감수분열 - 번식의 방법

생명체는 두 가지 방식으로 번식한다. 하나는 자신의 유전물질을 그대로 복제하는 방식이며, 또 하나는 서로 다른 개체가 만나 유전 정보를 교환하거나 결합하는 방식이다. 전자는 무성생식, 후자는 유성생식이라 한다. 미생물의 접합도 유전자를 교환하기에 넓은 의미에서보면 유성생식이라 할 수 있으나, 접합은 개체수를 증가시키지는 않기에 ‘번식’한다고 보기는 어렵다. 일반적으로 우리에게 익숙한 유성생식은 난자와 정자가 만나 수정란을 형성하는 번식을 말한다. 무성생식과 유성생식 마음에 꼭 맞는 상대를 만나게 되면 사람들은 드디어 '잃어버린 반쪽을 찾았다'라고 표현한다. 혼자서는 완전할 수 없는 반쪽을 보완해주는 그런 사람을 만났다는 의미일 게다. 세포의 세계에서도 그런 '반쪽이'들이 존재한다. 혼자서는 아무 것도 할 수 없지만, 둘이 만나면 새로운 생명을 탄생시키는 엄청난 역할을 하는 세포들이 바로 생식을 담당하고 있는 생식세포인 정자와 난자들이다. 정자와 난자가 신체의 다른 체세포들과 다른 점은 체세포에 비해 유전물질을 절반 밖에 갖지 않는다는 것이다. 이는 어찌보면 당연한 일이다. 만약 생식세포가 체세포와 동일한 양의 유전물질을 갖는다면 매번 수정 시마다 유전물질의 양이 두 배로 늘어날 테니 말이다. 따라서 생식세포들의 분열은 감수분열이라는 독특한 과정을 거친다. 하나가 둘이 되는 과정 (1) 체세포 분열 감수분열(減數分裂, meiosis)이란 말 그대로 ‘염색체 수(數)가 반으로 줄어드는(減)’ 분열이란 뜻이다. 이를 이해하기 위해서는 먼저 보통의 세포들이 어떻게 분열하는지를 알아야 한다. 살아 있는 세포들은 세포분열을 통해 수를 늘린다. 일반적인 세포분열에서 분열 이전의 세포와 분열 이후의 세포의 유전물질은 동일하다. 단세포생물에게서는 세포분열 자체가 하나의 번식이지만, 다세포생물에게서는 이는 세포수의 증가로 이어지기에 보통 이를 체세포분열(體細胞分裂, mitosis)이라 한다. 보통 세포가 한 번 분열한 뒤 다음 번 분열하기까지를 세포주기라고 하는데, 보통 세포주기는 G1기, S기, G2기, M 기 등 4단계로 이루어진다.

간기 - G1, S, G2기 세포 분열 직후, 세포는 G1기에 들어선다. 이 때의 G란 Growth의 머릿글자로, 말 그대로 세포가 성장하는 1단계 시기라는 뜻이다. 보통 세포분열을 하게 되면 하나의 모세포가 동일한 두 개의 딸세포로 분열한다고 하지만, 이 때의 ‘동일’이라는 개념은 유전물질에만 해당된다. 예를 들어 인간의 체세포는 46개의 염색체를 가지고 있다. 따라서 하나의 세포가 세포분열을 하여 생긴 두 개의 딸세포는-세포 분열시 오류가 없었다면- 둘 다 46개의 염색체를 가진다. 하지만 모든 것이 다 동일한 것은 아니다. 일단 크기가 다르다. 분열 시 염색체는 두 배로 복제했어도, 세포의 크기가 두 배로 늘어난 것은 아니기 때문이다. 따라서 분열 직후의 딸세포는 외형적 크기가 모세포보다 작으며, 내부의 세포내 소기관들과 세포질의 양 역시 모세포보다는 적게 가지고 있다. 따라서 이 상태에서 또다시 세포분열을 시도한다면 세포의 크기는 점점 작아질 수 있기 때문에, 일단 분열 뒤의 세포들은 원래의 세포처럼 '성장'할 필요가 있다. 이 시기가 바로 성장 1단계 시기인 G1시기이다. G1시기 동안 세포는 원래의 크기로 성장하고 DNA 복제에 필요한 사전 준비를 하며 다음 분열을 위한 내실을 다진다.

세포주기는 G1기, S기, G2기, M 기 등 4단계로 나누어진다.  G1기, S기, G2기를 합쳐 간기(Interphase)라고도 한다.  <출처: (cc) Emw, T4taylor, Beao at wikipedia>

이 때 분열 주기가 빠른 세포들은 G1기를 거친 뒤 바로 S기로 넘어가기도 하지만, 많은 세포들은 G1기 이후 더 이상의 변화없이 그 상태를 그대로 유지하는 경향을 보인다. 이를 휴지기(G0)라고 부르는데, 분열 현상은 세포에 있어서도 일종의 이벤트이므로 전체 세포 주기 중에 G0기가 대부분을 차지하는 경우가 많다. 어쨌든 G1기가 지나고 나면 세포는 진짜 모세포와 '동일'한 수준으로 변모한다. 어린 딸이 자라 새로운 엄마가 될 가능성을 가지게 된 것이다. 이 때 세포 분열이 필요한 경우, cyclin 등의 세포주기 조절 물질의 영향을 받아 세포는 S기에 들어서게 된다. S기의 S는 synthesis(합성)의 약자로, 말 그대로 세포분열을 위해 가장 중요한 유전물질 DNA를 두 배로 늘리는 시기인 것이다. S기 동안 DNA를 두 배로 불린 세포는 이제 본격적인 분열 준비기인 G2기로 들어간다. 아이를 낳기 전에 출산준비물을 준비하듯, 세포도 본격적인 분열에 대비해 준비를 하는 것이다. 모든 준비가 다 갖춰지면 세포는 이제 본격적인 분열기인 M기(mitotic phase)로 들어선다. 분열기 - M기 세포분열기인 M기는 핵분열기와 세포질 분열기로 나뉘고, 핵분열기는 다시 전기, 중기, 후기, 말기로 나뉜다. 세포분열기에 일어나는 현상은 하나의 포장지에 들어있는 마구 엉켜 있는 색실들을 두 아이에게 동일하게 나눠주는 과정과 동일하다. 만약에 이런 귀찮은(!)일을 하려면 먼저 포장지를 뜯고 색실들을 색깔별로 구분해서 타래를 만들어야 한다. 마찬가지로 세포분열 전기의 세포는 먼저 DNA를 감싸고 있던 핵막을 없애고 DNA를 동일하게 나누기 위해 실처럼 흩어져 있던 DNA들을 막대기 모양의 염색체로 뭉치기 시작한다. 색실들을 다 뭉쳤으면 이제 이들을 가지런히 배열해서 혹시 겹쳐지거나 모자라는 색실이 있는지를 파악해야 정확한 분배가 가능한 것처럼, 세포분열 중기에는 염색체들이 세포 가운데에 열을 맞추어 가지런히 배열된다. 이제 남은 것은 이를 두 아이에게 나눠주는 것인데, 세포분열 후기에는 염색체들이 둘로 나뉘어 각각 세포의 양극으로 이동하는데, 사람의 경우에는 손을 이용해 색실을 나누지만 세포들의 경우에는 방추사라는 일종의 실 같은 조직들이 염색체를 붙잡아 세포 양쪽으로 끌어당기는 역할을 한다. 색실 무더기를 다 나눈 뒤에는 다시 색실을 풀어서 각각의 포장지에 싸는 것처럼, 세포분열 말기에는 염색체가 사라지고 다시 풀어지며 사라졌던 핵막이 다시 나타난다.

체세포 분열의 과정. 염색체를 파란색으로 방추사를 녹색으로 염색하여 찍은 현미경 사진. <출처: Royvanheesbeen >

이제 핵분열은 모두 끝났으니 이제는 한 지붕 두 살림인 세포들을 각각 떼어놓을 때가 되었다. 동물세포는 마치 찹쌀떡을 잡아당겨 둘로 나누듯 세포의 중간 부위가 서서히 좁아지다가 뚝 끊어지는 현상이 나타나고, 식물세포는 벽돌을 쌓아 화단을 나누듯 안쪽에서부터 새로운 세포벽이 만들어져 세포를 둘로 가르는 차이는 있지만 세포질 분열까지 이루어지고 나면 모세포와 유전물질의 양은 같으나 크기는 작은 두 개의 딸세포가 만들어지는 것이다. 하나가 둘이 되는 과정 (1)  생식세포의 감수분열 생식세포의 감수분열 역시 위에서 언급한 모든 과정을 충실히 거친다. 그런데 이건 제 1분열의 경우이다. 감수분열은 분열이 연달아 두 번 일어나는데, 첫 번째 일어나는 제 1분열은 체세포 분열과 동등한 과정을 거치기에 분열 전후 유전물질의 양은 동일하지만, 2분열은 다르다. 1분열과 연달아 일어나는 2분열은 성질이 매우 급해 G기와 S기를 건너뛰고 바로 M기로 넘어가기에 이 때 분열되는 세포들은 유전물질을 절반만 가진 채 분가하게 된다. 즉, 1개의 모세포가 감수분열을 거치면, 유전물질을 절반만 가진 딸세포들이 4개 생겨나게 된다는 것이다. 사람의 경우, 정소에 존재하는 정원세포(남성)와 난소에 존재하는 난원세포(여성)가 각각 감수분열의 과정을 거쳐 체세포의 절반의 유전물질을 가진 정자와 난자를 만들어낸다.

감수분열의 과정. 
<출처: (cc) Boumphreyfr at Wikipedia>

반쪽짜리 두 개가 만나면 단순히 하나가 아니라 전체가 된다! 정자와 난자는 유전물질 함유량 측면에서 본다면 결코 온전하다고 말할 수 없는 세포들이지만, 각각의 ‘반쪽’을 만나 수정란을 형성하는 경우 ‘정상적’인 유전물질을 가지게 될 뿐 아니라 발달된 현대 과학으로도 실현치 못한 새로운 생명을 탄생시키는 놀라운 능력을 가지게 된다. 하나를 나누면 반쪽짜리 두 개가 만들어질 뿐이지만, 그 반쪽짜리 두 개가 만나면 단순히 하나가 아니라 전체가 되는 기적같은 현상이 일어나는 것이다.