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발생생물학의 역사

복잡한 생물의 발생은 인간 호기심의 대상 Embryology란 embryo에 대한 연구를 의미, embryo의 형태 발생에 대한 記述을 의미 생명은 한 개의 세포인 난자로 부터 시작. 이 난자는 몸의 모든 세포를 만들어 낼수 있는 잠재력이 있다는 점에서 다른 세포와 구별됨.

발생의 원동력은 난자 속에 있고 이는 부모로부터 유전한다. 난자 자체도 부모 몸의 일부였다. 그러므로 연속성이 중단되는 일은 없다. 그러나 부모 몸속에서 일어나던 생명과정의 단순한 연속인 것은 아니다. 발생이 흥미로운 것은 아주 짧은 기간에 아주 다양한 결과가 일어 난다는 신속성 때문이다. (E. B. Wilson, The Cell in Development and Heredity,3rd ed.,1925)

난자는 하나의 세포이다( Schwann, 1839). 정자도 하나의 세포이다 (1865).
참조 : 식물의 세포설 (슐라이덴, 1838), 동물의 세포설 (슈반, 1839)

수정은 정자와 난자의 결합이다. (Oscar Hertwig, 1876)
참조 : Gregor Johann Mendel의 식물 잡종에 관한 실험, 1865

수정시 핵의 기여는 동일하나, 세포질의 기여는 동일하지 않으므로 핵이 유전의 도구인 듯 하다. 발생에서의 핵의 역할이라는 새로운 시대가 개막하였다. 세포 학자(cytologist)들은 핵내의 염색체에 관심을 갖기 시작하였다.

19세기의 생물학에서 유전학과 발생학은 분리되어 있지 않았다. 인자형에서 표현형으로 가는 길에는 발생 과정이 놓여 있다. (Thomas Hunt Morgan, 1926) 모간은 발생 초기 단계의 분화의 힘이 핵이 아닌 세포질 속에 있다고 주장한 발생학자. 오늘날 우리들이 유전자라고 부르는 것을 멘델은 form-building element라고 불렀다.

 

van Beneden, 1883은 선충, Ascaris megalocephala의 정자와 난자의 염색체 수가 각각 2개이고 수정난의 염색체 수가 4개임을 관찰하였다.

염색질이 유전의 물리적 기초이다. (E. B. Wilson, The Cell in Development and Inheritance, 1896)

August Weismann, 1883의 germ plasm theory : 발생과 유전과 진화를 설명하기 위한 이론 정자와 난자의 염색체 기여는 질적, 양적으로 동등하다. 염색체상의 determinant는 딸세포에 부등 분배된다. 수정난이나 생식 세포는 決定子(determinant)의 全構成을 가지나, 기타 세포는 혈액 형성 결정자(blood-forming determinant)나 근육 형성 결정자등 일부의 결정자를 갖게 될 것이다. 각 세포로의 핵내 결정자의 상이한 분배에 의해 분화가 일어난다. 세포분열시마다 결정자의 일부가 소실되어 가며, 이리하여 세포의 운명이 고정되어 간다.

rm line은 연속되며 불멸이다. 이설에 따르면 획득형질의 유전은 불가능해 진다. 갓 태어난 mouse의 19세대에 걸친 꼬리 짜르기 실험을 행하다. (August Weismann,The Germ Plasm, 1892)

참조 : Charles Darwin의 잠정 가설, 유전과 발생의 입자적 단위(pangene, gemmule)를 가정, 이는 각 세포에 존재하며 변화 가능하다. 생식 세포 형성시 형질의 전달을 위해 생식 세포로 되돌아 간다. 그러므로 획득 형질의 유전을 인정한다. (가축과 식물 재배의 변이, 1868에서 주장되었으나, 종의 기원 제 6판, 1872에서는 삭제됨)

Wilhelm Roux, 1888는 좌우 결정인자의 분리를 알아 보기 위하여 개구리 embryo의 반쪽을 열침으로 찌르는 실험을 행했다. 실험 발생학의 아버지. 생각을 증명하기 위한 수단으로서 실험을 최초로 행하다. 최초로 배자의 조작을 행하다. 실험결과는 배자의 半이 전체 유전 정보의 半을 가지고 있으므로 나타난 현상이며, 개구리의 각 세포는 자기 분화 능력을 갖고 있다고 결론 내렸다. (mosaic development)

Hans Driesch , 1892는 심한 진탕(후에는 Ca++ 없는 해수)에 의한 성게 배의 분리 실험을 행하여 각 세포가 접합자의 모든 발생 잠재력을 갖고 있는 것을 보였다.
각 할구는 상황의 변화에 따라 발생을 조절할 수 있다. (regulative development)

성게 제 3난할의 방향을 바꾸는 실험을 행해도 정상 발생하였다. 실험의 결과에 대한 해석으로서, 그는 성게의 배자가 調和等能系(harmonius equipotential system)이며, 할구의 운명은 발생 도중의 할구의 상대적인 위치에 의해 결정되나, 예정된 운명(prospective fate)보다 예정된 능력(prospective potency)이 더 중요하다고 결론 내렸다.

Driesch는 배발생이 발생과정을 방해 받아도 내부의 영혼과 지혜에 의해 이를 극복하는 것으로 믿고 기계론적 연구를 중단, 新生氣論(vitalism)적 철학 교수로 전환함. 기계론(Descartes,방법 서설,1637), 생명기계론(Loeb, Mechanistic Conception of Life, 1911) 참고 : 전체와 부분의 성질에 관한 철학적 고찰, 조화등능계의 개념 전체론적 생명관과 환원 주의(holist organicism vs. reductionism) 단어의 뜻은 문장내의 다른 단어와의 관계 및 문장의 의미에 의해 제한 된다. 아버지가 방에 들다.

개구리 배자의 분리, 결찰 실험, 열침에 찔린 개구리 반배자의 제거 실험이 뒤따르다.(J.F. McClendon,1910) 정상 발생 과정을 방해하는 제거, 이식, 원심분리등의 배조작 실험이 잇따르다.

유전 정보는 발생 과정에 어떻게 관여하는가?
염색체와 발생과정의 관계에 대한 연구
Theodor Boveri, 1902는 성게의 2정자 수정(dispermy)에 의해 생겨나는 염색체의 異數性(aneuploidy) 과 발생의 관계를 관찰하였다. 멘델의 법칙 재발견(1900)후 2년이 지났지만, 그는 여전히 멘델의 법칙을 모르고 있었다. 발생 pattern은 염색체의 조합에 의해 정해진다고 실험 결과를 해석하다.

염색체說
유전학과 세포학(cytology)의 만남 Walter Sutton, 1902은 감수분열에서 염색체의 對合, 분리를 관찰하여 유전 인자(유전의 단위, 유전자)가 염색체상에 존재한다는 것을 포함하여, 멘델 유전 법칙들의 세포학적 의미를 지적하였다. 또한 연관의 개념을 예측하였다.
Nettie Stevens, 1905는 92종의 곤충에서 여성은 XX, 남성은 XY나 XO이므로 X염색체가 성의 발생을 조절한다고 주장하였다. 그는 모간의 제자였다.

Thomas Hunt Morgan에 의한 說의 완성, 전달 유전학(transmission genetics)의 시작

 

유전이란 부모로부터 자식에게 유전자를 전달하는 것을 이른다. (개념의 구상화) 유전자는 염색체상에 존재한다.
유전자는 염색체상에서 특정한 위치(좌위, locus)를 차지하고 있다.
유전자가 염색체상에 선상 배열하고 있다.

 

초파리는 유전 연구의 이상적인 실험 동물이었다.
초파리 침샘 다사 염색체(polytene chromosome)의 띠는 염색체의 marker구실을 하였다.
유전학과 세포학의 再遇였다. 세포 유전학(cytogenetics)의 출발 ; 염색체의 전좌, 결실, 중복 연구에서 염색체 지도를 만들다.

유전자와 세포와 발생의 관계
전체 생물의 특징은 개개 세포 특징의 집합 결과이다.
발생이란 여러 가지 유전 형질이 시공간에서 차례대로 출현하는 것을 말한다.(E. B. Wilson)
세포가 특정한 구조와 기능을 갖게 되는 것을 세포 분화라 한다.
세포 분화의 시공 조화는 어떻게 일어 나는가?
핵과 세포질은 어떻게 협력하는가?
이 문제들은 예상과 달리 전달 유전학과 세포학의 연계만으로는 해결될 수 없었다. 분자 생물학과 생화학의 도움을 기다려야 했다.

일부의 embryologist들은 배자의 기본구조가 순수하게 발생학적인 mechanism에 의해 만들어 진다고 믿었으며 유전자의 기능이란, 끝손질 정도로 눈색이나 강모수, 꽃잎의 색을 정해 주는 정도라고 생각했다.
유전학자는 발생학자를 구식이라 생각하여 반목하였다.
1920,30,40년대의 발생 연구의 중점은 배자 발생의 記述과 배자를 구성하고 있는 세포들의 상호 작용및 재배열에 두어져 있었다.

연구의 중점은 바뀌었으나 연구의 열기는 줄지 않았고 발생 연구의 황금 시대였다.

  1. 각세포의 염색체가 동일하다면 세포의 분화는 어떻게 설명할 것인가?
  2. 그당시의 알려진 모든 유전자는 최종 손질(눈빛, 강모수)에만 영향을 주는 듯 한데 발생의 중간 과정에는 어떻게 관여하는가? 즉, 파리 등위의 강모수가 아닌, 파리 등은 어떻게 만드는가?
  3. 환경에 의한 성결정과 같은 것은 어떻게 설명할 것인가?

배자 세포의 점진적 운명 결정(Hans Spemann, 1918-1938)
도롱뇽 newt의 수정난을 부분 결찰하고, 16세포기의 핵이 빠져 나간 뒤 완전 결찰하여 두 배자가 발생함을 관찰하다.
발생 초기의 핵은 유전적으로 동등함을 확인하다.
수정난을 동식물극을 연결하는 자오선 방향으로 결찰하되, 하나는 제 1난할면으로, 다른 하나는 이와 수직되게 결찰하여 그 발생 경과를 관찰하였다. 수정난의 비대칭성을 확인하다.
낭배 초기와 후기의 배자에 대한 이식 실험을 행하여 낭배 초기의 세포는 운명이 미정이나 낭배후기의 세포는 운명이 고정되어 있음을 확인하다.

도롱뇽 newt 낭배 초기 세포의 예정 능력(prospective potency)은 예정 운명(prospective fate)보다 더 크다.
이들 세포는 그 운명이 배자내의 위치에 좌우되므로 상황성 혹은 조절성 혹은 의존성 발생(conditional, or regulative, or dependent development)을 보이게 된다.
이에 비해 낭배 후기의 이식된 세포는 자율 혹은 독립 혹은 모자이크 발생(autonomous, or independent, or mosaic development)을 보인다.
운명 결정된 세포는 뚜렷한 분화 특징을 보이지 않을 수도 있다. 세포 운명 결정의 분자 메카니즘은 미해명인 채 남아 있다.

일차 배자 유도, Primary embryonic induction (Hans Spemann, Hilde Mangold, 1924) 유미류 Triturus 낭배 초기의 원구 배순을, 체색이 다른 유미류의 초기 낭배에 이식하여 두번째의 배자축이 형성됨을 관찰하였다.

원구 배순은 낭배 초기의 유일하게 운명이 결정되어 있는 부분이다. 이식한 부분이 주인 조직과 손님 조직(host and donor tissue)을 짜맞추어 전후축과 배복축이 있는 2차 배자를 만들어 내었으므로 Spemann은 이를 형성체(organizer)라고 불렀다.

척삭 중배엽과 외배엽의 상호작용만으로 완전한 배자를 짜맞출 수(organize) 있는 것은 아니다. 배자의 한 부위가 다른 부위와 상호작용하여 그 부위의 분화에 영향을 미치는 경우를 유도(induction)라 한다. 배자 발생 도중에는 많은 유도가 일어 나며 원구 배순에 의한 유도 이전에도 유도가 일어나지만 전통적으로 원구 배순에 의한 유도를 일차 유도라고 부르고 있다. Mangold는 26세로 논문 발표중 비극사, 학위 논문이 노벨상에 연결.

대단한 연구열이 이어졌으나 형성체의 성질과 유도의 정체를 밝혀 내는 데에는 실패하였다. 일차 유도의 연구는 성장 인자(growth factor)의 연구와 분자 생물학의 발달을 기다려야 했다.

성게 초기 배자의 분리 실험(Horstadius, 1928-1935)
성게 8세포기의 배자를 수직, 수평 방향으로 각각 분리하여 발생을 관찰하였다. 성게 난자를 수직, 수평 방향으로 각각 분리한 뒤, 수정시킨 다음 발생 과정을 추적하였다. 성게 64세포기 배자의 6층의 세포의 발생을 추적하고, 다시 이들 층을 분리, 재결합시키는 실험을 행한 뒤 발생을 관찰하였다. 초기 성게 배자의 비대칭성, 난자의 비대칭성, 세포간 상호작용에 의한 운명의 조절을 확인하다.
참고 : 전사 조절 인자의 존재에 의한 재해석이 시도 되다. (1989, 1993, Davidson)

발생학자들은 유전자의 기능에 무관심했지만, 유전학자들은 발생이 유전적 조절을 받을 것임을 믿었다. 기본적인 발생 과정에 이상을 일으킨 새로운 돌연변이체(mutant)의 발견이 이를 지지해 주었다. 가장 놀라운 돌연변이체는 초파리 발생의 pattern formation gene 의 돌연 변이체들이었다. Bithorax gene complex 중의 어떤 유전자의 돌연 변이는 haltere를 날개로 바꾸어 쌍시류임에도 타곤충처럼 한쌍의 날개 대신 두쌍의 날개를 갖게 한다. 이들 유전자에 대한 철저한 연구로 초파리 body plan에 관한 많은 지식을 갖게 되었다.

발생에 흥미를 갖고 있던 1930,40년대의 유전학자들은 유전자가 어떻게 스스로를 표현해 내는 지에 관심을 가졌다.
인자형과 표현형의 관계, 유전자 개념의 변천. 유전자와 대사의 관계 (Archibale Garrod, 1909, inborn errors of metabolism)
1 유전자-1효소의 가설 (George Beadle and Edward Tatum, 1941). 1
유전자-1폴리펩타이드의 개념. Genetic code 의 해명 (Nirenberg and Khorana, 1966)

 

유전물질의 정체는 DNA이다.


Transforming principle의 정체는 DNA이다 (Oswald Avery, 1944).
Bacteria 에 들어 가는 bacteriophage의 물질은 DNA이다 (Hershey and Chase, 1952).
DNA의 2중 나선 구조를 밝히다 (Watson and Crick, 1953).
DNA의 복제는 반보존적이다 (Meselson and Stahl, 1958).

발생중의 유전자의 역할과 세포 분화의 mechanism을 이해하기 위해서는 생화학(Biochemistry), 세포 생물학(Cell Biology), 분자 생물학(Molecular Biology)의 도움이 필요했다. 생화학은 단백질과 효소에 관한 분야. 세포생물학은 세포 소기관의 구조와 기능, 전자 현미경의 분야. 분자 생물학은 DNA의 분야내지 재조합 DNA 기술(Recombinant DNA technology)의 분야. 분자 생물학의 중심원리(Central Dogma in Molecular Bilology) : 복제, 전사, 번역 유전자의 기능을 조절하기 위한 뉴클레오타이드 서열(nucleotide sequence)이 존재한다.

Jacob과 Monod, 1961의 operon 모델

세균 Escherichia coli가 lactose 존재하에서 새로운 효소를 만들어 내는 이른바, -galactosidase 유도 현상을 설명하기 위해 operon 모델을 제안하였다. 1961년의 어느 review에서 그들은 오페론식 조절 메카니즘이 보편적인 유전자 조절 방법일 것이라고 강조하였다.

메워야 할 가장 큰 틈은 발생학과 유전학 사이의 틈이다. 세균을 이해한다면 코끼리의 발생도 이해할 수 있게 될 것이다. 풀어야 할 문제인, 세포가 동일한 genome을 가지고 어떻게 분화하는 가의 문제는 미생물이 새로운 기질을 만났을 때, 새로운 효소를 만들어 내는 적응 효소 합성(adaptive enzyme synthesis) 의 연구를 통해 해답을 알아 낼 수 있을 것이다. (Jacques Monod, 1947-1961)

게놈 等價性(genome equivalence)의 증명을 위한 개구리 핵이식 실험

Robert Briggs와 Thomas King, 1952-1956은 포배기의 핵을 Rana pipiens의 핵이 제거되고, 활성화 되어 있는 난모 세포에 이식하여 완전한 올챙이가 생겨 남을 관찰하였다. 그러나 낭배기이후의 핵은 급격히 이러한 능력을 상실하였다.

John Gurdon, 1962은 xenopus 올챙이 소장 내배엽 세포 핵의 이식 실험에서, 연속 이식(serial transplantation)이 올챙이로 되는 빈도를 향상시킨다고 보고 하였다. 또한 King등의 비평에 답하기 위해, 다 큰 개구리 발의 물갈퀴막에서 상피세포를 떼내어 배양한 다음, 그 핵을 이식시키는 실험도 행하였다. 첫 세대에는 어느 것도 낭배기 바로 다음의 신경관 형성 단계까지 진행하지 못했다. 그러나 연속 핵이식을 통해서는 많은 올챙이가 생겨 났다(Gurdon et al., 1975)

Sally Hennen, 1970은 핵을 spermine으로 처리하거나 난자를 차갑게 함으로써 핵이식의 성공율이 증가된다고 보고 하였다.

핵의 totipotency에 대한 시비는 있을 지라도 핵이 아주 pleuripotent 하다는 것에 대한 의심은 없어 졌다.

게놈 等價性(genome equivalence)에 대한 다른 증거,
Metaplasia (化生, 변질 형성)
Yamada 등, 1966의 도롱뇽 눈 재생 (Wolffian regeneration, 1894)에 관한 연구 완전히 분화되어, 색소를 갖고 있던 홍채 세포가 색소를 버리는 탈분화를 시작한다. 계속 분열하여 제거된 렌즈 부위에 탈분화된 細胞球를 형성한다. 이들 세포는 렌즈 세포의 분화 산물인 결정 단백질(crystalline protein)을 합성하게 된다. 정상적으로 렌즈는, 망막 전구세포의 유도를 받아, 머리의 상피 세포층으로부터 형성된다.

RNA 합성의 상이성

게놈의 등가성(genome equivalence)과 E. Coli의 operon model을 바탕으로 하여 1960년대에 들어서자 세포가 유전자 차등 발현(differential gene expression)을 통해 발생을 조절한다는 합의가 형성되었다. 이러한 합의에는 3가지 가정이 내포되어 있다.

  1. 모든 분화된 세포의 DNA는 동일하다.
  2. 분화된 세포의 미사용 유전자는 표현될 잠재력을 갖는다.
  3. 게놈의 일부만이 각 세포에서 표현될 뿐이다.

Beerman, 1952은 다사 염색체(polytene chromosome)의 줄무늬 유형(banding pattern)이 유생 시기를 통해 일정하며, 여러 세포간에 비교해도 염색체의 소실이나 부가가 없다는 것을 보고하였다. Becker, 1959는 초파리 다사 염색체에 부풀림(puff)이 형성되는 부위가 있음을 발견하였다. 이들 puff은 조직에 따라 염색체상의 다른 부위에 나타났으며, 세포의 발생에 따라 모양이 변화하였다. Beerman, 1961은 puff 형성 형질의 교잡과 침샘 단백질 생산의 관계를 연구하여 관련성이 있음을 보고하였다. Lambert, 1972는 Chironomus tentans의 Balbiani ring 2(BR2)를 미세수술(microdissection)에 의해 분리하여 그 산물이 RNA이며, in situ hybridization의 실험으로 BR2에서 전사가 일어 남을 보였다.

세포 분화에 수반하는 세포 구조 및 기능의 변화에 관한 연구는 조류(algae)와 점균류를 대상으로 하여서까지 행해졌다. 발생이 대상으로 하는 기간도, 발생 과정이 느리긴 하나, 개체의 전생애에 걸쳐 일어남을 주목하여 더욱 길어지게 되었다.

발생 생물학은 복합 분야이다. 하나의 수정란으로부터 인간이 형성되는 과정은 매력적이다. 발생 초기의 세포는 전능(totipotent)하지만 발생의 진행에 따라 세포의 운명이 차츰 결정(progressive cell commitment)되어 지며, 세포의 분화(cell differentiation)는 차등 전사(differential transcription)에 의해 일어나게 된다. 형태 형성 도중, 더러의 세포는 목적지까지 먼 거리를 이동하는데 이러한 경우에는 이들 세포와 이웃세포와의 세포-세포 상호 작용(cell-cell interaction)이 중요한 역을 맡는다.

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