생물에 대해 아는 것은 자신을 아는 것이며, 우리를 둘러싼 생물과 환경의 성립과 상호작용을 아는 것이라 할 수 있습니다. 그런데 세상에는 "생물학은 재미없다"고 생각하는 사람들이 의외로 많은 것 같습니다. 가까운 주제임에도 불구하고 어려운 전문 용어가 곳곳에 흩어져 있는 해설은 생물학이라는 세계를 멀게 만드는 것일지도 모릅니다.
전염병의 확산이나 원자력 발전소 사고에 의한 방사성 물질의 거동, 지구 온난화, 유전자 변형에 의한 작물이나 장기 제공을 위한 동물 등, 현대의 주요한 토픽의 많은 부분이 생물학과 밀접하게 관련되어 있으며, 현대인에게 필수 교양이라 할 수 있습니다.
그래서, 생물학의 기본부터 최신의 화제까지, 망라적으로 해설한 입문서 '어른을 위한 생물학 교과서'에서 흥미로운 주제, 읽을거리를 소개하고자 합니다. 이번에는 세포 주기와 암세포의 증식에 대해 해설합니다.
※본 기사는 '어른을 위한 생물학 교과서 최신 지식을 본질적으로 이해하다'를 일부 재편집한 것입니다.
분화와 세포 주기
그런데 체세포 분열의 전기, 중기, 후기, 종기 이외의 시기는, 예전에는 정지기라고 불렸지만, 여기서 잠시 쉬고 있는 것은 아니기 때문에, 지금은 간기로 불리게 되었습니다. 이 간기는 더 G1기, S기, G2기의 3가지 시기로 나누어지며, 전기~종기를 합쳐서 M기라고 하여, 이상 4가지를 세포 주기라고 부릅니다(그림 '세포 주기').
가장 중요한 것은 DNA를 합성(Synthesis)하여 두 배로 만드는 S기와, 그 DNA를 염색체라는 패키지를 사용하여 정확히 두 개로 분열(Mitosis)시키는 M기이며, 그 사이(Gap)를 G1기와 G2기로 합니다. 다만 이 G1기와 G2기도 쉬고 있는 것은 아니며, G1기는 DNA 합성에 앞서 그 부품(뉴클레오타이드)을 대량으로 준비하고, G2기는 분열에 앞서 방추사 등의 재료를 준비하고 있습니다.
그림을 보면, 중간에 이 주기에서 벗어나는 G0라는 것이 있습니다. 사실 다세포 생물의 대부분의 세포는 이 G0라는 상태에 있습니다. 세포 주기를 계속해서 도는 것은 식물이라면 성장점이나 형성층의 세포, 동물이라면 골수, 피부 등에서 활발히 분열하고 있는 조직에 있는 줄기세포입니다.
그러면 G0라는 시기에 있는 세포는 분열을 마친 후 각각의 역할을 부여받고, 그 일을 수행하고 있습니다. 이 역할 분담을 '분화' (Differentiation)라고 합니다. 이 영어를 보면 알 수 있듯이, 일을 하고 있는 세포는 즉 차이화된 세포입니다.
간세포라면 간세포로서의 일을 시작하여, 더 이상 분열하지 않습니다. 체세포 분열에서는 앞서 언급한 것처럼, 수정란으로부터 연속적으로 이어져 온 게놈의 모든 정보가 각 세포에 전달됩니다. 간세포란, 이 모든 정보 중 간의 일에 관한 유전자 이외의 모든 유전자를 봉인하고, 간의 일에만 전념하는 세포이며, 이것이 분화입니다.
그리고, 일단 분화한 세포는 원칙적으로 원래 상태로 돌아가지 않습니다. 그림 '세포 주기'의 G0로의 화살표가 일방통행인 것이 이를 말해줍니다.
분화 세포도 만약의 경우 재생이 가능하다
다만 분화한 세포라고 해도, 다른 유전자를 버리는 것이 아니라 봉인만 하고 있기 때문에, 만약의 경우 이 봉인을 풀어 재생이 가능합니다. 세포가 그 생물의 모든 정보를 포기하는 것은 원칙적으로 없습니다(면역 세포에는 일부 예외가 있습니다).
따라서 조직의 손상 등에 있어, 일부 세포가 G0에서 세포 주기로 돌아가는 사례는 많이 알려져 있습니다. 태풍 등으로 부러진 식물이 거의 원래대로 회복되는 것을 보신 적이 있을 것입니다. 그리고, 이것이 동물에서 체세포 클론을 가능하게 합니다.
암세포는 왜 계속해서 증식하고, 왜 전이하는가
뜻하지 않게 어떤 계기로, 특별한 문제가 없는데도 일부 G0의 세포가 세포 주기로 돌아가는 경우가 있습니다. 분화를 리셋하는 것을 탈분화라고 합니다(현실의 탈분화에는 다양한 레벨이 있으며, 완전한 리셋에 이르지 않는 경우도 알려져 있습니다
예를 들어 건강한 간세포 집단 중, 어떤 하나가 갑자기 분열하여 증식하기 시작하고, 질서 정연하게 배열되어 있던 동료 세포들을 압박합니다. 이것이 종양이며, 그중에서도 주위의 장기에 침투하거나(침윤), 더 나아가 다른 장기로 이동하는(전이) 악성 종양이 암세포입니다. 암화의 계기는 다양하지만, 어쨌든 암세포는 세포 주기의 사이클로 돌아가서 계속해서 증식합니다.
이 사이클에 들어가 있다는 것은, 분화에서 벗어나 자신의 역할을 잃어버리고 있다는 것입니다. 따라서 암세포는 원리적으로 전신 어디서든 발생할 수 있으며, 어디로든 이동할 수 있습니다.
체세포 분열이 활발한 부위
인체에서 체세포 분열이 활발한 부위는 피부나 소장 등이 있지만, 그중에서도 군을 이루고 있는 것은 골수의 조혈 줄기세포입니다. 그 분열 속도는 엄청나며, 따라서 이 줄기세포가 암화하면, 엄청난 속도로 그 복제본이 만들어져 혈구로서 혈액 중에 방출되어 순식간에 전신에 퍼집니다. 이것이 혈액의 암이라 불리는 백혈병입니다.
원래 암세포가 특정되지 않는 '백혈병'
백혈병은 암 중에서도 까다로운 것 중 하나입니다. 복제된 암세포가 전신에 흩어져서, 원래 암세포가 어디에 있는지 특정할 수 없기 때문입니다. 따라서 현재 확립된 치료법 중 하나는, 전신의 골수 세포를 일단 방사선으로 죽이고, 새로운 조혈 줄기세포를 이식하여 골수를 재건하는 것입니다. 이것이 골수 이식입니다.
세포는, 일하는가, 끊임없이 증식하는가의 '양자택일'
우리 전신에는, 조혈 줄기세포나 신경 줄기세포, 상피 줄기세포 등, 특정한 세포 종류를 만들어내는 조직 줄기세포라 불리는 제한적인 분화 능력을 가진 세포가 여러 곳에 있으며, 항상 각처에서 새로운 세포로 교체가 이루어지고 있습니다.
이들 줄기세포도 물론 미분화 상태이지만, 더 나아가 그 원류에는 몸의 모든 부분의 세포로 분화할 수 있는 능력(다능성)을 가진 세포가 있을 것입니다. 물론 수정란은 완전히 모든 세포로 분화할 수 있는 능력(전능성)을 가지고 있습니다. 이러한 연구를 통해, 궁극적으로는 병이나 사고로 크게 상실된 부분을 재생하는 것, 이것이 재생의료의 목표입니다.
1981년의 에반스(1941~) 등의 ES세포, 그리고 2007년 야마나카 신야(1962~) 등에 의한 iPS세포의 제작에 대해서는, '어른을 위한 생물학'에서 언급했기 때문에, 여기서 자세히 설명하지는 않지만, iPS세포에 대해서는, 분화의 초기화를 위해 추가된 유전자의 작용으로 암화할 위험이 있는 등 과제가 있다는 것을 지적해 두고자 합니다.
다만, 성장점, 형성층, 줄기세포, 그리고 암세포도, 미분화한 세포는 신기하게도 어쨌든 계속해서 증식한다는 것을, 여기서 지적해 두고자 합니다. 수정란이 발생 초기 급속히 난할을 계속하고, 분화가 진행됨에 따라 분열하지 않게 되는 것과도 일치합니다.
세포는 역할을 분담하여 일하거나, 끊임없이 증식하는가의 양자택일인 것입니다.
'어른을 위한 생물학 교과서 최신 지식을 본질적으로 이해하다'