체세포 분열과 감수 분열 쉽게 이해하기: 각 단계, 염색체 수, 교차, 비분리

두 가지 분열

체세포 분열은 세포 하나를 유전적으로 원래 세포와 똑같은 세포 두 개로 나누며, 각각 염색체 한 벌 전체를 가집니다. 수정란이 몸이 되고 피부, 장 내벽, 혈액이 새로 바뀌는 것이 이 분열 덕분입니다. 감수 분열은 세포 하나를 염색체가 절반씩인 세포 네 개로 나누어 난자와 정자(식물과 균류에서는 포자)를 만듭니다. 수정 때 이런 세포 두 개가 합쳐지면 원래 수가 회복됩니다.

몸의 세포는 이배체(2n)로, 부모에게서 한 벌씩 두 벌의 염색체를 가집니다. 사람은 2n = 46, 즉 23쌍입니다. 한 쌍의 두 염색체는 상동 염색체로, 같은 유전자가 같은 순서로 있지만 그 형태(대립유전자)는 다를 수 있습니다. 생식세포는 반수체(n = 23)입니다.

분열 전에: 복제

간기의 S기에 각 염색체가 복제됩니다. 두 복사본인 자매 염색 분체는 동원체에서 붙어 있으므로, 체세포 분열 중의 염색체는 X자 모양으로 보입니다. 염색체 수는 그대로(46)지만 DNA 양은 2C에서 4C로 두 배가 됩니다. 여기서 C는 한 벌의 DNA 양입니다.

체세포 분열의 단계

전기: 길고 가는 염색질이 감겨 촘촘한 염색체가 됩니다. 중심체 사이에서 방추사가 만들어지기 시작합니다.
전중기: 핵막이 무너지고 방추사가 각 동원체의 키네토코어에 붙습니다. 자매 염색 분체는 각각 반대쪽 극에 연결됩니다.
중기: 염색체가 적도면(중기판)에 늘어섭니다. 모든 염색체가 양쪽에서 붙을 때까지 점검점이 기다립니다.
후기: 자매 염색 분체가 갈라져 반대쪽 극으로 끌려갑니다. 이제 각각이 하나의 염색체입니다.
말기와 세포질 분열: 각 무리 주위에 핵막이 생기고, 염색체가 풀어지며, 세포가 잘록해져 둘로 나뉩니다.

결과: 이배체 세포 두 개. 각각 염색체 46개, 염색체 하나에 염색 분체 하나, DNA 양 2C입니다.

감수 분열의 단계

감수 1분열은 상동 염색체를 나눕니다:

전기 I: 상동 염색체가 길이 전체에 걸쳐 짝을 지어(접합) 염색 분체 네 개의 묶음이 됩니다. 자매가 아닌 염색 분체끼리 대응하는 부분을 맞바꿉니다. 이것이 교차이며 키아스마로 보입니다. 가장 긴 단계로, 사람의 난자에서는 수십 년 동안 멈춰 있습니다.
중기 I: 쌍들이 적도면에 늘어서며, 각 쌍이 어느 극을 향할지는 무작위입니다. 이것이 독립적 분리입니다.
후기 I: 상동 염색체가 반대쪽 극으로 갑니다. 자매 염색 분체는 함께 있습니다.
말기 I: 세포 두 개가 생기며, 각각 염색 분체 두 개로 된 염색체 23개를 가집니다(2C).

감수 2분열은 새 복제 없이 하는 체세포 분열과 비슷합니다. 각 세포에서 염색체가 늘어서고, 자매 염색 분체가 갈라지며, 반수체 세포 네 개가 생깁니다. 각각 염색 분체 하나로 된 염색체 23개를 가집니다(1C).

분열 과정에서 세기 (n = 23)

S기 이후: 염색체 46, 염색 분체 92, 4C.
체세포 분열의 딸세포 각각: 염색체 46, 염색 분체 46, 2C.
감수 1분열 후 각 세포: 염색체 23, 염색 분체 46, 2C.
감수 2분열 후 각 세포: 염색체 23, 염색 분체 23, 1C.

염색체는 염색 분체가 아니라 동원체로 셉니다. X자 모양의 복제된 염색체도 염색체 하나입니다.

생식세포가 하나하나 다른 이유

독립적 분리만으로도 염색체 전체의 조합이 2ⁿ가지, 사람에서는 2²³ = 8,388,608가지입니다. 여기에 염색체 한 쌍당 1~3번 일어나는 교차가 염색체 안의 대립유전자까지 섞으므로, 가능한 생식세포의 수는 사실상 무한합니다. 무작위 수정까지 더해지면 같은 부모의 두 자녀가(일란성 쌍둥이를 빼면) 같은 유전체를 갖는 일은 없습니다.

비분리

상동 염색체 한 쌍(감수 1분열)이나 자매 염색 분체 두 개(감수 2분열이나 체세포 분열)가 갈라지지 못하면, 한 딸세포에는 둘 다 들어가고 다른 딸세포에는 하나도 들어가지 않습니다. 염색체가 하나 더 있는 생식세포는 수정 때 삼염색체성을, 하나 모자란 생식세포는 일염색체성을 낳습니다. 21번 삼염색체성(다운 증후군)은 살아남을 수 있는 것 가운데 가장 흔하며, 그 위험은 어머니의 나이와 함께 가파르게 높아집니다. 난자가 수십 년 동안 감수 1분열에 멈춰 있기 때문입니다. 체세포 분열에서의 비분리는 모자이크를 만들며 암세포에서 흔합니다.

시뮬레이션 사용법

체세포 분열과 감수 분열 시뮬레이터는 한쪽 부모에게서 온 빨간 염색체와 다른 쪽 부모에게서 온 파란 염색체로 분열을 재생합니다. 이렇게 해 보세요:

두 쌍으로 체세포 분열을 한 다음, 같은 두 쌍으로 감수 분열을 하고 마지막을 비교합니다. 염색체 4개짜리 세포 둘과 염색체 2개짜리 세포 넷입니다.
감수 분열의 전기 I에서 교차 지점에서 빨간 염색 분체와 파란 염색 분체의 끝이 색을 맞바꾸는 것을 봅니다. 슬라이더를 움직이면 맞바뀐 부분의 길이가 달라집니다.
초기화를 여러 번 누르고 중기 I에서 빨간 염색체가 각각 어느 쪽을 향하는지 봅니다. 무작위로 바뀝니다.
비분리에 체크하고 마지막 세포들의 염색체 수를 읽어 봅니다.

모형의 가정

염색체는 최대 네 쌍이며 길이가 차례로 짧아집니다. 실제 수를 대신합니다.
쌍마다 교차 한 번, 모든 염색체에서 같은 위치, 안쪽 두 염색 분체 사이에서 일어납니다. 실제 교차는 횟수와 위치가 다양하고, 자매가 아닌 염색 분체의 어떤 조합에서도 일어날 수 있습니다.
각 단계의 시간은 고정. 실제 체세포 분열은 약 하루인 세포 주기 가운데 1시간 정도이고 나머지 거의 전부가 간기입니다. 감수 분열의 전기 I은 정자에서는 며칠, 난자에서는 수십 년 이어질 수 있습니다.
비분리는 첫 번째 분열에서 첫 번째 쌍에만 일어납니다.
세포는 모식적입니다. 중심체·방추사·핵은 단순화했고, 다른 세포 소기관은 없으며, 감수 분열로 생긴 네 세포는 같은 크기로 그렸습니다.

경계 사례

한 쌍뿐일 때(2n = 2): 분리 방법은 두 가지뿐이고, 감수 분열 결과의 차이는 교차에서만 생깁니다.
염색체 맨 끝에서의 교차는 거의 아무것도 맞바꾸지 않습니다. 동원체 가까이에서는 팔 하나를 거의 통째로 맞바꿉니다.
체세포 분열에서의 비분리는 2n + 1과 2n − 1 세포를, 감수 1분열에서의 비분리는 n + 1 세포 둘과 n − 1 세포 둘을 만듭니다.
DNA 양은 후기에 자매 염색 분체가 갈라진 뒤에도 세포질 분열 전까지 체세포 분열 내내 4C입니다.

모형이 맞지 않게 되는 경우

난자의 불균등 분열. 암컷의 감수 분열은 한쪽으로 치우쳐서, 큰 난자 하나와 곧 사라지는 작은 극체 두세 개가 생깁니다. 똑같은 정자 네 개가 생기는 것은 수컷의 감수 분열뿐입니다.
성염색체. X와 Y는 끝의 작은 부위에서만 짝을 짓습니다. 시뮬레이션의 상동 염색체는 모두 상염색체입니다.
식물 세포는 잘록해지는 대신 가운데에서 바깥쪽으로 새 세포벽(세포판)을 만듭니다. 또 많은 식물은 염색체를 두 벌보다 많이 가진 배수체입니다.
오류와 점검점. 실제 세포에는 방추사 점검점, 자매 염색 분체를 붙잡고 있다가 후기에 잘리는 코헤신 단백질, 그리고 수선 경로가 있습니다. 이것들이 실패하면 세포가 염색체를 한 벌 통째로 더 갖거나 염색체가 끊어질 수 있는데, 이 모형은 이를 보여 주지 않습니다.
세균은 두 분열 모두 하지 않습니다. 고리 모양의 염색체 하나를 복제해 이분법으로 나뉩니다. 세균 성장 시뮬레이터에서 볼 수 있습니다.

체세포 분열과 감수 분열: 단계, 교차, 비분리