내배엽
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1. 개요
내배엽은 1817년 독일의 생물학자에 의해 발견된 세 개의 배엽 중 하나로, 발생 과정에서 형성되는 가장 안쪽 층이다. 내배엽은 낭배 형성 과정을 통해 형성되며, 척추동물에서는 중배엽 형성에 기여한다. 내배엽은 소화관, 간, 췌장, 폐 등 다양한 기관의 상피 조직으로 분화하며, 진화 과정에서 유전자 및 신호 전달 경로를 통해 조절된다. 최근에는 줄기세포로부터 내배엽을 분화시키는 연구가 활발히 진행되어, 발달 연구, 질병 모델링, 세포 치료 등에 활용되고 있다. 식물 생물학에서는 어린 싹과 뿌리 내 피질의 가장 안쪽 층을 내배엽이라고 부른다.
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- 배엽 - 외배엽
외배엽은 발생 과정에서 형성되는 세 개의 배엽 중 하나로, 표피, 신경계, 치아 등 다양한 기관으로 분화하며, 외배엽 유래 조직의 비정상적인 발달을 특징으로 하는 외배엽 이형성증을 유발하기도 한다. - 배엽 - 중배엽
중배엽은 배아 발생 3주차에 나타나는 세 개의 배엽 중 하나로, 척삭, 체절, 비뇨생식기 기관, 심장, 혈관, 혈구 등 다양한 조직과 기관으로 분화하며 배아 발달에 중요한 역할을 한다. - 낭배 형성 - 외배엽
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내배엽 | |
---|---|
내배엽 | |
![]() | |
발생학 정보 | |
명칭 | 내배엽 |
라틴어 | (제공된 문서에 없음) |
발생 단계 | 카네기 |
발생 일수 | 16일 |
전구체 | 상배엽 |
유래 조직 | (제공된 문서에 없음) |
2. 역사
내배엽은 1817년 독일의 생물학자이자 발생학자인 하인츠 크리스티안 판더가 처음 발견했다. 판더는 닭 배아에서 내배엽을 포함한 세 개의 원시 생식층을 관찰했다.[7] 1873년 영국의 동물학자 Ray Lankester는 '내배엽'과 '외배엽'이라는 용어를 도입했다.[8]
2. 1. 내배엽의 발견
내배엽은 1817년 독일의 생물학자이자 발생학자인 하인츠 크리스티안 판더에 의해 나머지 2개의 배엽과 함께 처음 발견되었다. 내배엽을 포함한 세 배엽은 닭 배아에서 발견된 3개의 원시 생식층으로부터 관찰되었다.[7] 이후 1873년에 영국의 동물학자이자 진화생물학자인 Ray Lankester에 의해 ‘내배엽’이라는 용어가 ‘외배엽’과 함께 영어로 도입되었다.[8]3. 발생
배아 발생 시, 낭배 형성 과정을 거쳐 2~3개의 배엽층(germ layer)이 형성된다. 창자배 형성 동안 구체의 세포 덩어리는 내배엽으로 이루어진 내부층과 외배엽으로 이루어진 외부층으로 구성된 2개의 층을 가진 배아로 발달한다. 척추동물과 같이 더 복잡한 유기체에서는 이 두 가지 일차 배엽의 상호작용을 통해 중배엽을 형성한다.[8]
3. 1. 낭배 형성과 배엽 분화
낭배 형성 과정을 통해 배아 발생 시 2~3개의 배엽층(germ layer)이 형성된다. 창자배 형성 동안 구체의 세포 덩어리는 내배엽으로 이루어진 내부층과 외배엽으로 이루어진 외부층으로 구성된 2개의 층을 가진 배아로 발달한다. 척추동물과 같이 더 복잡한 유기체에서는 이 두 가지 일차 배엽(primary germ layer)의 상호작용을 통해 중배엽이 형성된다. 내배엽은 다른 층의 존재 여부에 관계없이 항상 가장 안쪽 층에 위치하고 있으며, 상피를 형성하여 원시 창자를 둘러싸고 있다. 원시 창자의 상피 내벽으로부터 소화관, 간, 췌장 및 폐와 같은 기관이 발달하게 된다.[8]배아 내배엽은 소화관과 호흡관이라는 신체의 두 관의 내벽으로 발달한다.[3]
층 | 범주 | 계통 |
---|---|---|
일반적[4] | 소화관 | 입의 일부, 인두 및 직장의 말단부(외배엽의 함입에 의해 덮여 있음)를 제외한 전체 소화관, 간 및 췌장을 포함하여 소화관으로 개구하는 모든 샘의 내벽 세포 |
일반적 | 호흡기계 | 기관, 기관지, 그리고 폐포 |
일반적 | 내분비계샘과 기관 | 갑상선 소포의 내벽과 흉선(즉, 흉선 상피 세포)의 상피 성분 |
청각기 | 청관과 고실의 상피 | |
비뇨기계 | 방광과 요도의 일부 |
간과 췌장 세포는 공통 전구체에서 유래한 것으로 여겨진다.[5]
인간의 경우, 내배엽은 배 발생 5주 후에 구별 가능한 기관으로 분화될 수 있다.
3. 2. 내배엽의 위치와 역할
낭배 형성 과정을 통해 2~3개의 배엽층(germ layer)이 형성될 때, 내배엽은 항상 가장 안쪽에 위치하며 상피를 형성하여 원시 창자를 둘러싸고 있다. 원시 창자의 상피 내벽으로부터 소화관, 간, 췌장 및 폐와 같은 기관이 발달하게 된다.[8]배아 내배엽은 소화관과 호흡관이라는 신체의 두 관의 내벽으로 발달한다.[3]
층 | 범주 | 계통 |
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일반적[4] | 소화관 | 입의 일부, 인두 및 직장의 말단부(외배엽의 함입에 의해 덮여 있음)를 제외한 전체 소화관, 간 및 췌장을 포함하여 소화관으로 개구하는 모든 샘의 내벽 세포 |
일반적 | 호흡기계 | 기관, 기관지, 그리고 폐포 |
일반적 | 내분비계샘과 기관 | 갑상선 소포의 내벽과 흉선(즉, 흉선 상피 세포)의 상피 성분 |
청각기 | 청관과 고실의 상피 | |
비뇨기계 | 방광과 요도의 일부 |
간과 췌장 세포는 공통 전구체에서 유래한 것으로 여겨진다.[5]
인간의 경우, 내배엽은 배 발생 5주 후에 구별 가능한 기관으로 분화될 수 있다.
4. 진화
내배엽은 전분화능 줄기 세포의 증식 및 유도, 줄기 세포 유래 내배엽과 중배엽의 분리, 전방-후방의 패턴화, 간과 췌장의 분기(갈림)와 같은 단계를 거쳐 진화했다.[9] 원시선 앞쪽 부분 근처의 세포는 FOXA2를 발현하여 최종 내배엽이 되는데, 이는 내장 기관 발달의 첫 단계이다.[10] 배아 접힘 동안 중배엽 유도를 통해 앞 창자, 중간 창자, 뒤 창자로 패턴이 형성된다.[11] TGF-β 신호전달의 상향조절은 BMP 및 FGF/MAPK 신호전달을 통해 췌장 형성을 촉진하고 간을 지정한다.[12] 허파싹의 경우, 호흡기관싹 상피와 중배엽 사이의 복잡한 신호 전달이 성장을 촉진하며, 여기에는 FGF와 FGFR의 상호 작용이 포함된다.[13]
4. 1. 내배엽 형성에 관여하는 유전자 및 신호 전달
내배엽은 다음 네 단계를 거쳐 진화했다.[9]1. 전분화능 줄기 세포의 증식 및 유도
2. 줄기 세포 유래 내배엽과 중배엽의 분리
3. 전방-후방의 패턴화(anterior-posterior patterning)
4. 간과 췌장의 분기(갈림, bifurcation)
원시선 앞쪽 부분 근처에 있는 세포는 Forkhead box A2(Foxa2)를 발현하여, 간, 폐, 췌장 등과 같은 내장 기관 발달의 첫 번째 단계인 최종 내배엽(definitive endoderm, DE)이 된다.[10] 최종 내배엽은 Hhex, Sox2 및 Foxa2를 발현하는 앞 창자(전장, foregut) 세포와 다양한 호메오박스 유전자 Cdx1, Cdx2 및 Cdx4를 발현하는 뒤 창자(후장, hindgut)로 배아 접힘(embryonic folding) 동안 중배엽 유도(mesodermal induction)를 통해 앞 창자, 중간 창자 및 뒤 창자로 패턴이 형성된다. 패턴이 형성되는 것은 세포가 배아 내의 상대적인 공간적 위치에 따라 다른 정체성을 획득하는 발달 과정을 뜻한다.[11] TGF-β 신호전달(transforming growth factor beta signaling)의 상향조절은 BMP(Bone Morphogenetic Proteins) 및 FGF/MAPK 신호전달(fibroblast growth factor/mitogen-activated protein kinase signaling)을 통해 췌장 형성을 촉진하여 간을 지정한다.[12] 호흡기관싹(respiratory bud)의 경우, 호흡기관싹 상피와 중배엽 사이의 복잡한 신호 전달이 성장을 촉진시키며, 여기에는 FGF(fibroblast growth factor)와 FGFR(fibroblast growth factor receptor)의 상호 작용이 포함되어있다.[13]
5. 내배엽 유래 조직
내배엽은 소화관과 호흡관이라는 두 개의 관의 내벽으로 발달한다. 소화관은 몸 전체에 걸쳐 뻗어있는 관으로, 간, 담낭, 췌장은 소화관에서 싹이 터서 형성된다. 호흡관은 소화관에서 증식되어 나와 형성되며, 두 개의 폐로 분기된다.[14]
층 | 종류 | 계통 | 구조 |
---|---|---|
일반 | 소화관 | 입과 인두의 일부분 및 직장의 말단 부분(외배엽의 퇴화에 의해 늘어서 있음)을 제외한 소화관 전체, 간, 췌장 및 소화관으로 열리는 모든 땀샘의 내벽 세포 |
일반 | 기도 | 기관, 기관지, 폐포 |
일반 | 내분비샘 및 기관 | 갑상샘 소포의 내벽 및 흉선의 상피 요소 (흉선 상피 세포) |
청각기 | 귀인두관 및 고막 상피 | |
비뇨기계 | 방광 및 요도 일부 |
간과 췌장 세포는 공통 전구체에서 유래하는 것으로 알려져 있다.[15]
5. 1. 인두
인두는 배아 앞부분에서 소화관과 호흡관이 공유하는 공간이다. 인두는 코인두(비강인두), 입인두(구인두, 구강인두부), 후두인두(후인두) 또는 하인두의 세 부분으로 나뉜다. 소화관과 호흡관의 전방 내배엽은 인두에서 시작되며, 인두의 상피 주머니 부분은 편도, 갑상샘, 가슴샘, 부갑상샘을 생성한다.내배엽이 배아 중심으로 들어가면서 앞창자와 뒤창자가 형성된다. 처음에는 구강 말단이 구강판 또는 입오목이라는 외배엽 영역에 막혀 있다. 이 영역은 배아에서 앞창자 내배엽과 입오목 외배엽이 융합되는 경계로, 인간 배아 기준으로 약 22일째에 파열되어 소화관의 구강 개구부가 만들어진다. 개구부는 외배엽 세포로 둘러싸여 있으며, 이 배열은 입오목 외배엽이 배아 복부 쪽으로 휘어진 뇌 외배엽과 접촉하게 한다. 이 두 외배엽은 상호작용하며, 구강 부위 윗부분은 라트케주머니를 형성하여 샘뇌하수체로 발달한다. 포유류 배아는 4쌍의 인두낭을 생성[16]하며, 각 인두낭 사이에는 인두굽이[17]가 있다.
5. 1. 1. 청와
첫 번째 한 쌍의 인두낭에서 유래된다. 청와는 중이 및 귀관과 관련되어 있다.5. 1. 2. 편도
두 번째 인두낭에서 편도 벽 부분이 유래된다.5. 1. 3. 가슴샘 및 부갑상샘
가슴샘은 배아 발달 후반기에 T 림프구의 분화를 유도한다.[1] 부갑상샘은 세 번째 인두낭에서 한 쌍이 나오고, 나머지 한 쌍은 네 번째 인두낭에서 유래된다.[1]5. 1. 4. 갑상샘
인두에서 뻗어나온 내배엽과 간엽 주머니가 목 아래로 이동하며 갑상샘이 형성된다.5. 1. 5. 소화관
인두의 후방 부분에서 소화관이 수축하며 식도를 형성하고, 위, 소장, 대장이 차례대로 이어진다. 내배엽 세포로는 소화관 및 분비선 내막만을 생성할 수 있고, 중배엽 기원의 중간엽 세포가 꿈틀운동을 위한 연동근육을 만들기 위해 소화관을 둘러싼다.[3]배아 내배엽은 소화관과 호흡관이라는 신체의 두 관의 내벽으로 발달한다.
범주 | 계통 | 구조 |
---|---|---|
일반적 | 소화관 | 입의 일부, 인두 및 직장의 말단부(외배엽의 함입에 의해 덮여 있음)를 제외한 전체 소화관, 간 및 이자를 포함하여 소화관으로 개구하는 모든 샘의 내벽 세포 |
간과 이자 세포는 공통 전구체에서 유래한 것으로 여겨진다.[5]
인간의 경우, 내배엽은 배 발생 5주 후에 구별 가능한 기관으로 분화될 수 있다.
5. 1. 6. 호흡관
포유류의 발달에서 호흡 상피는 목 부근에서 곧게 자라 기관을 형성하고, 흉부 쪽으로 들어가면 가지가 갈라지며 두 개의 기관지를 형성하고 폐를 만든다. 즉 네 번째 인두낭 쌍 사이에 위치한 인두 저부 중앙에서 후두기관구가 복측으로 뻗어 있는데, 이것이 두 갈래의 가지로 분기되어 한 쌍의 기관지와 폐를 형성한다. 후두기관의 내배엽은 폐의 기관, 두 개의 기관지 그리고 폐포의 내막이 된다. 폐는 소화와 관련이 없으나 소화관의 파생물로 발달되며, 호흡관의 분화는 중간엽의 위치 특이성에 의해 결정된다.[3]
5. 2. 부속기관
내배엽은 위(stomach)의 꼬리쪽으로 발달되는 치아, 혀 및 샘 기관(침샘, 간, 담낭, 췌장)을 포함하는 부속기관 3개의 내막을 형성하며, 이 중 간, 담낭, 췌장을 형성한다.[3] 배아 내배엽은 소화관과 호흡기계라는 신체의 두 관의 내벽으로 발달한다.[3]층 | 범주 | 계통 |
---|---|---|
일반적[4] | 소화관 | 입의 일부, 인두 및 직장의 말단부(외배엽의 함입에 의해 덮여 있음)를 제외한 전체 소화관, 간 및 췌장을 포함하여 소화관으로 개구하는 모든 샘의 내벽 세포 |
일반적 | 호흡기계 | 기관, 기관지, 폐포 |
일반적 | 내분비계샘과 기관 | 갑상선 소포의 내벽과 흉선 상피 세포 |
청각기 | 청관과 고실의 상피 | |
비뇨기계 | 방광과 요도의 일부 |
간과 췌장 세포는 공통 전구체에서 유래한 것으로 여겨진다.[5] 인간의 경우, 내배엽은 배아 발생 5주 후에 구별 가능한 기관으로 분화될 수 있다.
5. 2. 1. 간
간과 췌장 세포는 공통 전구체에서 유래한 것으로 여겨진다.[5]인간의 경우, 내배엽은 배아 발생 5주 후에 구별 가능한 기관으로 분화될 수 있다. 간싹(간게실)은 앞창자에서 주변의 간엽으로 뻗어나가는 내배엽의 관이다. 간엽은 이 내배엽의 관이 증식 및 분기하여 간의 샘상피(선상피, glandular epithelium)를 형성하도록 유도한다.
층 | 범주 | 계통 |
---|---|---|
일반적[4] | 소화관 | 입의 일부, 인두 및 직장의 말단부(외배엽의 함입에 의해 덮여 있음)를 제외한 전체 소화관, 간 및 췌장을 포함하여 소화관으로 개구하는 모든 샘의 내벽 세포 |
5. 2. 2. 담낭
간싹의 일부분 중 소화관에 가장 가까운 부분은 계속해서 간의 배수관 기능을 하며, 이 관의 가지 부분이 담낭을 생성한다.5. 2. 3. 췌장
췌장은 위의 밑부분에서 십이지장 등쪽 부분의 췌장 싹(dorsal pancreatic bud)과 복측의 췌장 싹(ventral pancreatic bud)이 융합되어 형성되는데, 이 두 개의 싹은 위(stomach)쪽으로 이어지는 내배엽에서 생겨난다.[3] 이후 발달 기간 동안 성장하면서 등쪽 및 복측 췌장 싹이 췌장으로 발달하며, [https://www.ebi.ac.uk/ols/ontologies/XAO/terms?obo_id=XAO:0003266 간원기(liver primordium)] 아래쪽에 위치하던 등쪽 췌장이 뒤쪽으로 이동하면서 복측 췌장과 만나 융합된다. 이후 등쪽 췌관이 사라지며 주요 췌관(main pancreatic duct)이 된다. 복측 췌관은 장으로 소화 효소를 운반하기 위해 남아있다.[3]간과 췌장 세포는 공통 전구체에서 유래한 것으로 여겨진다.[5] 인간의 경우, 내배엽은 배 발생 5주 후에 구별 가능한 기관으로 분화될 수 있다.
6. 연구
줄기세포를 이용한 내배엽 세포 분화 연구는 지난 수십 년간 전분화능 줄기세포 연구 분야의 주요 목표 중 하나였다.[18] 최근 많은 과학자들이 인간 전분화능 줄기세포 유래 내배엽 세포 분화에 대한 다양한 방법을 개발했으며, 현재도 더 나은 분화 방법을 개발하기 위해 연구하고 있다.
인간 전분화능 줄기세포에 표준 Wnt 신호 전달 경로를 활성화하는 CHIR-99021로 명명된 GSK3 (글리코젠 생성효소 키네이스 3)의 소분자 억제제 및 Nodal/TGF-β 경로를 활성화하는 activin A를 조합하여 처리하면 효율적으로 최종 내배엽으로 분화된다.[20]
6. 1. 줄기세포로부터의 내배엽 분화
줄기세포를 이용한 내배엽 세포 분화 연구는 지난 수십 년간 전분화능 줄기세포 연구 분야의 주요 목표 중 하나였다.[18] 최근 많은 과학자들이 인간 전분화능 줄기세포 유래 내배엽 세포 분화에 대한 다양한 방법을 개발했으며, 현재도 더 나은 분화 방법을 개발하기 위해 연구하고 있다.인간 전분화능 줄기세포에 표준 Wnt 신호 전달 경로를 활성화하는 CHIR-99021로 명명된 GSK3 (글리코젠 생성효소 키네이스 3)의 소분자 억제제 및 Nodal/TGF-β 경로를 활성화하는 activin A를 조합하여 처리하면 효율적으로 최종 내배엽으로 분화된다.[20]
6. 1. 1. 줄기세포 유래 내배엽 분화의 필요성
대부분의 내배엽 세포는 시험관 내 배양이 어려우며, 특히 건강한 기증자로부터 1차 조직(primary tissues)을 얻는 것이 어렵고 윤리적으로도 문제가 될 수 있다.[21] 이 때문에 기초 연구, 질병 모델링, 재생 의학 등에 필요한 수준 높은 내배엽 세포가 부족하여 활용에 제한이 있었다.[21] 따라서 줄기세포를 이용한 내배엽 세포 분화 연구, 개발 및 활용이 필요하며, 이는 지난 수십 년간 전분화능 줄기세포 연구 분야의 주요 목표 중 하나였다.[18] 최근 많은 과학자들이 인간 전분화능 줄기세포 유래 내배엽 세포 분화에 대한 다양한 방법을 개발했으며, 현재도 더 나은 분화 방법을 개발하기 위해 연구하고 있다.6. 1. 2. 내배엽 분화에 관여하는 신호 전달 경로
인간 전분화능 줄기세포에 표준 Wnt 신호 전달 경로를 활성화하는 CHIR-99021로 명명된 GSK3 (Glycogen synthase kinase 3)의 소분자 억제제(small-molecule inhibitor) 및 Nodal/TGF-β 경로를 활성화하는 activin A를 조합하여 처리하면 효율적으로 최종 내배엽으로 분화된다.[20] 줄기세포 유래 내배엽 유래 기관의 세포들로 분화하기 위해서는, 내배엽 진화 단계의 가장 첫 번째 단계인 최종 내배엽으로 먼저 분화를 유도해야 한다.[19] 이후 각 기관의 분화는 각각에 맞는 신호전달경로의 인자들을 사용하여야 한다.6. 1. 3. 줄기세포 유래 내배엽 세포의 활용
인간 전분화능 줄기세포 유래 내배엽 세포는 인간의 발달, 그중 특히 기관 형성 초기의 모델링과 연구에 활용될 수 있다. 또한 유전성 장애 및 감염성 질환 모델링, 질병 및 약물 스크리닝 연구, 세포 치료 등에 사용 가능하다.7. 기타
식물 생물학에서 내배엽은 어린 싹과 어린 뿌리 내의 피질(cortex) 가장 안쪽 부분을 구성하는 단일 세포층이다.[1] 식물이 늙어감에 따라 더 많은 내배엽이 목질화(lignify)된다.[1]
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