[생명과학] 세포 사멸과 감수 분열

 

 

1. 세포괴사(Necrosis)와 세포자살(Apoptosis)

세포가 죽는 기작으로는 크게 세포괴사와 세포자살이 있다. 

 

1) 세포괴사

세포괴사는 상처와 같은 물리적 자극에 의해 발생한다. 소기관과 세포막이 파괴되고 미토콘드리아는 팽창된다. 세포가 죽으면서 에너지 물질이 새로 생성되지 않고 나트륨/칼륨 펌프 작동이 멈춰 세포질에 나트륨이 쌓인다. 삼투압이 걸리면서 물이 유입되어 미토콘드리아가 팽창하는 것이다. 막의 안쪽에 있는 인지질인 포스파티딜 세린은 변화가 없다. DNA는 무작위적으로 파손되고 식세포가 유입되어 죽은 세포를 섭식해 염증 반응이 일어난다. ATP는 소모되지 않는다.

 

2) 세포자살

세포자살은 유전적 신호에 의해 일어난다. 염색질이 응축되고 세포막이 따로 파괴되지 않은 채 기포화 된다. 세포괴사와 달리 미토콘드리아의 변화는 없고 포스파티딜 세린은 세포의 표면으로 노출된다. DNA는 규칙적으로 파손되고 주변의 식세포가 섭식한다. 따로 염증 반응은 일어나지 않으며 세포가 죽는 과정에서 ATP가 소모된다.

 

 

2. 세포자살 메커니즘

세포자살은 두 가지 방법으로 일어난다.

첫 번째 방법은 세포 외부의 Fas 리간드 신호에 의해 시작된다. 그러면 캐스페이스 단백질들이 활성화되어 DNA가 절단된다.

두 번째 방법은 우선 세포 내부의 손상이 발생해 시작된다. 그러면 미토콘드리아에서 시토크롬 c를 방출하고 캐스페이스 단백질들이 활성화되어 DNA가 절단된다.

 

 

3. 세포 사멸 확인 실험들

1) AO(아크리딘 오렌지), EB(브롬화 에티듐) 염색법

AO는 세포막을 자유롭게 통과하기 때문에 삽입 물질로써 DNA와 결합하면 녹색 형광을 띤다.

EB는 세포막을 통과하지 못하기 때문에 삽입 물질로써 DNA와 결합하면 붉은색 형광을 띤다.

 

살아있는 세포는 녹색으로 보이며 핵 모양이 온전하다.

세포자살 초기에는 밝은 녹색으로 보이며 핵이 응축되거나 분절화된다. 세포막을 통과하는 AO가 더 많이 들어오기 때문에 밝은 녹색을 띠는 것이다.

세포자살 후기에는 기포화 되는 과정에 EB도 들어오게 되면서 오렌지색으로 나타나며 핵이 응축되거나 분절화된다. 

세포가 괴사할 경우 AO와 EB가 모두 들어오면서 오렌지 색으로 나타나며 핵 모양이 온전하다.

 

2) 트리판 블루(Trypan blue) 염색법

트리판 블루는 세포막을 자유롭게 통과한다. 그리고 세포자살 후기나 세포괴사 중인 세포만 푸른색으로 염색된다.

 

3) 젖산 디하이드로제네이스 방출 확인

세포자살이나 괴사가 일어나면 세포질의 성분 중 하나인 젖산 디하이드로제네이스가 세포 밖으로 방출된다.

 

4) 시토크롬 c 에세이

항-시토크롬 c 항체를 이용해 시토크롬 c 단백질이 미토콘드리아에서 세포질로 방출되었는지 확인할 수 있다.

 

5) 아넥신 V 에세이

세포를 얻은 뒤 PBS 완충 용액으로 씻어낸다. 그리고 2.5mM 염화칼슘이 들어 있는 완충 용액과 FITC-아넥신 V와 프로피디움 요오드화물을 처리한다. 마지막으로 형광 유세포 분류기로 분석한다.

 

6) DNA 절편화 관찰

세포들을 얻은 뒤 10mM Tris-HCl, 5mM EDTA, 0.2% 트리톤 X-100 완충 용액을 처리한다. 흔들어 반응시킨 후 원심분리한다. 그리고 상층액을 얻어 5M 염화나트륨을 처리한다. 100% 에탄올과 아세트산 나트륨을 처리하고 원심분리한다. 이번엔 침전물을 얻어 TE 완충 용액에 녹인다. 그리고 RNase를 처리한 후 프로테이나아제 K를 넣어 반응시킨다. 페놀/클로로포름 추출법으로 상층액만 얻어 전기영동을 수행한다. 세포자살이 일어나면 DNA가 규칙적으로 절단되고, 세포괴사가 일어나면 무작위로 절단된 것이 관찰된다.

 

7) 투과 후 DNA 염색

에탄올 혹은 계면활성제를 처리하여 절편화 된 DNA들은 세포 바깥으로 새어나온다. 프로피디움 요오드화물을 처리해 염색하고 형광 유세포 분류기로 분석한다.

 

 

3. 감수분열 (생식세포 분열)

유성생식은 핵상이 n인 정자와 난자가 수정해 2n이 되는 생식법이다. 세대를 거치면서도 고유한 염색체 수를 유지하기 위해 감수분열을 해서 염색체 수를 반으로 줄인다.

 

1) 감수분열 과정

(1) 제1 감수분열 전기

두 개의 자매염색분체로 구성된 상동염색체들이 서로 짝을 이룬다. 사분염색체는 상동염색체가 접합복합체로 짝을 이룬 구조를 뜻한다. 상동염색체 안에 있는 대립 유전자들은 서로 같은 순서로 관찰된다.

 

(2) 제1 감수분열 후기

사분염색체에서 상동염색체들이 분리되면서 각 상동염색체가 양쪽 끝으로 이동한다. 슈고신 단백질이 코헤신이 분해되는 것을 막아 자매염색분체 쌍은 분리되지 않은 채 같은 끝으로 이동한다.

 

(3) 제1 감수분열 말기와 분열 간기

아주 짧게 나타나는 일시적인 단계로 생물에 따라 핵막은 생기기도, 생기지 않기도 한다. 이후의 과정은 체세포 분열과 똑같이 진행된다.

 

2) 감수분열과 교차

제1 감수분열 전기에 접합했던 상동염색체 쌍 사이에서 DNA 일부분이 서로 교차되기도 한다. 그 교차점을 키아스마(Chiasma)라고 한다. 교차 현상은 4개의 염색분체 중에서 어느 2개 사이에서든 나타날 수 있으며 일어나는 위치도 무작위로 관찰된다.

 

3) 유성 생식의 유전적 다양성

암컷과 수컷의 무작위적인 교배, 제1 감수분열 전기에서 일어나는 교차 그리고 제1 감수분열 후기로 진행될 때 상동염색체 쌍이 무작위적으로 분리되는 것에 의해 유전적 다양성이 나타난다.