현대생물학 (의과대학 자료)

5장 암 -세포주기와 세포분열-

5.1 암이란 무엇인가?

암(cancer) :세포분열을 조절할 수 있는 능력을 상실했을 때 발생하는 병

세포분열(cell division) : 자기와 같은 사본을 만들기 위해 세포가 수행하는 과정, 암 화된 세포는 신체의 통제를 받지 않고 분열하는 반항적인 세포

종양(tumor) : 몸에서 명백한 기능을 수행하지 않는 조직덩어리

양성(benign) : 주위 다른 조직에는 영향을 끼치지 않는 종양

악성(malignant) : 침투성 종양 = 암

전이(metastasis) : 암이 생긴 세포가 그 주위를 벗어날 수 있고 다른 곳에서 암을 만들 수 있는 것

림프계와 순환계를 따라 몸의 어느 부위에나 돌아다닐 수 있음

림프계 - 모세혈관으로부터 빠져나온 액체 수집

림프절(lymph node) 림프액을 여과시킬 수 있는 작은 관

 

암세포와 정상세포의 차이점

1. 암세포는 분열이 되지 말아야 할 때 분열한다,

2. 암세포는 다른 조직에 침범한다,.

3. 암세포는 몸 안의 다른 장소로 이동한다. 세포분열이 일어나는 어떠한 조직도 암이 될 가능성이 있다.

 

5.2 세포분열

세포분열의 목적 : 상처 치료, 손상된 세포 대처하여 조직과 기관이 자라도록 도움

세포주기(cell cycle) : 세포가 분열할 때 생기는 모든 사건들

1개 세포가 2개의 동일한 세포로 분열하는 동안, 핵 안에 있는 DNA가 먼저 복제되어야 하고, 각각의 사본들이 2개의 딸세포로 동일하게 나누어져야하며 마지막으로 원래의 모세포는 2개의 분리된 딸세포를 형성하기 위해 반으로 나누어져야함

 

DNA 세포분열 전에는 응축되어이 있지 않고 실과 같은 형태로 존재

염색체(chromosome) : 응축된 직성형의 DNA 구조

자매염색분체( sister chromatid) :

동원체 (centromere) : 염생체 중앙 부위에서 서로 결합된 구조

간기(interphase) : 염색체를 구성하고 있는 DNA 복제됨

체세포분열(mitosis) 동안 복제된 DNA는 2개의 딸세포로 각각 동일하게 분리

세포질이 나뉠 때 2개의 분리된 딸세포가 생김 => 세포질분열(cytokinesis)

 

간기

대부분의 시간

G1 준비단계 1 : 세포소기관(organelle)이 복제, 세포성장

S 합성단계 : 염색체가 실제로 복제

G2 준비단계 2 : 체세포분열을 안성시키게 하는 몇 종류의 단백질이 만들어짐, 염색체 분리 준비, 세포성장

=>

체세포분열 - M

새로운 세포로 염색체가 이동 연속적으로 일어나는 세포질 분열을 통하여 유전적으로 동일한 딸세포가 생성

 

극 중싱립

 

전기(prophase) -미세소관(microtubule) 단백질 구조가 형성 세포의 양극에서 생성, 핵막 붕괴

중심립(centriole) 미세소관 정박

중기(metaphase) 복제된 염색체가 각 세포의 양극 중앙= 적도판(equator)에 배열, 염색체 일렬 정렬

후기(anaphase) 미세소관이 짧아지면서 자매염색분체 각각 분리 = 분열하고 있는 각 세포 양극으로 이동

말기(telophase) 새로 형성된 딸핵들 주위로 핵막 형성, 염색체가 응축되지 않은 형태를 뛰게 됨

->

 

세포질분열(cytokinesis)

세포의 이동을 의미

동물세포 : 세포질은 세포밖을 둘러싸는 단백질 띠에 의해 분리

 

세포주기의 조절

정상세포는 세포주기를 통해 고정된 방식에 의해 진행되는 대신 검문점(checkpoing)이라고 하는 곳에서 세포분열을 멈춤

 

G1 검문점

세포가 분열하기에 충분한 영양소를 지녔는가,

세포의 크기가 적당한가?

성장인자가 존재하는가?

성장인자(growth factor) : 세포가 분열할 수 있도록 촉진하는데 필요한 단백질이 존재하는 지를 평가

G2 검문점

DNA가 제대로 복제되었는지

크기가 적당한지

세포가 분열하기에 충분하게 성장했는지를 조절

 

중기 검문점

염색체가 미세소관에 알맞게 부착되어 세포분열이 제대로 진행되는지를 확인

 

3개의 검문점에서 세포분열에 관한 비관적 결론을 내리면 세포분열을 멈추게 된다.

 

돌연변이 (mutation)

 

단백질들이 그들의 합성에 관한 정보를 가진 유전자의 변화

원종양유전자(proto-oncogene) : 세포주기를 조절할 수 있는 단백질에 대한 정보를 제공하는 유전자

종양유전자(oncogene) : 원종양유전자에 변이가 일어났을 때의 유전자

종양유전자는 세포분열을 과도하게 촉진하여 G1 검문점을 무시하고 지나가게 함

er2 유전자: 난소암에 관련, 성장인자에 대한 수용체를 만드는 정보를 가진 유전자

수용체에 변이가 생기면 세포는 성장인자가 없는 경우에도 마치 세포내에 성장인자 많이 존재하는 것처럼 행동

 

종양억제자 (tumor suppressor) : 조건이 좋지 않을 때 세포분열을 억제하는 단백질에 대한 정보를 지님

원종양유전자에 변이가 일어났을 때 보완적 기증을 수행

 

p53유전자 : G2 검문점에서의 손상된 DNA를 치료할 것인지, DNA의 손상이 심할 경우 치료를 포기하고 세포를 사멸시킬지를 결정

암절반이 p53 유전자의 돌연변이

 

BRCA2가 G2시기 손상된 DNA를 치료하는데 관련된 단백질

 

몇몇 암세포는 주위 혈관의 성장을 촉진가능

혈관을 불러들이거나 경로를 바꾸게 하는 물질을 분비하여 혈관을 통해 산소(세포호흡)와 다른 양분을 발생되는 종야에 공급

혈관신생(angiogenesis)

 

정상세포에 비해 암세포의 성장이 우세

 

정상세포는 접촉저해(contact inhibition)라는 성질을 지님

세포가 분열하여 서로 층으로 쌓이게 될 경우 분열을 하지 못하게 하는 성질

암세포는 계속 분열 -> 종양을 형서

 

정상세포는 한 장소에 머무르기 위해 아래층 세포와 약간 접촉하는 것이 필요

부착의존성(anchorage dependance)이란 형상에 의해 한 장소에 붙을수있음

암세포는 다른세포와의 접촉이 필요가 없어짐

 

정상세포는 정해진 수만큼 분열하도록 되어있고 (보통 60~70번) 그후에 사멸

암세포는 제한된 수명을 따르지 않고 불멸화(immortal)되어 계속 성장

초기 발생 후에 발현이 멈추어진 유전자를 활성화시킬 수 있기 때문

텔로머라아제(telomerase)라른 효소 형성 정상세포 발생 초기와 암세포에서만 황성을 갖고 세포가 무제한으로 분열할 수있게 한다.

 

위험인자(risk factor)

어떤 질병에 걸리게 될 확률을 높여줄 수 있는 행동이나 노출 또는 기질

담배, 음식, 나이 피임약

 

5.3 진단과 치료

조직검사 및 수술

조직검사(biophy) 몇몇 세포나 조직 또는 액체를 외과적으로 제거하여 그들이 암에 걸렸는지 아닌지를 판단하는 방법 / 암세포는 무질서한 형태 바늘을 통한 조직검사 복강경(laparoscope)-소형카메라

 

화학요법 및 방사선 치료

화학요법(chemotherapy) 혈액 속으로 화학물질을 주입하여 분열하고 있는 세포들만을 선택적으로 죽이는 것

시스플라틴(미세소관이 짧아지는 것을 막아 체세포분열을 중지시킴

방사선(radiation) 치료 : 고에너지를 이용하여 세포에 손상을 주거나 파괴하여 그들이 가진 DNA에 손상을 주어, 세포가 증식하는 것을 불가능하게 한다. 보통 신체 표면에 암이 있을 때 사용

 

6장 DNA 검사 -DNA구조와 복제, 감수분열-

6.1 염색체와 DNA

염색체(chromosome) 세포의 핵 안에서 발견되는 DNA의 응축된 형태

DNA:deo-xyribonucleic acid

 

가설검증의 논리

46개의 염새체 : 상염색체(autosome) 22쌍의 성을 결정하지 않는 염색체

성염색체(sex chromosome) 한 쌍의 성 결정 염색체

핵형(karyotype) : 한 개인의 염색체들의 사진

대부분 백혈구에서 분리된 염색체에 의해 작성

백혈구는 혈액에서 분리되며 콜히친(colchicine)이라 불리는 약품 처리

미세소관 기능 불능- 직선모양이 아닌 x형 염색체를 보임

상동염색체쌍(homologous pair) 같은 위치의 동워너체를 중심으로 같은 크기와 모양에 따라 쌍을 이룬 염색체의 쌍

- 각 상동염색체는 같은 유전자를 지님, 같은 형태일 필요는 없음. -대립유전자

 

핵형에서 44개의 상염색체를 쌍 지은 후 성염색체를 쌍 지으면 각 개인의 성별을 결정할 수 있음.

 

DNA구조

이중가닥으로 서로 감겨 이중나선 구조를 만듬

이중나선 가닥은 뉴클레오티드(nucleotide)라는 화학적 구조물로 길게 이어짐

당, 인산과 질소를 함야후나 염기로 구성

 

DNA에 있는 당은 5탄당인 디옥시리보오스(deoxyribose)

DNA의 질소 함유 염기(nitrogenous base) 4개의 다른 화학적 구조물 중 하나

각각 아데닌(adenine), 구아닌(guanine), 티민(thymine), 시토신(cytosine)

뉴클레오티드 : 수산기(OH)와 인(P) 그룹의 결합에 의해 생기는 인산디에스테르 결합(phosphodiester bond)에 의해 나선을 따라 길게 서로 연결

 

아데닌 항상 티민과 결합 구아닌은 시토신과 결합

상보적(complementary)라는 용어는 이들 쌍을 표현하는 용어

A-T , G-C 상보적

DNA나선은 한쪽가닥의 뉴클레오티드 서열로 다른 쪽가닥의 서열을 알 수 있음

염기쌍 규칙(base-pairing rule) 결과로 DNA나선의 폭은 항상 일정

나선의 가로축에는 항상 3개의 고리구조가 존재

질소를 함유한 염기는 나선의 가로축을 통해 수소결합이라고 하는 약한 결합에 의해 결합되어있다.

(A:T염기쌍 2개의 수소결합) , G:C 결합은 3개의 수소결합을 지님

나선의 각 가닥은 나선을 따라 교대로 당과 인산이 나타남

당-인산 골격(sugar-phosphate backbone)을 이룸

이런 이유로 나선의 이중가닥은 역평행(anti-parallel)

 

6.2 DNA 지문법

제한효소(restriction enzyme) : 뉴클레오티드 서열을 자를 수 있는 효소

제한효소는 특이적 뉴클레오티드 서열을 가진 DNA만을 잘라냄

각 개인은 각기 다른 뉴클레오티드 서열을 지니기 때문에 각각 크기가 다른 조각들이 나타남

이 조각들의 크기는 아가로즈 젤(agarose gel)을 이용하여 결정

전류가 흐르면 젤은 작은 DNA조각들보다 큰 DNA들이 전개되는 것을 더 방해하여 아래쪽(양전하)으로 끌어당긴다. 크기별로 분류

여과종위로 옮겨 DNA나선의 이중가닥 사이의 수소결합을 끊기 위해 화학약품을 처리

1. 2명의 사람들로부터 얻은 DNA 서열을 제한효소로 자르면 서로 다른길의 절편들이 생성

2. 이들 절편들이 젤을 통해 이동하면서 전류를 받으면 짧은 절편들은 큰 것들에 비해 더 빨리 이동

3. DNA 절편들을 여과지로 옮겨 수소결합을 깨기 위해 화학약품 처리하면 단일가닥의 DNA가 생성

4. 여과지 위에 있는 DNA를 상보적인 서열에 결합할 수 있는 방사선을 띠는 단일가닥의 DNA탐침을 이용하여 표지

5. 여과지를 X선 필름에 노출시키면 방사선을 띠는 DNA서열(여기서는 탐침이 결합되어 있다)은 특이적인 밴드 유형, 즉 DNA지문을 만들어낸다.

 

6.3 부모로부터 자녀에게 DNA가 전달되는 방법

감수분열 : 정소와 난소세포에서만 일어나는 핵분열의 한 종류

감수분열 동안 DNA를 함유한 염색체는 복제되어 특이적인 성세포인 생식세포(gamete) 남성의 생식세포를 정자세포(sperm cell), 여성의 생식세포 난세포(egg cell)

사람의 체세포에 존재하는 46개의 염색체는 실제로 염색체 24쌍으로 이루어져있음을 알 수 있다. 상동염색체쌍은 크기,모양과 동원체의 위치가 같다.

염색체 전체에 걸쳐 같은 유전자들을 가지고 있으나, 대립유전자가 같은 유전자일 필요는 없다.

 

감수분열이 끝나면 모든 생식세포에는 각 염색쳉 1개의 사본(1~23)만이 존재

반수체(haploid : n) -난세포, 정자세포

수정체는 이배체(diploid : 2n)

 

감수분열의 세포주기

간기

G1 S G2 체세포분열의 간기와 비슷

 

DNA복제

DNA분자가 복제될 필요가 있을 때 DNA는 나선의 중간부위가 갈라지면서 새로운 뉴클레오티드가 모분자의 양쪽으로 A:T G:C쌍을 이루면서 첨가

이 결과 2개의 새로 합성된 DNA분자가 생기며 한가닥은 모체이고 한 가닥은 새롭게 합성된 가닥

DNA 중합효소 : DNA합성을 촉진시키는 효소

제1감수분열 (meiosis Ⅰ) : 상동염색체쌍이 각각의 세포로 분리

전기Ⅰ : 핵막이 붕괴되며 미세소관이 결합하기 시작한다. 이전에 복제되었던 염색체들이 응축되어 서로 얽히지 않고 세포 주위를 움직일 수 있게 된다.

염색체는 직선형태

상동염색체쌍은 교차(crossing over)라는 과정으 거쳐 유전정보를 교환 가능

중기Ⅰ : 상동염색체들은 세포의 중앙인 적도판에 배열, 미세소관이 동원체 주위에서 중기 염색체에 결합 상동염색체 쌍의 정렬은 우연 발생

어떤 염색체 쌍이 어느쪽 극으로 가는지 는 무작위 = 무작위 정렬(random alignment)

후기Ⅰ : 미세소관이 점점 짧아지면서 상동염색체들이 양극 쪽으로 분리

말기Ⅰ : 염색체 주위로 핵막이 다시 형성(반수체) 한가지 사본

제2감수분열 (meiosis Ⅱ) : 각 세포로 염색분체가 분리되어 들어감

세포질분열을 통해 세포질이 2개로 동등하게 나누어져 딸세포 형성

전기Ⅱ : 세포는 다른 한차례의 분열을 준비

중기Ⅱ : 염색체는 체세포분열 때 일어나는 것과 같은 방법을 적도판에 배열

쌍을 이루지는 않음

후기Ⅱ : 자매염색분체가 세포의 서로 다른극으로 이동하여 분리

말기Ⅱ : 분리된 염색체는 각자 핵에 둘러 쌓임 감수분열시 딸세포는 원래의 상동염색체쌍의 한쪽 부분만을 포함

 

자식의 DNA 지문에 나타난 밴드는 적어도 한쪽의 부모에서는 나타나야 함

 

교차와 무작위 정렬

교차는 감수분열의 전기Ⅰ에서 발생

상동염색체 쌍의 한쪽 부위에서 다른 쪽 부위로 염색체의 일부분이 교환되는 것

ex_머리카락과 기미를 만들어내는 유전자

같은 염색체 위에 존재 하는 연관된 유전자(linked gene)

연관 유전자는 같은 염색체 위에서 생식세포로 함께 이동하며 교차 불능

[그림]전기Ⅰ에서 교차가 일어나지 않을 경우 두종류의 생식세포

전기Ⅰ에서 교차가 일어날 경우 네종류의 생식세포

중기Ⅰ

황제 ccDd 직모 검은눈 황후 CcDd 물결 검은눈

CcDD 물결머리 검은눈 Ccdd 물결머리 파란눈 ccDD 직모 검은눈 ccdd 직모 파란눈

CcDd ccDd

교차하지 않을 때 8백만개 이상의 유전적 다른 생식세포를 만들 수 있으며

 

6.4 가계도

많은 세대 동안 유전적 특징이 계승된 흐름을 나타내는 계보

혈우병(hemophilia) 희긔병 유전

반성형질(sex-linked triat) : X염색체(또는 Y)와 연관되어 있는 유전자

대부분 X

 

제7장 유전공학 -유전자 발현, 유전자 변형 생물체-

7.1 유전공학자(genetic engineer)

유전자를 조작하는 과학자

7.2 세균을 이용하여 인간의 단백질을 합성할 수 있는 유전공학

몬산토주식회사 유전공학자 실험실 재조합(recombinant) 소 성장호르몬(BGH)를 생산하기 시작

재조합 소성장 호르몬 (rBGH) 성장호르몬의 유전 암호를 가진 DNA서열을 조작하여 만든 단백질

호르몬 - 특정한 샘(gland)에서 분비되는 물질

재조합 소 성장호르몬의 생산

세균세포를 이용한 유전자 클로닝

1. 제한효소에 소의 DNA를 노출시켜 유전자를 소의 염색체로부터 잘라낸다.

DNA를 엇갈리게 잘라 ‘점착성 말단’(sticky end)을 만듬

T-A-T-C-G-T-A-C-G-A-A-C

A-T-A-G-C-A-T-G-C-T-T-G

T-A-T-C G-T-A-C-G-A-A-C

A-T-A-G-C-A-T-G C-T-T-G

소 성장호르몬 유전자의 내부를 남겨두고 양쪽 끝을 잘라낸다

T-A-T-C-G-T-A-C-G-|BGH gene|-C-G-T-A-C-G-A-A-C

A-T-A-G-C-A-T-G-C-|BGH gene|-G-C-A-T-G-C-T-T-G

 

2. 소의 유전체로부터 유전자를 분리했다면 이를 세균의 구조물인 플라스미드(plasmid)에 삽입한다 플라스미드를 유전자가 복제될 수 있는 세균으로 유전자를 옮기는 운반체- 플라스미드도 제한효소로 자른다

시험관에 동시에 넣어 외부유전자가 삽입된 워너형의 플라스미드를 재형성

BGH는 이제 rBGH라고 불린다.

3. 재조합 플라스미드는 이제 세균세포에 삽입 세균은 세포막에 구멍이 생기도록 처리하여 플라시미드가 세균세포 안으로 침투하고 세균 복제시 플라스미드도 복제 하여 rBGH 사본을 만들어낸다.

세균세포로 클로닝 되면 세균이 유전자에 의해 암호화된 단백질을 생산토록 한다.

단백질 합성(protein synthesis)= 유전자를 이용하여 특정 단백질을 만들기 위해 어떤 아미노산들이 결합할지를 지정함으로써 이루어짐

 

단백질합성

1) 유전자는 단백질이 암호화된 DNA서열

2) DNA의 상보성에 따라 화학결합을 이루는 뉴클레오티드의 중합체

3) 단백질은 아미노산의 중합체

 

RNA 구성 뉴클레오티드 리보오스(ribose) 당과 인산과 질소를 함유하는 염기들인 A,C,G,U(우라실,uracil :T 티민 대신)로 이루어짐

RNA는 단일 가닥

RNA 뉴클레오티드들은 DNA 뉴클레오티드들과 염기쌍을 형성 가능

 

유전자발현(gene ｅxpression) : 단백질 합성과정 -단백질을 암호화하는 유전자가 활성되었을 때 단백질이 합성되기 때문

 

유전자 발현 1단계

전사(transcription) : DNA 유전자 서열의 사본을 만드는 과정

RNA 중합효소(RNA polymerase)라는 효소에 의해 합성