9. 진핵세포의 세포주기 및 세포분열

진핵세포의 세포주기

세포는 자신의 내용물을 복제하고, 두 개로 나누는 일련의 질서정연한 반응을 수행함으로써 새로운 세포를 만들어냅니다 세포주기라 일컫는 이 복제와 분열의 주기는 모든 생명체가 번식하기 위한 필수적인 과정입니다. 세포주기는 세포가 자신의 유전정보를 복제해서 다음 세대로 전달하여 주는 과정으로 유전적으로 동일한 두 개의 딸세포를 만들어야 합니다. 그러기 위해서 각 염색체의 DNA는 충실히 복제되어야 하고, 복제된 염색체들은 정확하게 두 개의 딸세포로 나뉘어져 각 세포가 전체 게놈의 복사본을 받을 수 있어야 합니다. 진핵생물은 게놈이라고 하는 세포의 주된 유전정보가 여러 개의 염색체에 분산되어 있기 때문에 세포분열 과정이 복잡합니다. 진핵세포는 정교하게 배열된 세포소기관과 세포골격도 모두 복제되어 두 개의 딸세포에 똑같이 나뉘어져야만 합니다. 진핵세포의 세포주기는 4단계로 구분됩니다. 현미경으로 관찰할 수 있는 가장 극적인 두 가지 현상은 핵이 분열하는 유사분열과 세포가 두 개로 분리되는 세포질분열입니다. 이 두 과정이 함께 세포주기의 M기를 구성합니다. M기는 세포주기 시간 중 극히 일부분에 해당합니다. 하나의 M기에서부터 다음 M기까지의 기간을 간기라고 합니다. 간기는 세포로서 매우 바쁜 시기로서 이 시기를 세포주기의 나머지 3단계로 나눕니다. S기(S=synthesis)는 세포분열의 필수 과정인 핵 dna를 복제하는 시기입니다. S기는 세포가 계속해서 성장하는 G1과 G2 사이에 있습니다. G1기(G=gap)는 M기의 완료와 S기의 시작 사이의 기간입니다. G2기는 S기의 종료와 M기의 시작 사이의 간격입니다. G1기와 G2기는 세포가 세포주기의 다음 단계로 진행할 것인지 아니면 준비를 위해 잠시 더 멈추어야 할 것인지 결정하는 시기입니다. 간기의 전 과정 동안 세포는 계속해서 유전자를 전사하고 단백질을 합성하여 세포의 부피를 증가시킵니다. G1과 G2기는 함께 세포가 성장하고 세포소기관들을 복제할 수 있는 추가적인 시간을 제공합니다. 만일 간기가 단지 DNA 복제만 일어날 정도로 짧다면, 세포는 분열하기 전에 자신의 크기를 성장시킬 시간적인 여유가 없게 되고, 따라서 세포분열을 거듭할수록 세포는 계속해서 작아지게 될 것입니다.

유사분열

유사분열이 시작되기 전에 각 염색체는 복제되어 두 개의 동일한 염색분체를 이루며, 두 염색분체는 표면에 결합된 단백질 간의 상호작용에 의해 전체에 걸쳐 서로 결합되어 있습니다. 유사분열 중 이 단백질들은 분해되며 자매염색분체는 서로 분리되어 독립적인 딸 염색체를 형성하고 이들은 방추사에 의해 세포의 양극으로 끌려가게 됩니다. 이러한 유사분열의 과정은 5단계로 나눌 수 있습니다. 전기에는 복제된 염색체들이 응축되고, 핵 바깥에서 미세관으로 이루어진 유사분열 방추사가 형성되기 시작합니다 전중기에는 핵막이 붕괴되어 방추사가 염색체와 접촉할 수 있게 됩니다. 중기에는 방추사가 모든 염색체를 방추사 중심에 끌어모아 배열시킵니다. 후기에는 복제된 각각의 염색체들의 두 자매염색분체가 동시에 분리되며 방추사가 이들을 세포의 반대 방향의 양극으로 이동시킵니다. 말기에는 분리된 염색체들이 주위로 핵막이 재형성되어 두 개의 핵을 완성합니다.

세포질 분열

M기는 염색체의 분리와 새로운 핵 형성 이외에도 많은 과정을 포함합니다. 세포의 다른 구성성분 즉 막, 세포골격, 세포소기관, 수용성 단백질들이 두 딸세포로 분배되는 시기이기도 합니다. 이는 세포질분열에 의해 이루어집니다. 세포질분열은 보통 후기에 시작되나 두 딸핵 형성이 끝날 때까지는 완료되지 않습니다. 동물세포에서의 세포질분열은 수축환에 의해 일어납니다. 수축환은 원형질막의 세포질 면 쪽의 막 결합단백질에 부착되어 있습니다. 따라서 수축환이 수축하면서 원형질막이 안쪽으로 끌려 들어가게 되어 세포가 두 개로 나뉘게 됩니다. 식물세포는 유사분열 말기가 시작할 무렵 세포질에서 분리된 염색체의 두 집단 사이에 세포벽이 형성되기 시작합니다. 이 세포벽은 원래의 세포벽에 도달할 때까지 계속해서 바깥쪽으로 신장하여 원래의 세포벽과 융합됩니다. 이 과정을 통해 두 개의 세포로 분리됩니다.

감수분열

감수분열은 동물의 생식세포의 형성 과정에서 나타나는 세포 분열로, 두 번의 연속적인 세포 분열(제1 감수분열, 제2 감수분열)을 통해 2n 개의 염색체를 가진 모세포로부터 n개의 염색체를 갖는 4개의 딸세포를 생성합니다. n개의 염색체를 갖는 생식세포는 수정을 통해 다시 2n 개의 염색체를 갖는 수정란을 형성할 수 있습니다. 따라서 세대가 이어질 때 동일한 수의 염색체를 유지할 수 있습니다. 제1 감수분열은 두 쌍의 상동염색체 합쳐진 형태의 2가 염색체가 중앙에 배열된 후 상동염색체가 양극으로 분리되어 2개의 세포를 형성합니다. 그 다음 2개의 세포에서는 DNA 복제나 간기 없이 염색분체가 분리되는 제2 감수분열이 일어나면서 총 4개의 딸세포가 생성됩니다.