인체의 신비 세포분열

[하마콤]

세포분열                                

한 치의 실수도 없이 생물이 되는 모든 순간

모든 인간은 처음에 하나의 세포, 수정란으로 시작된다. 그러나 지금 이 글을 보고 있는 당신은 60조 개 정도의 세포로 이루어져 있을 것이다. 세포의 수는 당신의 덩치에 따라 조금 더 많을 수도, 더 적을 수도 있다. 참고로 지구상에서 가장 큰 동물인 흰긴수염고래의 세포 수는 10경(10¹⁷) 개 가까이 된다고 한다.

하나의 수정란에서 시작된 당신이 수십 조 개(혹은 백조 개)가 넘는 세포로 이루어진 생물이 되기까지는 치열한 ‘세포 분열’ 과정이 있었다. 하나의 엄마 세포(母細胞) 가 쪼개지며 똑같이 생긴 쌍둥이(혹은 네쌍둥이) 딸세포가 되는 것이 세포분열이다.¹⁾
1). 모세포가 분열한 세포를 왜 아들 세포 아닌 딸세포라 부를까? 대부분의 세포에서 세포분열은 반복되는데, ‘아들세포’가 자라 ‘엄마세포’가 되어 분열한다는 표현이 부자연스럽기 때문이다.

이 과정이 계속 반복되면서 비슷한 기능을 가진 세포가 모여 조직을 만들고, 기관을 만들고 기관계를 만들며 성장하여 지금의 당신이 있게 된 것이다. 하지만 세포의 전 생애를 통틀어 ‘세포분열’의 기간은 별로 길지 않다. 새로 태어난 세포는 무럭무럭 자라(단어 Growth에서 따 이 기간을 G1이라고 한다) 다음 세대의 세포를 생산할 때가 되면 먼저 DNA를 복제하고(Synthesis, S단계라 한다), 방추사를 만드는데 필요한 단백질인 튜블린이라는 것을 대량 생산하는 제2의 성장기(G2)를 거친다. 그제서야 비로소 앞에서 말한 본격적인 세포분열(유사분열Mitosis²⁾의 약자M으로 나타낸다)단계로 들어가는 것이다.^{3)
2) 유사분열은 세포분열을 할 때 염색체와 방추체가 나타나는 대다수 고등생물의 세포분열을 가리킨다. 실 사(絲)자를 쓴 이유는 염색사가 뭉쳐져 염색사가 되고, 방추체에서 방추사가 나오는 등 세포 분열 과정에서 실 모양의 존재가 관여해 그런 것이 아닐까. 분열할 때 염색체와 방추체가 나타나지 않고 핵이 바로 두 개로 쪼개지는 세포분열을 무사분열(amitosis)이라고 한다.
3) 이를 세포주기(cell cycle)라고 하고, 이중 G1-S-G2까지를 간기라고도 한다.}

우리 몸의 세포는 크게 두 가지 방식으로 딸세포를 만든다. 정자와 난자 같은 생식세포는 ‘생식세포분열’을 하고, 그 외의 세포는 ‘체세포분열’이라는 방법을 따른다. 학교 다닐 때 두 가지를 모두 배운 것 같은데 헷갈린다는 기억 밖에 없는가? 그런 이들에게는 준비운동이 필요하다. 바로 ‘염색체’에 대해 좀 더 알아보는 것이다.
 
  세포 안에 들어 있는 양말과 장갑

염색체의 정체는 앞선 포스트에서 언급했듯이 히스톤이란 단백질을 감싸며 구불구불 감겨있는 DNA 가닥이다. 평소엔 실(염색사)처럼 풀어져 세포핵 속에 들어있다가 세포분열이 시작할 때쯤 똘똘 뭉친 실타래 모양으로 나타난다. 생식 세포인 정자와 난자를 제외한 인간의 모든 세포(뼈세포, 혈액, 근육세포, 피부세포 etc.)에는 모두 똑같은 염색체가 46개 씩 들어 있다. 범죄현장에서 머리카락을 줍든, 침이 묻은 담배꽁초를 발견하든 그 DNA를 검사하면 범인을 찾아낼 수 있는 이유다.

뜬금없지만 바닥에 늘어놓은 스물두 켤레의 양말과 장갑 한 켤레를 떠올려보자. 장갑 한 켤레는 여자의 경우 두 짝 모두 손 등에 X가 그려져 있고 남자의 경우 한쪽엔 X가, 나머지 한 짝엔 Y가 그려져 있다. 양말을 한 켤레씩 자세히 살펴보면 모양은 같지만 짜여진 무늬가 살짝 다르다. 각각의 양말 한 켤레 중 한 짝은 어머니의 유전자로, 나머지 한 짝은 아버지의 유전자로 짜여있기 때문이다. 눈치 챘는가? 이것은 인간 염색체에 대한 비유다. 인간 염색체 46개는 22쌍의 상동염색체와 한 쌍의 성 염색체로 이루어져 있다. 그러니까 켤레를 이루는 양말 두 짝이 상동염색체이고, XX혹은 XY짝을 이루는 장갑이 성염색체인 것이다. 머리에 대충 인간 염색체의 그림이 그려졌으면 이제 체세포 분열에 대해 알아보자.

사람(여성)의 염색체 사진. 크기와 모양이 같은 상동 염색체 22쌍과 성 염색체 한 쌍으로 이루어져있음을 알 수 있다.(출처:www.flickr.comⓒCan.H)

    

 
  엄마와 똑같은 양말과 장갑을 가진 쌍둥이 딸

체세포분열 과정은 아래 그림처럼 전기, 중기, 후기, 말기, 세포질분열의 다섯 단계를 거친다.

(출처: 위키미디어)

  첫 단계인 전기가 되면 앞에서 말한 것처럼 핵막이라는 주머니 속에 풀어져있던 염색사가 뭉치면서 염색체라는 실타래가 된다. 앞에서는 이 실타래를 양말이라고 비유했다. 주의할 점은 이 실타래가 두 겹으로 되어있다는 것이다. 세포 주기 중 S기를 거치며 DNA가 이미 두 배로 복제되었기 때문이다. 인간 염색체가 46 개라고 했는데, 이 단계의 염색체는 46개처럼 보이는 92개다. 양말 한 켤레가 사실 왼쪽 둘 오른쪽 둘, 네 짝으로 되어 있는 셈이다. 이처럼 두 겹이 된 염색체를 2가염색체라고 부르고 양말 한 겹에 해당하는 염색체를 ‘염색분체’라고 한다. 전기에는 또한 핵막이 서서히 사라지고 중심체(centrosome⁴⁾)라는 것이 두 개 나타나 세포의 양끝으로 이동하면서 방추사(spindle fiber)라는 가느다란 끈을 내놓기 시작한다.
4) 직각으로 만난 중심립(centrioles) 두 개로 이루어져 있다.

중기가 되면 염색체가 세포 가운데 일렬로 늘어선다. 이 때 중요한 것은 양말이 두 겹이 된 한 짝 씩 늘어선다는 점이다. 그런 다음엔 세포의 양 끝에서 중심체가 마치 낚시라도 하는 것처럼 방추사를 던져 염색체를 한 겹씩 낚아 각각 반대방향으로 끌어당긴다. 마침내 방추사가 당기는 힘에 의해 양말이 한 겹씩 떨어져 각각 극 방향으로 끌려가는 것이 후기다. 말기 동안에는 핵막이 다시 나타나고 염색체는 염색사로 풀어진다. 이 모든 과정이 끝나면 동물 세포의 경우 조랭이떡 모양으로 세포의 가운데부분이 점점 잘록해져 결국 두 개의 세포로 나뉘는 ‘세포질분열’ 단계를 맞는다. 식물 세포의 경우 새로 생긴 두 핵 사이, 세포 중간에 세포벽이 생겨나 결국 두 개의 세포로 분리된다. 이렇게 체세포분열로 생긴 두 딸세포에는 엄마세포와 똑같은 양말 22켤레와 장갑이 들어 있다.
 
  짝짝이 양말이 한 켤레를 이루려면

이번엔 생식세포 분열에 대해 알아보자. 생식세포란 알다시피 동물의 경우 정자와 난자, 식물의 경우 꽃가루와 밑씨다.
 

(출처: 위키미디어)

 
생식세포 분열은 크게 두 단계를 거친다. 인간의 경우 제 1단계는 체세포분열과 동일하게 두 겹이 된 22켤레의 양말과 장갑으로 시작한다. 전기에는 체세포분열처럼 핵막이 사라지고 중심체가 생겨 방추사를 뻗치며 세포 양쪽 끝으로 이동한다. 체세포분열과의 차별점은 중기에 생긴다. 이번에도 염색체가 세포 가운데 늘어서는데, 이번에는 두 겹 양말 한 짝 씩 줄서는 것이 아니라 한 켤레 씩 줄을 선다. 그래서 후기에 중심체에 의해 염색체가 끌려갈 때도 두 겹 양말 한 켤레 중 한 짝은 이쪽 끝으로, 또 한 짝은 저쪽 끝으로 끌려가는 것이다. (기억하고 있나? 체세포 분열에서는 이 단계에서 두 겹이었던 양말이 홑겹이 된다.) 결국 1단계 말기를 거쳐 세포질이 분열되었을 때 생긴 두 개의 세포에는 각각 짝이 맞지 않는 두 겹 양말 23 짝이 들어있게 된다. 잠깐 퀴즈. 이 때 만들어진 세포의 염색체 수는 몇 개일까? 두 겹 23짝이니 46개다. 

만들어진 두 개의 세포가 다시 나뉘어져 결국 네 개의 세포가 만들어지는 것이 2단계다. 2단계는 체세포 분열과 더 비슷하다. 전기에 방추사가 만들어지고, 중기에 두 겹 염색체가 세포 가운데 일렬로 늘어서며, 후기에는 염색체 양말이 한 겹 씩 떨어져 각각 세포 양끝으로 끌려가고, 말기와 세포질 분열을 통해 새로운 세포가 탄생한다. 이 때 만들어진 딸세포 속 염색체 수는? 한 겹 양말 23짝, 23개다. 인간 염색체는 46개인데 분열의 결과 23개짜리 세포가 만들어졌으니 생식세포분열을 감수분열(減數分裂)이라고 부르기도 한다. 짝짝이 양말만 잔뜩 들어있는 이 세포들은 다른 성별의 생식세포를 만나 수정란을 만들면서 비로소 완전한 켤레를 이루게 된다. 

  체세포분열과 생식세포분열의 미션

세포분열 과정을 고작 양말자루 만드는 데 비유한 것이 경박해 보인다면 용서하시길. 세포 분열 과정을 좀 더 쉽게 설명하고자 하는 ‘미션’을 위해서라고 이해해 주었으면 한다. 세포 분열에도 숭고한 ‘미션’이 깃들어 있다. 체세포분열은 30억 염기쌍으로 이루어진 게놈 정보를 한 치의 실수도 없이 복사해 새로 만든 세포에게 전해주는 것이 미션이다. 생식세포분열의 미션은 새롭게 세대를 시작할 수 있는 젊고 싱싱한 세포를 만들어내는 것이 미션이다. 분열을 거듭할수록 말단⁵⁾이 닳아 없어지는 체세포와 달리 생식세포는 분열을 거듭해도 말단이 닳지 않는다. 두 가지 미션이 충실히 수행될 때, 생물 개체에서 나아가 생물 종의 생명력이 유지될 수 있다.
5)텔로미어. 세포 분열을 할 때마다 점점 닳아서 마침내 거의 없어지면 그 세포는 더 이상 분열하지 못한다.

기초과학연구원

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