[유전학] 11.3 : Hox 유전자 발현 조절

 

 

이번 포스트에서는 Hox 유전자의 발현 조절 메커니즘에 대해 알아보자.

 

 

 

 

위 그림은 초파리의 발생 과정을 개괄적으로 보여주고 있음. 우선 처음으로 diploid zygote가 형성됨. 이후 9번의 분열동안은 핵분열만 일어나 multinucleated syncytium이 형성됨. 그 다음 4번의 분열동안은 nucleus들이 각자 cell의 가쪽 위치에 적절하게 분포하게 됨. 이어서 각 nucleus마다 cell membrane이 형성되고, embryo surface에 single layer가 형성되게 됨. 이런 상태에서 embryo→adult로의 성장이 일어남.

 

 

실제로 Hox gene의 expression을 control하는 것은 무엇일지에 대해 알아보기 위해서 특정 segment가 없는 fly mutant를 찾음. 그러나 이들 mutant들은 lethal해서 embryo 시기에 모두 죽어버림.

 

 

 

이러한 lethal mutant들을 다 모아본 결과 크게 위와 같은 3가지 category의 mutant로 분류됨.

 

 

첫 번째 종류는 Gap임. 이 group은 mutation 시 여러 segment들이 통으로 날아가는 gene들의 모임에 해당함. 보면 Gap gene에 mutation이 발생할 경우 11번 이하의 division만에 여러 segment들이 통으로 날아가는 현상이 발생하며 죽어버리게 됨. Gap gene의 대표적인 종류로는 Kruppel이 있음.

 

 

두 번째 종류는 Pair-rule임. 이 group은 mutation 시 segment들이 뛰엄뛰엄 사라지는 gene들의 모임을 의미함. 보면 pair-rule gene에 mutation이 발생할 경우 11-12 division 만에 체절들이 뛰엄뛰엄 사라지는 현상이 발생하여 죽어버리게 됨. Pair-rule gene의 대표적인 종류로는 even-skipped가 있음. (even-skipped gene에 mutation이 발생하게 되면 짝수번째 체절만 결실되게 됨)

 

 

마지막 종류는 segment polarity gene임. 이 group은 mutation시 segment들의 앞 뒤 분포가 동일해서 앞뒤가 구분되지 않게 되는 gene들의 모임을 의미함. 보면 segment polarity gene에 mutation이 발생할 경우 13 division만에 앞뒤가 구분되지 않는 현상이 발생하여 죽어버리게 됨.

 

 

 

 

위 표에는 실제로 gap gene, pair-rule gene, segment polarity gene의 각종 종류가 나타나 있으므로 참고할 것.

 

 

 

 

정리하자면 gap gene은 embryo가 head, thorax, abdomen으로 divide 될 수 있게 해주며 총 11번 정도의 division 후 발현되게 됨. 한편 pair-rule gene은 segment의 boundary의 대략적인 형성과 관련되어 있으며 12번 정도 division 후 발현되게 됨. 마지막으로 segment polarity gene은 embryo가 14개의 segment로 나누어질 수 있게끔 해주며 14번 정도 division 후 발현됨. 이 때 이들 gene들은 모두 transcription factor를 encoding하고 있으며, 이 transcription factor들이 Hox gene의 expression을 조절함.

 

 

 

 

 

조금 더 정확하게는 위 그림에 나타나 있는 것과 같이 gap gene→pair-rule gene→segment polarity gene→homeotic gene의 순서로 expression regulation이 일어나게 됨. 참고로 이 때 gap gene, pair-rule gene, segment polarity gene들을 합쳐 segmentation gene이라 부르며, 이들 segmentation gene의 combination이 세포들마다 다르기 때문에 체절형성이 세포 종류에 따라 아주 정교하게 조절되게 됨.

 

 

그렇다면 segmentation gene의 발현은 어떻게 control되는 것일까.

 

 

 

 

 

위 그림에 나타나 있는 bicoid mutant를 보면 배발생 시 앞부분이 없고 양쪽이 다 뒤가 되어 치사하게 되는 것을 알 수 있음. 한편 위 그림에 나타나 있는 nanos mutant를 보면 배발생 시 뒷부분과 배부분 없이 양쪽 다 앞이어서 치사하게 되는 것을 알 수 있음. 이들은 embryo의 polarity가 결실된 mutant들로, maternal effect mutation에 해당함.

 

 

 

 

위 그림을 보면 maternal effect mutation인 이유를 알 수 있으므로 참고할 것.

 

 

 

 

 

실제로 위 그림을 봐도 알 수 있는 것처럼 bicoid(bcd) gene은 발현되어 bcd를 만들고 이것이 egg의 앞쪽에 불균등하게 분포하게 됨. 이 때 bcd가 많이 존재하는 곳이 나중에 anterior가 됨. 한편 nanos(nos) gene은 발현되어 nos를 만들고 이것이 egg의 뒤쪽에 불균등하게 분포하게 됨. 이 때 nos가 많이 존재하는 곳이 나중에 abdomen structure가 됨.

 

 

 

 

 

결국 모든 층위의 조절기전이 다 표현된 그림은 위와 같음.

 

 

 

 

이 때 맨 처음 시점에는 정자와 난자가 수정되어 zygote가 형성되는 과정에서 bcd와 nos가 각각 transcription factor로 작용하여 앞, 뒤를 형성하게끔 segmentation gene을 촉진하게 된다는 것을 알 수 있음. 이후 segmentation gene들이 발현되어 만들어진 전사인자들에 의해 homeotic gene들의 expression이 조절되어 결국 성체로 분화하게 됨.

 

 

 

 

 

지금까지 설명한 체절형성 및 분화 과정을 조금 더 자세하게 표현해주고 있는 그림이 위와 같으므로 참고할 것.

 

 

 

 

다음 포스트부터는 집단 유전학에 대해 알아보자.