[세포생물학] 실험모델(2) - 예쁜꼬마선충, 초파리, 애기장대, 실험모델로서 이점

유전학, 식물분자생물학 등에 메인으로 사용되는 실험모델이 있다. 바로 예쁜 꼬마선충과 초파리, 애기장대이다. 해당 실험모델은 비교적 유전구성이 단순하고, 실험실 내에서 쉽게 배양할 수 있다는 장점을 가진다. 해당 모델에 대한 자세한 내용을 살펴보자.

 

 

The natural history of model organisms, [출처] Ute Krauml, Ruhr University Bochum, Germany Mar 25, 2015

 

 

예쁜 꼬마선충 (Caenorhabditis elegans)

단세포 진핵생물인 효모처럼, 점균류는 진핵세포 연구에 중요한 모델이지만 다세포 생물의 발생을 연구하기 위해서는 더 복잡한 모델이 필요하다. 선충류 중 하나인 예쁜 꼬마선충은 동물 발생, 세포 분화 연구에 적합한 특징을 가지고 있어 다세포 생물 발생연구에 널리 사용되고 있다. 예쁜 꼬마선충의 유전체는 약 1 억 염기쌍으로 단세포 진핵생물의 유전체보다 복잡하지만 다른 동물에 비해 비교적 적은 편이어서 다루기 쉽다. 예쁜 꼬마선충은 약 19,000 개의 유전자를 가지는데, 효모의 3 배 정도이고, 사람의 유전자 수와 비슷하다.

 

실험모델로서 이점

생물학적으로 예쁜 꼬마선충은 비교적 단순한 다세포 생물이다. 성충은 겨우 959 개의 체세포와 1,000 - 2,000 개의 생식세포를 가지며, 실험실에서 배양이 쉽고 유전자 조작이 가능하다. 예쁜 꼬마선충은 단순하므로 현미경에서 발생과정을 자세히 관찰할 수 있다. 이런 분석으로 성충의 세포가 발생에서 배의 어떤 세포로부터 기원하였는지, 계통이 어떠한지를 알 수 있게 되었다. 유전학적 연구에 의해 발생을 조절하는 유전자에 대한 돌연변이체들이 발견되었고, 더 나아가 선충의 발생과 분화에 주요 역할을 하는 유전자들이 분리되고 규명되었다. 중요한 것은 인간을 포함한 고등생물에서도 선충의 발생 유전자와 유사한 유전자가 존재한다는 것이 밝혀진 것인데, 이는 예쁜 꼬마선충이 동물 발생에 중요한 모델로 사용될 수 있음을 의미한다.

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초파리 (Drosophila melanogaster)

예쁜 꼬마선충처럼 초파리도 발생학 연구에 중요한 모델로 사용될 수 있다. 초파리의 유전체는 1.8 억 개로 기하급수적으로 늘어난다.  이는 예쁜 꼬마선충보다 크지만 유전자의 수는 14,000 개로 예쁜 꼬마선충보다 작다. 나아가 초파리는 실험실에서 사육이 용이하고 생식주기가 약 2 주로 다른 동물에 비해 짧아서 유전학 실험에 용이하다. 20 세기 초반에 초파리를 사용해 유전자와 염색체의 상관관계 등 기본적인 유전학 개념이 밝혀졌다. 초파리의 유전학적 분석에 의해 발생과 분화를 조절하는 많은 유전자가 밝혀졌고 현대 분자생물학은 이들 유전자의 기능을 자세히 규명할 수 있게 되었다. 결론적으로 초파리 연구는 동물 발생, 특히 복잡한 다세포 동물의 신체 형성과정을 분자적으로 이해하는데 도움을 주었다. 척추동물에도 예쁜 꼬마선충과 초파리에서 발견되는 유전자와 유사한 발생유전자가 존재하며 작용 메커니즘도 유사하다는 사실은 이들이 현대 발생학 연구에 주요 실험모델로 사용될 수 있음을 나타낸다.

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애기장대 (Aravidopsis thaliana)

식물분자생물학, 식물발생학은 경제적으로 중요성이 매우 크며, 활발히 연구진행 중이어서 그 영역이 확장되고 있는 학문분야이다. 식물 유전체는 동물 유전체와 크기가 유사하고 복잡하기 때문에 식물분자생물학을 연구하기 위해서는 동물의 예쁜 꼬마선충, 초파리와 같이 비교적 단순하고 실험실에서 배양하기 용이한 모델이 필요하다. 애기장대는 현화식물로 이러한 조건을 충족시키기 때문에 식물 분자생물학 연구에 모델로 널리 사용되고 있다. 애기장대 유전체는 1,200 만 염기쌍을 가지며 26,000개의 많은 유전자를 가진다. 하지만 대다수의 유전자가 반복되는 것이어서 애기장대만의 독특한 유전자는 약 15,000 개에 그친다. 그렇기 때문에 초파리나 예쁜 꼬마선충과 비슷한 정도의 유전자 복잡성을 가진다. 애기장대를 이용한 연구로 꽃을 피우는 것과 같이 식물 발생에 관련된 유전자가 밝혀졌다. 이러한 유전자 분석으로 식물과 동물에서 발생 조절 유전자의 유사점과 차이점이 규명되었다.