1) 세포분열의 핵심 역할
개체가 같은 종류의 개체를 만들어 낼 수 있는 능력은 생물과 무생물을 가장 잘 구별할 수 있는 특징입니다. 자손을 낳을 수 있는 이러한 독특한 능력은 다른 생물학적인 기능들과 마찬가지로 세포에 기초를 두고 있습니다.
독의 내과의사인 피르호는 1855년 이를 다음과 같이 설명하였습니다. "동물이 동물에게서만 태어나고 식물도 식물에서만 태어나듯이 세포가 존재하려면 반드시 먼저 존재하는 세포가 있어야 한다." 그는 이러한 개념을 "모든 세포는 세포로부터"라는 의미의 라틴어 격언으로 요약하였습니다. 생명의 연속성은 세포의 생식, 다시 말해 세포분열(cell division)에 기초하고 있습니다.
세포분열은 생물체의 일생에서 여러 가지 중요한 역할을 담당하고 있습니다. 하나의 원핵세포는 분열하여 완전한 개체를 만들어 냅니다. 이는 단세포 진핵생물도 마찬가지입니다. 또한 세포분열은 다세포 진핵생물이 수정란과 같은 하나의 세포로부터 발생하는 것을 가능하도록 만들어 줍니다. 개체가 완전히 자란 후에도 세포분열은 정상적으로 수명이 다하거나 사고로 죽은 세포들을 대신할 수 있는 세포를 제공함으로서 재생과 회복 등의 기능을 계속 담당하게 됩니다. 예를 들어 인간의 골수에 있는 분열하는 세포 역시 계속해서 새로운 혈액세포를 만들어 내고 있습니다.
2) 유전 물질의 세포 내 구성
유전정보를 저장하고 있는 세포의 DNA 전체를 유전체(genome)라고 부릅니다. 원핵생물의 유전체는 주로 하나의 기다린 DNA 분자인 반면 진핵생물의 유전체는 대부분 여러개의 DNA 분자로 구성되어 있습니다. 진핵생물 세포의 전체 DNA 길이는 매우 깁니다. 전형적인 인간의 DNA 길이는 약 2m 로서 세포의 지름보다 250,000배나 깁니다. 그럼에도 불구하고 유전적으로 동일한 딸세포를 만들기 위해서 세포가 분열하기 전까지 이러한 모든 DNA가 복제되어야 하며 그 다음 복제된 DNA가 분리됨으로써 각각의 딸세포가 완전한 유전체를 가질 수 있게 됩니다.
이렇게 많은 DNA 복제와 분배는 DNA 분자가 염색체라는 구조를 형성하기 때문에 가능한데 염색체라는 이름은 이들이 현미경 관찰에 사용되는 특정한 염색약을 흡수하기 때문에 붙여진 이름입니다. 각각의 진핵생물 염색체는 길이가 긴 선형의 DNA 분자가 단백질과 결합한 형태를 취하고 있습니다. DNA 분자는 수백에서 수천개까지 유전자를 담고 있으며 각 유전자는 개체의 유전 형질을 결정하는 정보의 단위입니다. 결합된 단백질들은 염색체의 구조를 유지하고 유전자의 활성을 조절하는 데 도움을 줍니다. 이 둘을 합친 염색체를 만드는 구성 물질인 DNA와 단백질의 복합체를 염색질(chromatin)이라고 합니다. 염색체의 염색질은 세포분열 과정 동안 그 응축 정보가 변하게 됩니다.
모든 진핵생물의 종들은 각 세포 핵 내에 특징적인 숫자의 염색체를 지니고 있습니다. 예를 들면 인간 체세포의 핵은 각각의 부모로부터 물려받은 23개의 염색체 2쌍, 즉 46개의 염색체를 가지고 있습니다. 생식세포 또는 배우자, 즉 정자세포와 난자세포는 체세포 염색체 수의 반을, 즉 인간의 경우에는 23개 염색체 1세트를 갖고 있습니다. 체세포에서 염색체의 수는 종에 따라 서로 다른데 양배추는 18개, 침팬지는 48개, 코끼리는 56개, 고슴도치는 90개의 염색체를 갖고 있습니다. 이제 이들 염색체가 세포분열을 하는 동안 어떻게 행동하는지 알아보도록 하겠습니다.
3) 세포분열 과정에서의 염색체 분배
세포가 분열하지 않을 때, 그리고 세포분열을 위해 DNA를 복제할 때에는 각 염색체가 길고 가느다란 염색사의 형태를 띠고 있습니다. 그러나 DNA복제 후 세포분열 시기가 되면 염색체가 응축되기 시작하는데, 각 염색사는 고밀도로 코일을 형성하고 접혀서 염색체가 훨씬 짧고 굵어지며 광학 현미경으로도 관찰이 가능해 집니다.
각각의 복제된 염색체는 두 개의 자매염색분체(sisterchromatids)를 갖고 있으며, 이 둘은 원래의 염색체가 복사되어 붙어 있는 것입니다. 동일한 DNA를 가지는 두 염색분체는 최초에는 길이 전체에 걸쳐 코헤신이라 불리는 결합 단백질 복합체에 의해 부착되어 있으며, 이러한 결합을 자매염색분체결합이라고 합니다. 각각의 염색분체는 동원체를 가지고 있는데 염색체 DNA의 해당 부위가 자매염색분체가 가장 가깝게 붙어있는 부위입니다. 이러한 결합은 동원체 DNA서열에 결합한 단백질에 의하여 매개되며, 응축되고 복제된 염색체에서 좁은 허리 부분을 형성하게 됩니다. 동원체 양쪽의 염색에 부위를 팔(arm)이라고 합니다.
세포분열 과정이 더 진행되면 각 염색체의 두 자매염색분체가 분리되어 세포의 양 끝에 형성되는 새로운 두 개의 핵으로 이동하게 됩니다. 자매염색분체가 분리되기 시작하면 이들은 각각이 개별적인 염색체로 간주되고, 세포 안의 염색체 수는 두 배가 됩니다. 이에 따라 각각의 새로운 핵은 모세포와 동일한 염색체군을 받게 됩니다.