[세포생물학] 실험모델(3) - 척추동물, 제노푸스, 제브라피쉬, 마우스, 사용이유

가장 복잡한 동물은 인간과 포유류를 포함한 척추동물 (Vertabrates)이다. 인간의 유전체는 30 억 염기쌍으로 구성되어, 앞서 설명했던 실험모델과 비교하여 약 20 - 30 배 크고, 20,000 - 25,000 개의 유전자로 구성된다. 

 

 

인간은 가장 많은 유전자로 구성된다. [출처] Califonia state library

 

척추동물 (Vertabrates)

인체는 200 종 이상의 서로 다른 특화된 세포로 구성된다. 이런 복잡성 때문에 척추동물은 세포 및 분자생물학 관점에서 연구가 매우 어렵지만 생명과학의 주된 관심사는 결국 인간이다. 인간이나 다른 포유동물의 세포를 연구하는 방법 중 하나는 인간 세포를 시험관에서 배양해 실험에 사용하는 것이다. 배양된 세포를 이용하여 포유류 세포의 DNA 복제, 유전자 발현, 단백질 합성과 처리, 세포 분열 등과 같은 기본적인 연구가 진행됐다. 특히 화학적으로 조성이 규명된 배지에서 세포를 배양하면서 세포 성장과 분화를 조절하는 세포신호전달계 연구가 가능하게 되었다. 고도로 분화된 세포는 특화된 특징을 가지고 있어서 세포생물학의 특정 현상을 연구하기에 적합하다. 예를 들면 근육세포는 근력을 만들고 운동을 할 수 있도록 특화되어 있다. 그렇기 때문에 세포 운동을 분자 수준에서 연구하기에 중요한 세포모델로 사용된다. 또 다른 예로 뉴런은 전기화학적 신호를 먼 거리까지 전달하도록 특화된 세포이다. 인체의 뉴런은 길이가 1m가 넘고, 오징어 같은 무척추동물의 거대 엑손은 직경이 1mm에 이르기도 한다. 그렇기 때문에 이온 수송, 세포소기관 수송 등에 관련된 연구를 진행하기에 용이하다.

 

제노푸스 (Xenopus laevis), 제브라피시 (Zebrafish)

초기 척추동물 발생 연구에 중요한 모델로 사용된다. 제노푸스 난자는 직경이 약 1 mm나 되는 거대한 세포이다. 수정란은 모체 밖에서 발생하므로 난자에서 올챙이까지의 발생과정을 실험실에서 쉽게 연구할 수 있다는 장점을 가진다. 또 한 번에 많은 수정란을 얻을 수 있기 때문에 생화학적 분석에 용이하다. 제노푸스의 이런 장점은 발생생물학 연구에 널리 이용되어 왔으며, 특히 발생, 분화, 배아세포의 분열을 분자 수준에서 이해하는데 많은 도움을 주었다. 척추동물 발생을 유전학적으로 연구하기에 유리한 이점을 다수 가진다. 제브라피시는 성체 크기가 작고 실험실에서 사육이 쉽다. 생식기간이 3 - 4 달로 척추동물 중에서는 짧은 편에 속한다. 배아는 체외에서 발생하고 투명하기 때문에 발생 단계를 쉽게 관찰할 수 있다. 제브라피시 발생에 영향을 미치는 유전자 돌연변이를 쉽게 분리하는 기술이 개발되어 현재 수천 종의 돌연변이가 만들어졌다. 제브라피시는 연구가 용이한 척추동물이므로 무척추동물인 예쁜 꼬마선충, 초파리의 연구를 사람에게 적용하는 중간 역할을 수행한다.

 

마우스 (Mouse)

포유동물 중에서 유전 분석에 가장 적합하며 최근 유전체 염기서열이 완전히 규명되었다. 아직도 마우스 유전학 연구는 기술적으로 어렵지만 마우스의 발생에 영향을 주는 많은 돌연변이가 분리되었다. 최근에는 특정 돌연변이 유전자를 생쥐 배아에 삽입해, 성체에서 이들 유전자 기능을 연구할 수 있도록 유전적으로 조작된 마우스를 생산할 수 있게 되었다. 마우스 유전체는 인간 유전체와 85 % 이상의 유사도를 보인다. 일부 유전자는 99 % 이상의 유사도를 보이기도 한다. 예를 들어 사람과 마우스에게 모두 나타나는 백피증은 유전자 돌연변이에 의해 배발생단계에서 멜라닌 세포가 정상적으로 이동하지 못해 발생하는 유전병이다. 면역학 분야에서는 마우스의 면역체계를 의도적으로 제거하고 인간의 조혈모세포를 투여하여 인간면역체계를 갖춘 인간화 마우스를 사용하기도 한다.