이번 포스트에서는 성(sex) 그 자체에 대해 생물학적으로 생각해보고, 이어서 각종 생물들의 다양한 life cycle에 대해 알아보자.
1. 생물학적 성(sex)
sex는 왜 진화적으로 보존된 것일까. 다양한 이유가 있겠지만 meiosis를 통해 종 내 genetic variation이 커져서 결과적으로 (다양한 상황에 효과적으로 적응하므로) 진화적인 메리트를 주기 때문이 아닐까 생각해볼 수 있음.
그렇다면 인간의 경우 왜 하필 두 개의 성이 있는 것일까. (즉, 왜 인간에게서는 sex dimorphism이 나타나는가) 이는 아마 2개만 있어도 충분한 genetic diversity가 발생할 수 있고, 너무 성의 수가 많을 시 지나친 돌연변이가 발생해서 negative한 효과가 나타날 수 있기 때문일 것임.
2. 다양한 생물들의 life cycle
지금부터 3가지 model 생물의 life cycle에 대해 알아보자.
첫 번째로 살펴볼 model 생물은 녹조 생명체의 일종인 chlamydomonas임.
위 그림은 chlamydomonas의 모습을 나타내주고 있으므로 참고할 것.
chlamydomonas는 life cycle의 대부분을 haploid phase로 살아가며, 이 때 mitotic division을 통해서 asexual하게 daughter cell을 만들어짐. 그런데, 이 녀석이 unfavorable nutrient condition에 처하게 되면 cell division에 의해 만들어진 daughter cell들 중 일부는 gamete으로 기능하게 됨.
이 때 생성되는 gamete은 mt^-와 mt^+의 두 가지 종류가 있으며, (-) type과 (+) type이 만나서 fertilization이 이루어지게 됨. (그 결과 zygote가 형성됨) 참고로 (+) type과 (-) type은 형태적으로는 동일하지만 chemical한 관점에서만 다르므로 이 둘을 일컬어 isogametes(동형배우자)라고 부름.
위 그림은 chlamydomonas의 life cycle을 다시금 나타내주고 있음. 보면 보통 상황에서는 이 녀석이 haploid(n)로 살아가며, mitosis를 통해 개체수를 늘려감. 그러다가 harsh한 condition이 되면 (+)와 (-) type의 gamete가 각각 형성됨. 그리고 이들 (+)와 (-)가 만나서 fertilization이 이루어지게 됨. 이 결과 diploid(2n)의 dormant한 zygote가 형성되고, tough wall을 형성하게 됨. (즉, dormant zygote의 형태로 가만히 웅크려서 harsh한 상황을 견뎌내는 것임) 그러다가 다시금 주변 환경이 좋아지게 되면 zygote에서 일어난 meiosis를 통해 다시금 haploid cell이 만들어지게 됨.
두 번째로 살펴볼 model 생물은 옥수수의 일종인 Zea mays임.
위 그림은 다양한 식물들의 생활사를 나타내주고 있음. 보면 나무와 같은 속씨식물의 경우 life cycle의 대부분을 2n으로 살아가며, 우리가 보는 대부분 개체의 모습이 2n 상태임. 한편 선태식물에 속하는 이끼의 경우 일생의 대부분을 n으로 살아가며, 우리가 보는 이끼의 모습이 n 상태임. (참고로 식물에서의 n 상태를 gametophyte라고 부르고, 식물에서의 2n 상태를 sporophyte라고 부름)
이를 보면 알 수 있듯이, 식물종에 따라서 life cycle 내 n : 2n 비율이 천차만별임.
위 그림에 나타나 있는 것처럼 Zea mays의 경우 일생의 대부분을 diploid로 살아감.
그러나 이 녀석의 경우에도 서로서로간의 수분 시기가 되면 n을 만들게 됨. 일단 이 시기에서는 stamen(수술)과 pistil(암술)이 각각 2n의 cell을 방출함. 이후 이 cell들이 각각 meiosis를 통해서 n cell을 만들게 됨.
다만 수술에서 비롯된 microspore는 다시금 mitosis를 통해 pollen grain을 형성한 뒤에 나중에 double fertilization됨. 이를 중복수정(정자 2개가 난자들과 수정)이라고 함.
이와 관련된 자료가 위에 나타나 있으므로 참고할 것.
그런데 식물에 대해 살펴보고 있으면, 사실 신기한 점이 하나 있음. 식물, 그 중에서도 지금 살펴보는 Zea mays의 경우 한 개체에 암술과 수술, 즉 암컷 표현형과 수컷 표현형이 다 나타나 있음. 이 것이 어떻게 가능한 것일까.
이는 한 개체가 암컷, 수컷의 gene을 다 가지고 있기 때문임. 다만 gene expression의 cell specific한 regulation에 의해서 암/수 표현형이 기관마다 다르게 나타나는 것임. (사람의 경우 애초에 여자는 여자 gene만, 남자는 남자 gene만 가지고 있는것과 대조적임)
그렇다면, 우리는 특정 gene이 성을 결정하는데 있어 중요한 gene임을 어떻게 밝힐 수 있을까. 답은 간단한데, 특정 gene을 없애봤을 때 성 결정이 제대로 이루어지는지 여부를 파악하면 됨.
이런 방법으로 밝혀낸 대표적인 Zea mays의 성 결정 gene 중 하나는 바로 tasselseed(tsI, ts2)임. 이 gene의 역할은 바로 수술이 발현되는 부위에서 간혹 잘못 발생하는 pistil cell(암술 세포)을 apoptosis(세포 자살)를 통해 제거하는 것임.
그런데 이 gene에 돌연변이를 유발할 시 수술 부위(tassel)에 위와 같이 수염이 나고, 이 부위에 익다 만 옥수수까지도 관찰된다는 것을 알 수 있음.
또 다른 Zea mays의 성 결정 gene들로는 silkless(sk)와 barren stalk(ba) 등이 있음. 이들 gene들 각각에 대해 homozygote recessive mutant를 만들 시 pistil의 development가 억제됨을 확인 가능함. (그 결과 오직 male에 해당하는 phenotype만 관찰됨)
이와 관련된 그림이 위와 같음.
마지막으로 살펴볼 model 생물은 C. elegans임. 이 녀석의 경우 두 종류의 sexual phenotype이 존재하는데, 바로 male과 hermaphrodites임. 이 중 male은 testes만 가지며, hermaphrodites는 testes와 ovaries를 다 가지고 있음.
위 그림은 C. elegans의 구조를 나타내주고 있으므로 참고할 것.
한편 위와 같이 Hermaphrodite 끼리는 self-fertilization(자가수정)되는 것이 가능함. 이에 의해 생기는 자손의 경우 99% 정도가 다 Hermaphrodite이며, 1% 미만이 male임. 한편 Hermaphrodite와 male끼리의 cross-fertilization(타가수정)도 가능한데, 이에 의해 생기는 자손의 경우 50%는 Hermaphrodite, 나머지 50%는 male임.
+) 참고로 C. elegans의 경우 X chromosome과 autosome(상염색체)의 개수 ratio에 의해 성이 결정됨. 즉, 1개의 X가 있을 시 male, 2개의 X가 있을 시 hermaphrodite가 됨.
다음 포스트에서는 이어서 성 결정(sexual determination)에 대하여 자세하게 알아보자.