속도나 분열하는 횟수는 생체가 정상적인 생명현상을 유지하는 데 중요하다.

 세포조절 시스템은 다른 종류의 세포로부터 오는 화학 신호전달 체계에도 반응하여 적정 수준 이상의 세포 수가 증가하지 않도록 하는데 이 조절체계가 무너지면 세포분열이 과다하게 일어나 암을 유발하게 된다. 한편, 다른 세포로부터 오는 화학적 신호가 멈춰 세포가 분열을 멈추게 되면 세포는 내부의 자살 프로그램을 활성화하여 예정된 세포죽음이라는 과정을 통해 사멸된다. 성장하고 있는 생체의 내부에서는 잔존하는 세포 수보다 훨씬 많은 세포들이 만들어졌다가 필요 없는 조직들이 사멸하는 것이 관찰되며 성체에서는 필요 이상으로 증식된 조직이 죽음으로써 조직의 원래 크기가 유지되는 현상들이 관찰된다.

2. 세포의 분열

 난자가 정자를 만나 수정이 된 직후는 단일세포의 형태로 30여 시간 유지되다가 세포분열을 시작하게 된다. 이후 세포분열 속도는 가속화되어 각 기관이 형성되어 태아를 이루고 출산 후는 성장을 위하여 세포가 계속 분열한다. 성장 후에도 조직의 재생과 교체 등을 위하여 세포분열이 지속적으로 일어나므로 세포분열은 전 생애를 통하여 일어나는 필수기전이라 할 수 있다. 그러나 세포분열은 정상적인 속도로 지속적으로 일어나야 하는 과정으로 정상에서 벗어난 속도로 분열이 일어나면 종양을 발생시키는 등 위험한 상황으로 진전될 수 있다.

2-1. 세포주기

 세포는 세포 내 물질들을 복제하여 두 배 증가시킨 후, 두 개로 나누는 반응들을 통해서 기존의 것과 같은 세포를 계속 생산해 낸다. 이와 같은 복제와 분열의 과정을 세포주기라 한다. 세포주기를 크게 두 단계로 나누면 염색체가 복제되는 시기의 간기와 염색체가 두 개의 딸세포 핵으로 분포되는 시기인 유사분열기로 나누어 설명할 수 있다. 세포주기는 각 단계별로 완성된 후 다음 단계로 넘어가도록 정확히 조절하는 시스템을 가지고 있으며, 이를 위해 필요한 물질들을 공급하고 불필요한 대사물을 처리하게 된다.

2-2. 간기

 세포가 분열하기에 앞서 필요한 구성성분의 양을 늘리고 필요한 단백질을 합성하는 과정을 거치면서 세포의 크기가 커지는 시기를 세포주기 중 간기라 한다. 간기를 다시 세 단계로 나누어 RNA 전사가 일어나고 이에 필요한 단백질이 합성되는 시기인 G1기, DNA를 복제하는 시기인 S기, 복제된 DNA가 실과 같은 모양으로 퍼져 있다가 모여서 굵고 짧은 염색질의 형태를 이루는 G2기로 본다. 간기에 DNA 복제가 이루어지면 동일한 염기서열을 갖는 두 개의 염색체 쌍으로 이루어진 이분염색체가 만들어져 유사분열을 준비하게 된다.

2-3. 유사분열기

 유사분열은 세포주기의 M기라고 불리며 전기, 중기, 후기, 말기의 4단계로 나뉜다. 전기에서는 염색체의 구조가 뚜렷이보이지만 중심소체가 양극을 향해 나가고 방추사를 생성하는 시기이다. 이 시기에 핵막은 사라지고 핵인은 관찰되지 않는다. 중기에서는 염색체가 방추사의 가운데 부분인 적도판에 배열하고 방추사가 동원체에 붙으면서 핵막이 사라진다. 후기에는 방추사가 짧아지면서 동원체가 자매염색분체를 양극으로 끌고 가 분리된다. 말기에 염색체는 가늘어지고 핵인이 나타나며 핵막이 다시 생성된다. 이때 세포질도 둘로 분리되어 딸세포가 만들어지면 세포분열이 완성되며 딸세포의 유전자 조성은 어버이와 동일하다.

2-4. 감수분열

 정소나 난소에서 생식세포인 정자와 난자를 만들 때에는 감수분열이 일어난다. 감수란 염색체 수가 반으로 줄어든다는 의미이며 실제로 감수분열이 일어나는 동안 염색체는 반으로 나뉘게 된다. 이배체 세포의 핵에는 유사한 형태의 염색체를 쌍으로 가지고 있는데 하나는 어머니로부터 다른 하나는 아버지로부터 온 것이다. 이 두 개의 염색체는 아주 똑같지는 않지만 비슷한 기능을 갖는 단백질에 대한 유전정보를 담고 있으므로 '상동염색체'라 불린다. 유사분열에서는 모계염색체와 부계염색체가 각각 복제되어 두 배로 되었다가 적도판에 배열되고 다시 반으로 나뉘어 동일한 세포의 염색체를 형성하기 때문에 유전적으로 동일한 이배체가 된다.

 그러나 감수분열에서는 쌍으로 존재하는 상동염색체가 다시 두 개씩 쌍을 이루어 배열하고, 한 쌍씩 딸세포로 이동하게 되므로 원래 염색체 수의 절반만 갖는 딸세포가 만들어지게 된다. 상동염색체가 배열하여 쌍을 이루고 있는 동안 모계염색체와 부계염색체 간에 일부가 교환되어 유전자 재조합 현상이 발생한다. 이 과정이 제1차 감수분열이다. 감수분열은 여기서 완성되는 것이 아니라 제2차 감수분열을 통해서 완성되는데, 이때는 복제되어 쌍을 이루고 있는 염색체들이 유사분열에서와 같이 반으로 나뉘어져 네 개의 딸세포로 들어가게 된다. 최종적으로 딸세포인 생식세포는 모계나 부계 중 어느 하나만의 염색체를 보유한 반수체 세포가 된다.