Chapter 1. Introduction to Cells and Cell Research

 

 

본 게시글은 학부 '세포생물학' 강의를 토대로 필자가 이해한 내용을 정리하였습니다.

 

1.1 The origin and Evolution of Cells

 

 

Learning Objectives

 

• Explain how the firsh cell originated.
• Describe the major steps in evolution of metabolism.
• Illustrate the structures of eukaryotic and prokaryotic cells.
• Outline the evolution of eukaryotic cells and multicellular organisms.

 

 

 

 

세포의 탄생

 

 

최소 38억년 전, 대략 지구가 생겨난 지 7억 5천만 년 후에 태어난 것으로 예측하고 있다.

간단한 유기 분자들이 자발적으로 반응하여(Polymerize) 거대 분자(Macromolecule)을 이루었다.

지구의 원시 대기에는 산소가 없었다. CO2, N2, H2S, CO 등이 주를 이루었다.

유기분자는 햇빛 또는 전기적 충격에 의한 에너지에 의해 자발적으로 만들어질 수 있다.  

 

밀러의 원시대기 조성 유리 실험

• Monome(단량체) 상태인 유기 분자들이 원시 지구의 조건에서 자발적으로 Polymerization(중합)되어 형성된다는 것을 입증한 실험이다.
• 아미노산 혼합물을 가열한 결과 Polypeptide를 형성하였다.
• 두 가지 주요 고분자 : 핵산, 단백질
  
  • 핵산의 경우 자기 복제 능력을 보인다. 상보적인 뉴클레오타이드 간의 특정한 염기쌍 결합을 통해 자신의 합성을 위한 주형으로 작용한다.

 

 

최초의 세포 형성

 

자기 복제 RNA가 인지질(Phospholipids)로 구성된 막으로 둘러싸여 최초의 세포가 형성되었다고 추정

이 막은 내부와 외부 환경을 구분하여 물질 교환과 보호를 가능하게 한다.

 

 

 

대사 작용의 진화(The evolution of metabolism)

• 세포의 에너지 생성과 합성

 

 

세포는 에너지 생성과 자기 복제에 필요한 분자 합성을 위한 자체 매커니즘을 진화시켜야 했다.

 

ATP의 역할

모든 세포는 Adenosine 5'-triphosphate(ATP)를 사용하여 에너지를 저장하고 전달한다.

 

 

ATP 생성하는 세 종류 과정

• Glycolysis(해당 과정) : 무산소 조건에서 포도당을 젖산으로 분해하여 ATP를 생성한다.
  • Anaerobic이기 때문에 생성할 수 있는 ATP가 적다. 산화적 인산화를 통해 충분히 생산해야 한다.
• Photosynthesis(광합성) : 태양 에너지를 활용하여 화학 에너지를 생성한다.
• Oxidative Metabolism(산화 대사) : 산소(O2)를 사용하여 에너지를 생산하는 반응을 수행한다.

 

 

원핵생물(Prokaryotes)

• 두 개의 도메인 : Archaea와 Bacteria로 구성된다.
• Archaea : 극한 환경에서 서식하며, 고온산성 환경(Thermoacidophiles)에 적응되어 있다.
• Bacteria : 토양, 물, 다른 생물체 등 다양한 환경에서 발견된다.

 

원핵세포의 특징

Electron micrograph of E. coli. 핵막이 없는 핵양체 형태로 존재(실타래 처럼 엉켜있다.)

• 작고 단순한 구조 : 대부분의 진핵세포보다 작으며, 지름은 1~10um이다.
• 유전체 : DNA 크기는 약 60만~500만 염기쌍으로, 비교적 단순하다.
• 핵이나 세포질 소기관이 없음 : 핵막이나 막으로 둘러싸인 소기관이 없다.
• 세포 형태 : 구형, 막대형, 나선형 등 다양한 형태를 가진다.
  • Cyanobacteria(남세균) : 광합성을 수행하는 원핵생물로서, 지구의 산소 공급에 중요한 역할을 한다.

 

Eukaryote cells

 

 

 

 

진핵 생물의 기원

Endosymbiosis(내부 공생) 이론

미토콘드리아와 엽록체는 원래 독립적인 원핵생물이었으며, 다른 세포 내에서 공생 관계를 맺어 진핵세포의 소기관이 되었다는 이론

 

근거

• 엽록체, 미토콘드리아 내에는 70S 리보솜이 존재하고 자신들만의 리보솜을 가지고 있다.
• 서열 분석 결과 원핵 세포의 서열과 더 유사하다.
• 세포 소기관은 단일막 구조

 

 

다세포 생물의 발달

• 세포의 다양성 : 동물 세포는 식물 세포보다 훨씬 다양하다.
• 인체의 구성 : 200종 이상의 서로 다른 세포로 이루어져 있다.

 

다섯 가지 주요 조직 유형

• Epithelial Tissue(상피 조직) : 신체 표면과 내부 장기를 덮는 조직
• Connective Tissue(결합 조직) : 지지와 연결 역할을 하는 조직
• Blood(혈액) : 산소와 영양분을 운반하는 액체 조직
• Nervous Tissue(신경 조직) : 신경 신호를 전달하는 조직
• Muscle(근육) : 운동과 힘을 생성하는 조직

 

1.2 Experimental Models in Cell Biology

1. 대장균(E. coli)

Bacterial colonies. E.coli 배양을 위한 영양분 배지(Glucose, Amino acid, Vitamin, Ion etc.)

• 가장 철저히 연구된 박테리아 종
• DNA 복제, 유전 암호 유전자 발현, 단백질 합성에 대한 우리의 이해는 주로 E.coli 연구에서 비롯되었다.
• 유전제 정보 : 약 460만 염기쌍으로 구성되며, 약 4000개의 유전자를 포함한다.
• 빠른 분열 속도 : 20분마다 한 번씩 분열하여 증식한다.
• 분석의 용이성: 작업이 쉽고 간단하여 분자 생물학의 기본 모델로 활용

 

2. 효모(Yeasts)

• 가장 단순한 진핵생물
• 대표 종 : Saccharomyces cerevisiae
• 유전체 정보 : 약 1200만 염기쌍의 DNA로 구성되며, 약 6000개의 유전자를 포함한다.
• 연구 분야 : DNA 복제, 전사, RNA 가공, 단백질 분류, 세포 분열 조절 등 진핵생물의 많은 기본 과정을 연구하는데 사용된다.
• 효모를 이용한 대표적 실험 :
  • Yeast - two - hybridization - 2개의 protein이 서로 상호작용 여부를 확인

 

3. 선충과 초파리

Caenorhabditis elegans(C. elegans)

• 상대적으로 단순한 다세포 생물
• 연구의 용이성 : 실험실에서 쉽게 배양되고 유전적 조작이 가능하다.
• 유전체 정보 : 효모의 3배 이상의 유전자를 보유하고 있다.
• 세포 구성 : 성체 벌레는 959개의 체세포와 1000~2000개의 생식세포로 구성된다.
• 연구 분야 : 동물의 발달과 세포 분화 연구에 가장 널리 사용되는 모델이다.

 

Drosophila Melanogaster(초파리)

• 발달 생물학의 중요한 모델 생물
• 연구의 용이성 : 실험실에서 쉽게 유지 및 번식이 가능
• 짧은 생식 주기 : 약 2주
• 유전체 정보 : 약 1억 8000만 염기쌍으로 구성되며, 약 14000개의 유전자를 포함한다.

 

Arabidopsis thaliana(애기장대)

• 식물 분자 생물학의 모델 생물
• 유전체 정보 : 약 1억 2500만 염기쌍의 DNA로 구성된다.
• 약 26000개의 유전자를 포함한다.
• 연구의 용이성 : 실험실에서 비교적 쉽게 재배할 수 있다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Vertebrates(척추동물)

• 가장 복잡한 동물군 : 인간과 다른 포유류를 포함한다.
• 인간 유전체 정보 : 약 30억 염기쌍으로 구성되며, 20000개의 단백질 코딩 유전자를 포함한다.

Zebrafish(제브라피쉬)

• 연구의 장점
• 척추동물 발달의 유전적 연구에 유리하다.
• 실험실에서 쉽게 유지할 수 있으며, 빠르게 번식한다.(세대 시간 : 3~4개월)
• 연구의 의미 : 인간과 단순한 무척추 동물(ex : C.elegans, Drosophila) 사이의 연결 고리 역할을 한다.

Mouse(생쥐)

• 포유류 중 가장 적합한 유전 분석 모델 : 인간과 유전적, 생리학적 유사성이 높아 다양한 질병 연구에 활용된다.

 

 

동물 세포 배양(Animal cell culture)

연구 분야

• DNA 복제, 유전자 발현, 단백질 합성 및 가공, 세포 분열 등 포유류 세포 생물학의 많은 측면을 연구한다.
• 세포 성장과 분화를 조절하는 신호 전달 메커니즘을 이해하는 데 중요하다.

Culture of animal cells

 

배양 과정

1. 조직 조각을 세포 현탁액으로 분산시킨다.
2. 세포를 플레이트에 도말한다.
3. 세포를 성장시킨다.
4. 필요에 따라 계대 배양(Subculture)을 진행한다.

 

바이러스(Viruses)

• 세포 내 기생체 : 독자적으로 복제할 수 없으며, 숙주 세포 내에서만 증식한다.
• 구성 : 유전체 핵산(DNA 또는 RNA)과 이를 둘러싸나 단백질 외피로 구성된다.
• 연구의 중요성 : 세포의 기능을 조사하기 위한 단순한 시스템을 제공한다. 빠른 성장과 작은 유전체 크기로 인해 분자 생물학 연구에 유용하다.

 

1.3 Tools of Cell Biology : Microscopy and Subcellular Fractionation

 

저 앙증맞은 것들을 우리는 관찰할 수 있다.

 

광학 현미경(Light Microscopy)

 

 

• 세포 관찰 범위
• 대부분의 세포는 1에서 100㎛ 크기이며, 이는 광학 현미경으로 관찰 가능하다.
• 해상도(Resolution)
  • 현미경이 가까운 거리로 분리된 두 물체를 구분하는 능력
  • 광학 현미경의 이론적 한계는 두 가지 요인에 의해 결정된다.
• 가시광선의 파장(λ)
• 현미경 렌즈의 집광력(수치 개구수, Numerical Aperture, NA)

 

 

 

명시야 현미경(Bright-field Microscopy)

• 가장 간단한 광학 현미경 기술
• 빛이 세포를 직접 통과하여 이미지를 형성한다.
• 대조(Contrast)에 의한 세포 구조 구분
• 세포의 다양한 부분을 구분하기 위해 염색을 사용하여 대조를 향상시킨다.
• 염색 전에, 시료는 고정제(알코올, 아세트산, 포름알데하이드 등)로 처리된다.
• 한계점:
  • 염색 없이 빛만으로는 세포의 많은 부분을 구분하기 위한 충분한 대조를 제공하지 못한다.
  • 살아있는 세포의 많은 실험에 적합하지 않다.

 

위상차 현미경과 미분 간섭 대비 현미경(Phase-contrast microscopy & differential interference-contrast microscopy)

• 세포 내부의 밀도나 두께의 차이를 광학적으로 변환하여 이미지화한다.
• 염색되지 않은 살아있는 세포의 선명한 이미지를 제공한다.

 

형광 현미경과 GFP

형광 현미경(Fluorescence Microscopy)

• 세포 내 분자 분포를 연구하는 데 널리 사용된다.
• 형광 염료는 특정 파장의 빛을 흡수하고 다른 파장의 빛을 방출하는 분자이다.
• 녹색 형광 단백질(GFP)
• 해파리의 GFP를 이용하여 살아있는 세포 내에서 단백질을 시각화한다.

 

단백질 이동과 상호작용 관찰

 

FRAP

• FRAP - 광표백 후 형광 회복(Fluorescence recovery after photobleaching) 
  • GFP로 표지된 단백질의 이동을 연구하는 방법
• 고강도의 빛에 노출하여 형광을 표백하고, 시간이 지남에 따라 형광 회복을 관찰하여 단백질 이동 속도를 측정한다.

 

 

FRET

• FRET - 형광 공명 에너지 전달(Fluoreschence resonance energy transfer)
• 두 단백질 간의 상호작용을 연구한다.
• 첫 번째 GFP 변종을 흥분시키는 파장의 빛을 사용하고, 방출된 빛의 파장을 분석하여 단백질 간의 거리를 측정한다.

 

 

3차원으로 세포 관찰하기

 

공초점 현미경(Confocal Microscopy)

• 기존 형광 현미경의 한계
• 초점이 맞지 않는 형광으로 인해 흐릿한 이미지가 생성된다.
• 공초점 현미경의 장점
  • 대조도가 향상된 이미지를 제공한다.
  • 시료의 단일 지점에서만 형광을 분석하여 이미지를 얻는다.
• 공초점 조리개(Pin-hole aperture)를 사용한다.

 

다광자 현미경(Multiphoton Microscopy)

• 공초점 현미경의 대안
• 살아있는 세포에 적용할 수 있다.
• 두 개 이상의 광자의 동시 흡수를 이용한다.
• 시료에 대한 손상을 최소화하여 3차원 이미지를 얻을 수 있다.

 

초고해상도 현미경 : 회절 한계 극복

• 초고해상도 현미경(Super-resolution Microscopy)
• 회절 한계를 극복하여 해상도를 높인다.
• 형광 현미경의 해상도를 10~100nm 범위로 증가시킨다.
• STORM(Stochastic Optical Reconstruction Microscopy)
• 2006년 개발
• 약 20 nm의 해상도를 달성한다.

 

전자 현미경(Electron Microscopy)

해상도 : 광학 현미경보다 약 100배 높은 해상도를 가진다.

 

투과 전자 현미경(TEM)

전자 빔이 시료를 통과한다.

시료 준비

• 무거운 금속의 염(지질, 단백질, 핵산과 반응하는)으로 고정 및 염색한다.
• 무거운 금속 이온은 다양한 세포 구조에결합하여 어둡게 나타난다.
• 전자 밀도가 높은 무거운 금속(ex : 금 입자)으로 표지된 항체를 사용한다.
• 해상도 : 2~10nm의 해상도를 제공한다.

 

주사 전자 현미경(SEM)

• 전자 빔이 시료를 통과하지 않고 표면을 스캔한다.
• 시료의 3차원 구조를 관찰한다.

 

세포 소기관 분획(Subcellular Fractionation)

초원심분리기(Ultracentrifuge) : 고속 회전을 통해 세포 내 소기관을 분리한다.

 

• 속도 침강법(Velocity Centrifugation) : 입자와 크기와 모양에 따라 분리한다.

 

 

• 등밀도 침강법(Equilibrium Centrifugation)

• • 입자의 부유 밀도에 따라 분리하며, 크기와 모양에 무관하다.
  • 설탕 또는 염화 세슘이 포함된 구배에서 원심분리한다.