형태형성
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1. 개요
형태형성은 생물학적 성장에 영향을 미치는 물리적 과정과 제약 조건을 연구하는 분야이다. 앨런 튜링과 다아시 톰슨은 초기 연구를 통해 화학 신호, 확산, 활성화, 비활성화와 같은 물리화학적 과정이 생물체의 성장에 영향을 미친다고 보았다. 형태 형성은 발생생물학에서 중요한 분자, 즉 농도 구배를 통해 세포 분화를 제어하는 모르포젠, DNA와 상호 작용하여 세포 운명을 결정하는 전사 인자, 세포 접착을 담당하는 세포 접착 분자, 그리고 세포 증식 및 운동성, 세포 구조 변화, 세포 분류와 같은 세포적 기초를 포함한다. 분지 형태 형성, 초파리 배아의 전후축 패턴 형성, 암과 바이러스 형태 형성 또한 형태 형성의 중요한 예시이다. 형태 형성은 컴퓨터 모델로도 연구되며, 튜링 패턴, 프랑스 국기 모델 등이 있으며, 최근에는 머신 러닝을 활용한 3D 셀룰러 오토마톤 모델도 개발되었다.
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2. 역사
자연 패턴에 영향을 미치는 물리적 과정과 제약 조건에 대한 초기 아이디어와 수학적 설명 중 일부는 1917년 D'Arcy Wentworth Thompson이 저술한 ''성장과 형태에 관하여''에서 찾아볼 수 있다.[2][3] 1952년 앨런 튜링은 ''형태 발생의 화학적 기초''에서 성장 패턴을 설정하기 위해 두 가지 서로 다른 화학 신호의 확산이라는 형태 발생 메커니즘을 정확하게 예측했다. 이는 한쪽은 활성화하고 다른 한쪽은 비활성화하는 방식이었는데, 이러한 패턴의 형성이 관찰되기 수십 년 전의 일이었다.[6][7] 튜링의 예측과 달리, 실제 유기체와 관련된 메커니즘에 대한 더 완전한 이해는 1953년 DNA 구조의 발견과 분자 생물학 및 생화학의 발전이 필요했다.
3. 분자적 기초
형태 형성에 관여하는 중요한 분자 부류에는 DNA와 상호 작용하여 세포의 운명을 결정하는 전사 인자 단백질이 있다. 이 캐스케이드의 끝에는 세포 이동과 같은 세포 행동을 제어하는 분자 종류, 또는 더 일반적으로는 세포 접착 또는 세포 수축성과 같은 특성이 있다. 예를 들어, 원장 형성 동안 줄기 세포 덩어리는 세포 간 접착을 끄고 이동성이 되어 배아 내에서 새로운 위치를 차지하며, 다시 특정 세포 접착 단백질을 활성화하고 새로운 조직과 기관을 형성한다. 형태 형성에 관련된 발달 신호 전달 경로는 Wnt, 고슴도치, 에프린이 있다.[8]
형태 형성은 조직, 기관, 생물 전체의 형태와 다양하게 특수화된 세포 형식의 배치와 관련된 사항을 다룬다. 배아 발생 기간 동안에는 세포의 공간적 배치의 조직화가 조절되어, 이를 통해 조직, 기관의 특징적인 형태가, 그리고 전체적인 해부학적 형태가 만들어진다. 형태 형성에 대한 연구는 이러한 과정을 이해하려는 시도이다.
또한 morphogenesis(형태 형성)이라는 용어는 배아 단계를 갖지 않는 단세포 생물의 발달이나 분류군에서의 몸의 구조의 진화에 관해서도 사용된다.
형태 형성 반응은 호르몬이나 환경적 화학 물질, 또는 오염 물질로 방출된 방사성 핵종에 의해 유발될 수 있다. 물리학적 및 수학적 과정과 제약이 생물학적 성장에 영향을 미치는가에 대한 몇 가지 고찰이 다아시 톰슨과 앨런 튜링에 의해 쓰여졌다. 이들은 화학적 신호와, 확산, 활성화, 비활성화와 같은 물리화학적 과정의 존재를 세포와 생물의 성장에서 가정했다. 실제 생물에 대한 기구를 완벽하게 이해하기 위해서는 DNA의 발견과 분자생물학과 생화학의 발전이 필요했다.
초파리의 난모세포는 극성을 띤다. 파리의 앞뒤 축은 난모세포에서 명확하게 국재화된 mRNA 분자에 의해 결정된다. 이러한 mRNA를 코딩하는 유전자는 '''모성 효과 유전자'''(maternal effect genes)라고 불린다. 이들은 수정란의 발달에 깊은 영향을 미치지만, 모체의 난소 내 세포에서 발현된다.
미세 소관과 같은 세포 골격이 난모세포 내에서 극성을 띠게 되어 세포의 특정 부위로 mRNA 분자를 국재화할 수 있게 한다. 모체에서 합성된 ''bicoid''의 mRNA는 미세 소관에 부착되어 형성 중인 초파리 알의 앞쪽에 모인다. ''nanos''의 mRNA 또한 세포 골격에 부착되지만 알의 뒷부분에 집중된다. ''hunchback''와 ''caudal''의 mRNA는 특별한 국재화 시스템 없이 알 세포 내부에 균일하게 퍼져 있다.
모성 효과 유전자의 mRNA가 단백질로 번역될 때 Bicoid 단백질은 알의 앞쪽에, Nanos 단백질은 뒤쪽에 농도 구배를 만든다.
3. 1. 모르포젠 (형성소, Morphogen)
형태 형성에 중요한 여러 종류의 분자 중 모르포겐(형성소, Morphogen)은 농도 구배를 통해 세포 분화를 제어하는 신호를 확산하고 전달할 수 있는 가용성 분자이다.[8] 모르포겐은 일반적으로 특정 단백질 수용체에 결합하여 작용한다.[8] 형태 형성에 관여하는 중요한 또 다른 분자 부류는 DNA와 상호 작용하여 세포의 운명을 결정하는 전사 인자 단백질이다.[8]
3. 2. 전사 인자 (Transcription factor)
형태 형성에 관여하는 중요한 분자 부류 중 하나는 DNA와 상호작용하여 세포의 운명을 결정하는 전사 인자 단백질이다. 이들은 마스터 조절 유전자에 의해 코딩될 수 있으며, 다른 유전자의 전사를 활성화하거나 비활성화할 수 있다. 이러한 2차 유전자 산물은 유전자 조절 네트워크의 조절 캐스케이드에서 다른 유전자의 발현을 조절할 수 있다.[8]
초파리의 경우, Bicoid, Hunchback 및 Caudal 단백질은 전사 인자이다. Bicoid는 DNA와 ''nanos'' mRNA 모두와 결합하는 DNA 결합 홈 도메인을 갖는다. Bicoid는 ''caudal'' mRNA의 3' 비번역 영역에 있는 특정 RNA 서열과 결합한다. 초기 배아에서 Hunchback 단백질의 양은 새로운 ''hunchback'' 유전자 전사 및 접합자성에 의해 생산된 mRNA의 결과에 의한 전사에 의해 증가한다. 초파리 초기 배아 발생 동안 세포 분열이 없는 핵 분열이 일어난다. 많은 핵이 세포의 외주로 만들어진다. 이러한 핵에서의 유전자 발현은 Bicoid, Hunchback 및 Caudal 단백질에 의해 조절된다. 예를 들어, Bicoid는 ''hunchback'' 유전자 전사의 활성화 인자로 작용한다.
Bicoid, Hunchback, Caudal 단백질 농도 구배의 다른 중요한 기능은 다른 접합자성으로 발현된 단백질의 전사 조절에 있다. 이들 중 다수는 발생 조절 유전자 "gap" (갭) 계열에서 유래한 단백질 생성물이다. ''hunchback'', ''krüppel'', ''giant'', ''tailless'', ''knirps''는 모두 '''갭 유전자'''(gap genes)이다. 갭 유전자는 '''분절 유전자'''(segmentation genes)라고 불리는 큰 계열의 일부이다.
분절 유전자에는 '''페어룰 유전자'''(pair-rule genes)와 '''세그먼트 폴라리티 유전자'''(segment polarity genes)가 있다. '''페어룰 유전자'''는 7개의 띠가 앞뒤 축과 수직으로 된 줄무늬 모양으로 발현된다. '''세그먼트 폴라리티 유전자'''의 발현 패턴은 인접한 유사체절의 세포 간의 상호작용에 의해 정밀하게 조절된다.
분절 유전자에 의해 암호화된 전사 인자는 '''홈오틱 선택 유전자'''(homeotic selector genes)를 조절한다. 이 유전자들은 초파리의 제3 염색체의 두 개의 순서대로 된 그룹에 존재한다.
3. 3. 세포 접착 분자 (Cell adhesion molecule, CAM)
배아 발달 과정에서 세포는 서로 다른 친화력 때문에 서로 다른 층으로 제한된다. 이러한 현상이 일어나는 한 가지 방법은 세포가 동일한 세포 간 세포 접착 분자를 공유하는 것이다. 예를 들어, 동종 세포 접착은 서로 다른 접착 분자를 가진 세포 집단 간의 경계를 유지할 수 있다.[14] 세포는 세포 간의 접착 차이에 따라 정렬될 수 있으며, 동일한 접착 분자를 다른 수준으로 가진 두 개의 세포 집단도 정렬될 수 있다. 세포 배양에서 가장 강한 접착력을 가진 세포는 혼합된 세포 응집체의 중심으로 이동한다.[14]
세포 간 접착은 종종 세포 수축성에 의해 조절되며, 이는 세포-세포 접촉에 힘을 가하여 동일한 접착 분자를 동일한 수준으로 가진 두 개의 세포 집단이 정렬될 수 있도록 한다. 접착을 담당하는 분자를 세포 접착 분자(CAM)라고 한다. 여러 종류의 세포 접착 분자가 알려져 있으며, 이 분자들의 주요 클래스 중 하나는 카데린이다. 서로 다른 세포 유형에서 발현되는 수십 개의 서로 다른 카데린이 있다. 카데린은 유사한 방식으로 다른 카데린에 결합한다. E-카데린(많은 상피 세포에서 발견됨)은 다른 E-카데린 분자에 우선적으로 결합한다. 중간엽 세포는 일반적으로 N-카데린과 같은 다른 카데린 유형을 발현한다.[14][15]
4. 세포적 기초
형태 형성은 조직, 기관, 생물 전체의 형태와 특수화된 세포 형식의 배치와 관련된 사항을 다룬다. 세포의 성장과 분화는 세포 배양이나 암세포에서도 일어날 수 있지만, 일반적인 생물에서 볼 수 있는 정상적인 형태 형성은 나타나지 않는다. 배아 발생 기간 동안 세포의 공간적 배치가 조절되어 조직, 기관의 특징적인 형태와 전체적인 해부학적 형태가 만들어진다. 형태 형성에 대한 연구는 이러한 과정을 이해하려는 시도이다. 인간 배아의 경우, 포배 단계에서는 거의 같은 세포의 집합이지만, 원장 형성 후에는 조직과 기관이 구성되는데, 이는 유전적인 "프로그램"에 의해 조절되며 환경 요인에 의해 변할 수 있다.
형태 형성(morphogenesis)이라는 용어는 배아 단계를 갖지 않는 단세포 생물의 발달이나 분류군에서 몸 구조의 진화에도 사용된다.
형태 형성 반응은 호르몬이나 다른 생물에 의해 생산된 물질, 유독 화학 물질, 오염 물질로 방출된 방사성 핵종 등에 의해 유발될 수 있다.
4. 1. 세포 증식 및 운동성
조절 수단을 무시하고 조직 수준에서 형태 형성은 세포 증식 및 운동성으로 인해 발생한다.[9] 형태 형성은 또한 세포 구조의 변화[10] 또는 세포가 조직에서 상호 작용하는 방식과 관련이 있다. 이러한 변화는 조직 연장, 얇아짐, 접힘, 침입 또는 하나의 조직이 별개의 층으로 분리되는 결과를 낳을 수 있다. 후자의 경우를 종종 세포 분류라고 한다. 세포 "분류"는 세포가 동일한 유형의 세포 간 접촉을 최대화하는 클러스터로 분류되도록 이동하는 것으로 구성된다. 세포가 이를 수행하는 능력은 말콤 스타인버그에 의해 그의 차등 접착 가설을 통해 차등 세포 부착으로 인해 발생하는 것으로 제안되었다.
조직 분리는 상피 세포가 중간엽으로 변화하는 동안 더 극적인 세포 분화 사건을 통해 발생할 수도 있다(상피-중간엽 전환 참조). 중간엽 세포는 일반적으로 세포 접착 및 수축 특성의 변화의 결과로 상피 조직을 떠난다. 상피-중간엽 전환 후 세포는 상피에서 멀리 이동한 다음 새로운 위치에서 다른 유사한 세포와 연관될 수 있다.[11] 식물에서 세포 형태 형성은 세포벽의 화학적 조성 및 기계적 특성과 밀접하게 관련되어 있다.[12][13]
4. 2. 세포 구조 변화
조절 수단을 무시하고 조직 수준에서 형태 형성은 세포 증식 및 운동성으로 인해 발생한다.[9] 형태 형성은 또한 세포 구조의 변화[10] 또는 세포가 조직에서 상호 작용하는 방식과 관련이 있다. 이러한 변화는 조직 연장, 얇아짐, 접힘, 침입 또는 하나의 조직이 별개의 층으로 분리되는 결과를 낳을 수 있다. 후자의 경우를 종종 세포 분류라고 한다. 세포 "분류"는 세포가 동일한 유형의 세포 간 접촉을 최대화하는 클러스터로 분류되도록 이동하는 것으로 구성된다. 세포가 이를 수행하는 능력은 말콤 스타인버그에 의해 그의 차등 접착 가설을 통해 차등 세포 부착으로 인해 발생하는 것으로 제안되었다. 조직 분리는 상피 세포가 중간엽으로 변화하는 동안 더 극적인 세포 분화 사건을 통해 발생할 수도 있다(상피-중간엽 전환 참조). 중간엽 세포는 일반적으로 세포 접착 및 수축 특성의 변화의 결과로 상피 조직을 떠난다. 상피-중간엽 전환 후 세포는 상피에서 멀리 이동한 다음 새로운 위치에서 다른 유사한 세포와 연관될 수 있다.[11] 식물에서 세포 형태 형성은 세포벽의 화학적 조성 및 기계적 특성과 밀접하게 관련되어 있다.[12][13]4. 3. 세포 분류 (Cell sorting)
조직 수준에서 형태 형성은 세포 증식 및 운동성으로 인해 발생한다.[9] 형태 형성은 또한 세포 구조의 변화[10] 또는 세포가 조직에서 상호 작용하는 방식과 관련이 있다. 이러한 변화는 조직 연장, 얇아짐, 접힘, 침입 또는 하나의 조직이 별개의 층으로 분리되는 결과를 낳을 수 있는데, 후자의 경우를 종종 세포 분류라고 한다. 세포 "분류"는 세포가 동일한 유형의 세포 간 접촉을 최대화하는 클러스터로 분류되도록 이동하는 것으로 구성된다. 말콤 스타인버그는 그의 차등 접착 가설을 통해 세포가 이를 수행하는 능력이 차등 세포 부착으로 인해 발생하는 것으로 제안했다. 조직 분리는 상피 세포가 중간엽으로 변화하는 동안 더 극적인 세포 분화 사건을 통해 발생할 수도 있다(상피-중간엽 전환 참조). 중간엽 세포는 일반적으로 세포 접착 및 수축 특성의 변화의 결과로 상피 조직을 떠난다. 상피-중간엽 전환 후 세포는 상피에서 멀리 이동한 다음 새로운 위치에서 다른 유사한 세포와 연관될 수 있다.[11]
4. 4. 상피-중간엽 전환 (Epithelial-mesenchymal transition, EMT)
조직 분리는 상피 세포가 중간엽으로 변화하는 과정에서 발생하는 세포 분화 사건이다. 이를 상피-중간엽 전환이라고 한다. 중간엽 세포는 세포 접착 및 수축 특성이 변화하여 상피 조직에서 떨어져 나온다.[11] 상피-중간엽 전환 이후, 세포는 상피에서 멀리 이동하여 새로운 위치에서 다른 유사한 세포와 결합한다.[11]4. 5. 세포 외 기질 (Extracellular matrix, ECM)
세포외 기질(ECM)은 조직을 분리하고, 구조적 지지대 역할을 하거나, 세포가 이동할 수 있는 구조를 제공한다. 콜라겐, 라미닌, 피브로넥틴은 시트, 섬유, 겔 형태로 분비되고 조립되는 주요 ECM 분자이다.[16] 인테그린은 다중 서브유닛 막 수용체로 ECM에 결합하는 데 사용된다. 인테그린은 세포 외부에서는 피브로넥틴, 라미닌 또는 다른 ECM 구성 요소에 결합하고, 세포 내부에서는 미세섬유 결합 단백질인 α-액티닌 및 탈린에 결합하여 세포 골격을 외부와 연결한다. 또한 인테그린은 ECM에 결합할 때 신호 전달 캐스케이드를 유발하는 수용체 역할도 한다. ECM이 관여하는 형태 형성의 잘 연구된 예로는 유선 관 분지가 있다.[16][23]4. 6. 세포 수축성 (Cell contractility)
조직은 세포 수축력을 통해 형태를 바꾸고 별개의 층으로 분리될 수 있다. 근육 세포에서와 마찬가지로, 미오신은 세포질의 다른 부분을 수축시켜 형태나 구조를 바꿀 수 있다. 배아 조직 형태 형성에서 미오신에 의한 수축력은 모델 생물인 예쁜꼬마선충, 초파리 및 제브라피쉬에서 배엽 분리 동안 관찰된다. [17] 배아 형태 형성에는 종종 주기적인 수축 펄스가 나타난다. 세포 상태 분할기라는 모델은 각 세포의 정단 부위에 있는 쌍안정적 소기관에 의해 시작되는 세포 수축과 팽창을 번갈아 가며 수행한다. 소기관은 기계적 반대 작용을 하는 미세 소관과 미세 섬유로 구성된다. 이는 형태 형성 운동에 의해 발생하는 국소적인 기계적 교란에 반응한다. 이러한 현상은 세포 유형을 결정하는 추정 조직에서 수축 또는 팽창의 배아 분화 파동을 유발하고, 이어서 세포 분화가 일어난다. 세포 상태 분할기는 처음에는 멕시코도롱뇽의 낭배 형성 동안 신경판 형태 형성을 설명하기 위해 제안되었으며,[18] 이 모델은 나중에 모든 형태 형성으로 일반화되었다.[19]5. 분지 형태 형성 (Branching morphogenesis)
폐의 발달에서 기관지는 세기관지로 분기되어 호흡기를 형성한다.[20] 이러한 분기는 각 세기관지 튜브 끝이 두 갈래로 갈라지면서 발생하며, 분기 형태 형성은 기관지, 세기관지, 궁극적으로는 폐포를 형성하는 과정이다.[21]
분기 형태 형성은 유선관의 유선 유선 발달에서도 나타난다.[22][23] 원시 유관 형성은 태아 발생에서 시작되지만, 유관 계통의 분기 형성은 사춘기 동안 에스트로겐에 반응하여 시작되며 유선의 발달에 따라 더욱 정교해진다.[23][24][25]
6. 초파리 배아의 전후축 패턴 형성 (참고: 일본어 위키)
초파리의 형태 형성은 난모세포의 비대칭성 구성으로 시작하여, 배축을 따라 패턴 형성이 진행된다.[1] 곤충이라는 하나의 큰 분류를 대표하는 초파리의 발생에 대해서는 특히 자세하게 연구가 이루어져 왔다.[1]
초파리의 난모세포는 극성을 띤다.[1] 파리의 앞뒤 축은 난모세포에서 명확하게 국재화된 mRNA 분자에 의해 결정된다.[1] 이러한 mRNA를 코딩하는 유전자는 '''모성 효과 유전자'''(maternal effect genes)라고 불린다.[1] 이들은 수정란의 발달에 깊은 영향을 미치지만, 모체의 난소 내 세포에서 발현된다.[1] ''bicoid''와 ''hunchback''는 초파리 배아의 앞부분(머리와 가슴)의 패턴에 가장 중요한 모성 효과 유전자이다.[1] ''nanos''와 ''caudal''는 배아의 뒷부분(복부)의 패턴에 중요한 모성 효과 유전자이다.[1]
미세 소관과 같은 세포 골격이 난모세포 내에서 극성을 띠게 되어 세포의 특정 부위로 mRNA 분자를 국재화할 수 있게 한다.[1] 모체에서 합성된 ''bicoid''의 mRNA는 미세 소관에 부착되어 형성 중인 초파리 알의 앞쪽에 모인다.[1] ''nanos''의 mRNA 또한 세포 골격에 부착되지만 알의 뒷부분에 집중된다.[1] ''hunchback''와 ''caudal''의 mRNA는 특별한 국재화 시스템 없이 알 세포 내부에 균일하게 퍼져 있다.[1]
모성 효과 유전자의 mRNA가 단백질로 번역될 때 Bicoid 단백질은 알의 앞쪽에 농도 구배를 만든다.[1] Nanos 단백질은 뒤쪽에 농도 구배를 만든다.[1] Bicoid 단백질은 ''caudal''의 mRNA를 차단하여 Caudal 단백질은 세포의 뒷부분에서만 만들어지게 한다.[1] Nanos 단백질은 ''hunchback''의 mRNA에 결합하여 초파리 배아 뒷부분에서의 번역을 차단한다.[1]
Bicoid, Hunchback 및 Caudal 단백질은 전사 인자이다.[1] Bicoid는 DNA와 ''nanos'' mRNA 모두와 결합하는 DNA 결합 홈 도메인을 갖는다.[1] Bicoid는 ''caudal''의 mRNA의 3' 비번역 영역에 있는 특정 RNA 서열과 결합한다.[1]
초기 배아에서 Hunchback 단백질의 양은 새로운 ''hunchback'' 유전자 전사 및 접합자성에 의해 생산된 mRNA의 결과에 의한 전사에 의해 증가한다.[1] 초파리 초기 배아 발생 동안 세포 분열이 없는 핵 분열이 일어난다.[1] 많은 핵이 세포의 외주로 만들어진다.[1] 이러한 핵에서의 유전자 발현은 Bicoid, Hunchback 및 Caudal 단백질에 의해 조절된다.[1] 예를 들어, Bicoid는 ''hunchback'' 유전자 전사의 활성화 인자로 작용한다.[1]
Bicoid, Hunchback, Caudal 단백질 농도 구배의 다른 중요한 기능은 다른 접합자성에 발현된 단백질의 전사 조절에 있다.[1] 이들 중 다수는 발생 조절 유전자 "gap" (갭) 계열에서 유래한 단백질 생성물이다.[1] ''hunchback'', ''krüppel'', ''giant'', ''tailless'', ''knirps''는 모두 '''갭 유전자'''(gap genes)이다.[1] 이들의 초기 배아에서의 발현 패턴은 모성 효과 유전자의 산물에 의해 결정되며, 그 모습은 왼쪽 그림에 나타나 있다.[1] 갭 유전자는 '''분절 유전자'''(segmentation genes)라고 불리는 큰 계열의 일부이다.[1] 전후축을 따라 배아의 분절화된 신체 계획을 확립하는 것이 이 유전자들이다.[1] 분절 유전자는 최종적인 체절과 밀접하게 관련된 14개의 "의체절"을 특정화한다.[1] 갭 유전자는 분절을 조절하는 유전자 캐스케이드의 첫 번째 층이다.[1]
초파리 초기 배아의 세포융합체 배반엽 내에서 작용하는 Bicoid와 같은 단백질은 모르포겐이라고 불린다.[1] 이들 세포 내 모르포겐은 핵으로 들어가 갭 유전자의 발현을 조절하기 위한 전사 인자로 작용한다.[1]
초파리의 형태 형성에 있어서 포배기에서 4가지 유형의 핵의 특성화가 관찰된다.[1]
페어룰
두 종류의 분절 유전자가 갭 유전자 생성물 후에 발현된다.[1] '''페어룰 유전자'''(pair-rule genes)는 7개의 띠가 앞뒤 축과 수직으로 된 줄무늬 모양으로 발현된다.[1] (''even-skipped''의 예를 보라).[1] 발현의 이러한 패턴이 공세포 배반엽 내에서 확립된 후, 세포막이 핵의 주변에 형성되어 공세포 배반엽은 세포성 배반엽으로 바뀐다.[1]
Wingless 모포젠
마지막 종류의 분절 유전자, '''세그먼트 폴라리티 유전자'''(segment polarity genes)의 발현 패턴은 인접한 유사체절의 세포 간의 상호 작용에 의해 정밀하게 조절된다 (오른쪽의 ''engrailed''의 예를 보라).[1] '''Engrailed''' 단백질은 각 유사체절의 끝에 있는 세포 열에 발현되는 전사 인자(오른쪽 그림의 노란색)이다.[1] 이 발현 패턴은 공세포 배반엽에서 ''engrailed'' 유전자의 전사를 조절하는 전사 인자를 암호화하는 (''even-skipped''와 같은) 페어룰 유전자에 의해 유발된다.[1]
Engrailed를 만드는 세포는 세포 간 신호 단백질 '''Hedgehog'''(오른쪽 그림의 녹색)도 만들 수 있다.[1] Hedgehog은 멀리 가지 않고, Engrailed를 발현하는 세포에 인접한 세포를 얇은 줄무늬 모양으로 활성화시킨다.[1] Engrailed를 발현하는 세포의 한쪽 측면만 Hedgehog에 반응할 수 있다.[1] 왜냐하면 그 수용체 단백질인 '''Patched'''(오른쪽 그림의 파란색)를 발현하고 있기 때문이다.[1] 활성화된 Patch 수용체를 가진 세포는 '''Wingless''' 단백질(그림의 빨간색)을 만든다.[1] Wingless 단백질은 세포 외 모포젠으로 작용하여, 세포 표면의 수용체인 '''Frizzled'''를 농도에 따라 활성화시키고 인접한 열의 세포 패턴을 결정한다.[1]
Wingless는 또한, 세포성 배반엽이 만들어진 후 Engrailed 발현을 안정화시키기 위해 Engrailed 발현 세포에서도 작용하며, Hedgehog과 Wingless 간의 상호 신호 전달이 각 체절의 경계를 안정시킨다.[1] Wingless 단백질은 변태에서의 날개 형성을 조절하는 기능도 있으며, ''wingless'' 돌연변이체의 일부 표현형에는 "날개가 없음"으로 인해 그 이름이 붙여졌다.[1]
분절 유전자에 의해 암호화된 전사 인자는 아직 다른 발생 조절 유전자 패밀리인 '''홈오틱 선택 유전자'''(homeotic selector genes)를 조절한다.[1] 이 유전자들은 초파리의 제3 염색체의 두 개의 순서대로 된 그룹에 존재한다.[1] 그 유전자들의 염색체 내 순서는 그것들이 배아의 앞뒤 축을 따라 발현하는 순서를 반영한다.[1] 홈오틱 선택 유전자의 Antennapedia 그룹에는 ''labial'', ''antennapedia'', ''sex combs reduced'', ''deformed'', ''proboscipedia''가 포함된다.[1] Labial과 Deformed 단백질은 머리 체절에서 발현하여 머리 특징을 결정하는 유전자를 활성화시킨다.[1] Sex-combs-reduced와 Antennapedia는 가슴 체절을 특징짓는다.[1] 홈오틱 선택 유전자의 bithorax 그룹은 가슴 제3 체절과 복부 체절을 특징짓는다.[1]
1995년, 노벨 생리학·의학상은 크리스티아네 뉘슬라인-폴하르트, 에드워드 B. 루이스, 에릭 위샤우스에게 초기 배아 발생의 유전자 조절에 관한 연구로 수여되었다.[1] 배아 패턴 돌연변이체에 대한 유전자 스크리닝에서의 그들의 조사는, ''bicoid''와 같은 ''Hox 유전자''에 의한 초기 배아 발생에서의 역할을 밝혀냈다.[1] 홈오틱 돌연변이의 예에는 소위 안테나페디아 돌연변이(antennapedia mutation)가 있다.[1] 초파리에서 촉각과 다리는 동일한 기본 "프로그램"에 의해 만들어지며, 단독의 전사 인자만 다르다.[1] 만약 이 전사 인자가 손상되면, 그 파리는 촉각 대신 다리가 생겨난다.[1]
7. 질병과 형태 형성
형태 형성은 조직, 기관, 생물 전체의 형태와 다양하게 특수화된 세포 형식의 배치와 관련된 사항을 다룬다. 세포의 성장과 분화는 세포 배양이나 암세포에서도 일어날 수 있지만, 일반적인 생물에서 볼 수 있는 정상적인 형태 형성은 보이지 않는다. 배아 발생 기간 동안에는 세포의 공간적 배치의 조직화가 조절되어, 조직, 기관의 특징적인 형태와 전체적인 해부학적 형태가 만들어진다. 형태 형성에 대한 연구는 이러한 과정을 이해하려는 시도이다. 인간의 배아에서 포배 단계는 거의 같은 세포의 집합이지만, 원장 형성 후에는 조직과 기관이 구성되는데, 이는 유전적인 "프로그램"에 의해 조절되며, 환경 요인에 의해 변할 수 있다.
형태 형성(morphogenesis)이라는 용어는 배아 단계를 갖지 않는 단세포 생물의 발달이나 분류군에서 몸 구조의 진화에 관해서도 사용된다.
형태 형성 반응은 호르몬이나 다른 생물에 의해 생산된 물질, 유독 화학 물질, 오염 물질로 방출된 방사성 핵종에 의해 유발될 수 있다.
7. 1. 암 형태 형성 (Cancer morphogenesis)
암은 종양 형성 및 종양 전이를 포함한 정상적인 형태 형성의 파괴로 인해 발생할 수 있다.[26] 미토콘드리아 기능 장애는 형태 형성 유전자 신호 전달의 교란으로 인해 암 위험 증가를 초래할 수 있다.[26]7. 2. 바이러스 형태 형성 (Virus morphogenesis)
박테리오파지(파지) T4 바이러스의 비리온 조립 과정에서 파지 유전자에 의해 암호화된 형태형성 단백질들은 특정한 순서로 서로 상호작용한다. 바이러스 감염 과정에서 생성되는 각 단백질의 양을 적절하게 유지하는 것은 정상적인 파지 T4 형태형성에 매우 중요한 것으로 보인다.[27] 비리온 구조를 결정하는 파지 T4 암호화 단백질에는 주요 구조 구성 요소, 부수적 구조 구성 요소, 그리고 형태형성 순서의 특정 단계를 촉매하는 비구조 단백질 등이 포함된다.[28] 파지 T4 형태형성은 Yap과 Rossman이 상세히 설명한 바와 같이 머리, 꼬리, 긴 꼬리 섬유의 세 가지 독립적인 경로로 나뉜다.[29]8. 컴퓨터 모델
앨런 튜링은 1952년 ''형태 발생의 화학적 기초''라는 논문에서 형태 발생을 컴퓨터 과학이나 수학적으로 모델링하는 접근 방식을 제시했는데,[30] 이는 현재 튜링 패턴으로 알려져 있다.
21세기에는 컴퓨터 성능이 향상되면서 상대적으로 복잡한 형태 형성 모델의 시뮬레이션이 가능해졌다. 2020년에는 세포 성장과 분화가 매개변수화된 규칙을 가진 셀룰러 오토마톤 모델이 제안되었다. 이 규칙의 매개변수는 미분 가능하므로, 기울기 하강법으로 훈련할 수 있으며, 이 기술은 머신 러닝에 사용되면서 최근 몇 년 동안 고도로 최적화되었다.[32] 이 모델은 그림 생성에만 국한되어 2차원적이었다.
이후 위에서 설명한 모델과 유사한 모델이 3차원 구조를 생성하도록 확장되었으며, 블록 기반 특성으로 인해 3D 셀룰러 오토마톤 시뮬레이션에 특히 유용한 비디오 게임 ''마인크래프트''에서 시연되었다.[33]
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