Circadian rhythm의 조절 원리와 연구

어서 오세요~ 힐링 만다린입니다:)

 

전 세계 사람들에게 노벨상을 아냐고 묻는다면 다들 "YES"라고 대답할 것입니다. 그중 노벨 생리 의학상을 받은 3명의 과학자들의 흥미 있는 연구 결과를 오늘 소개해보려고 합니다.

 

때는 2017년, 초파리의 유전자에서 생체시계의 메커니즘을 발견한 3명의 유전학자들이 있습니다. 미국 메인대의 제프리 C 홀 교수, 브랜데이스대의 마이클 로스 바시 교수, 록펠러대의 마이클 영 교수 총 3명의 유전학자들이 24시간의 생체시계의 비밀을 연구하여 그 원리를 밝혀내 노벨 생리 의학상을 수상하였습니다.

 

우리는 밤에 자고 아침에 깨는 리듬을 갖고 있습니다. 우리 뿐만 아니라 동, 식물 세포 안에도 생리현상을 주관하는 생체 리듬, 즉 시계와 같은 메커니즘이 작동하고 있습니다. 지구는 일 년을 주기로 태양의 주변을 공전하면서 동시에 하루를 주기로 자전하고 있기 때문에 지구 상에 살고 있는 모든 생명체는 매일 낮과 밤의 반복되는 주기적 변화 속에서 살고 있습니다. 따라서 대부분의 생명체들은 이러한 환경에 진화적으로 적응한 결과 약 24시간의 주기성을 나타내고, 하루 동안의 주기적 변화를 ‘서카디언 리듬(circadian rhythm)’이라 부릅니다. 라틴어로 ‘circa(근처 에란 뜻)’와 ‘day(하루)’를 합성한 단어이며 ‘24시간 주기’를 뜻하고 쉽게 말해 식사를 언제 해야 할지, 언제 자고 언제 일어나야 할지 등을 주기적으로 알려주는 기능입니다.

 

수면-각성 주기, 호르몬 분비, 혈압 조절 및 체온 조절 등 대부분의 생리, 대사, 행동이 일주기적으로 조절됩니다. 인간을 포함한 포유류에서 일주기 리듬을 관장하는 중추 생체시계는 뇌 시상하부의 시신경 교차 상핵(SCN)에 존재하는데, 90년대 후반 포유류의 일주기 생체리듬을 관장하는 유전자들이 동정되면서, 고등동물에서도 일주기 생체리듬이 이들 생체시계 유전자들이 구성하는 분자 네트워크에 의해 조절된다는 사실이 밝혀졌습니다. 생체시계의 존재로 말미암아 생명체는 내재적이고 자발적인 리듬을 생성할 수 있으며, 이를 낮과 밤이라는 환경 변화에 끊임없이 동기화시키면서 일주기 리듬의 현재 학설이 확립된 것입니다. 포유류에서 생체시계 유전자가 동정됨으로 인해 70년대 초파리에서 일주기 리듬을 관장하는 피리어드(Period) 유전자[Per1,2,3]가 처음 발견된 이후로 상당 기간 정체되어 있던 일주기 생체리듬에 대한 분자 생물학적 연구가 2017년 노벨 생리의학상을 수상하게 되었습니다.

 

 

노벨 생리 의학상을 수상한 3명의 과학자들은 초파리에서 서캐디언 리듬을 컨트롤하는 유전자를 분리하는 데 성공하였습니다. 1970년대부터 유전자 연구를 시도하면서 약 200년에 걸쳐 메커니즘을 알게 되었는데, 과거에는 햇빛 없이 잎들이 일상적인 밤낮의 주기에 따라 움직인다는 사실을 발견했습니다. 식물에 생체시계가 돌고 있다는 최초의 증명이었으며, 이후 다른 과학자들은 사람을 비롯한 동·식물 대상의 연구를 진행했고 세포 안에서 생체시계가 돌고 있다는 사실을 확인하였습니다. 이 메커니즘을 Circadian rhythm이라 명명하면서 미국의 분자생물학자였던 캘리포니아 공과대학의 세이무어 벤저 교수 연구팀이 사람의 유전자와 매우 유사한 초파리 유전자가 세포 안에서 24시간 주기 ‘서카디안 리듬’을 컨트롤하고 있다는 사실을 확인하게 되었습니다. PER는 생체시계 리듬을 잃어버리게 한 초파리의 유전자로 PER유전자의 돌연변이가 발생하면 24시간 내내 초파리의 리듬이 방해 및 통제된다는 사실을 발견하였습니다. PER에 영향을 받은 단백질이 밤에 축적됐다가 낮에 다시 분해되면서 세포활동을 조절하고 있었던 것입니다. 그리고 circadian rhythm을 방해하고 있는 돌연변이 유전자는 3명의 과학자들에 의해 어떤 과정과 어떤 활동을 하고 있는지 밝혀졌습니다.

 

그들은 ‘억제 피드백 고리(inhibitory feedback loop)’에 의해 ‘PER 단백질’이 자신의 합성을 막을 수 있으며, 그 결과 지속적이면서 주기적인 일주 리듬을 스스로 조절할 수 있다고 추론하였습니다. 그리고 PER 단백질이 유전물질이 들어 있는 세포핵 안에 도달해 있는 것을 발견하면서 TIM(timeless의 줄임말)이라는 유전자가 함께 결합되어 있고, PER 단백질이 세포핵에 들어갈 수 있었던 이유가 TIM 유전자와 결합되어있었기 때문임을 발견하게 되었습니다. 이 과정을 거쳐 세포핵에 도달한 ‘PER 단백질’은 ‘억제 피드백 고리’에 의해 자신의 합성을 차단할 수 있었고, 세포 내에서 단백질에 어떤 변화가 일어나고 있는지 말해주고 있었습니다. 더 나아가 ‘DBT(doubletime의 줄임말) 단백질’이 PER 단백질의 축적에 영향을 미치고 진동의 영향을 미친게 한다는 사실을 발견하였습니다.

 

이 발견은 특정 유전자 활동이 24시간 주기 ‘서카디안 리듬’에 어떤 영향을 미치고 있는지 상세히 말해주며, 패러다임 전환을 통해 생체시계가 작동하는 핵심 원리를 알 수 있었습니다. 생체시계는 매일 정교하게 작동하면서 생물 세포 안에서 놀라운 정도로 다양한 생체 리듬을 만들어내고, 행동을 비롯한 호르몬 분비량, 수면, 체온, 신진대사 등에 이르기까지 생리작용 전반을 통제하고 있었습니다.

 

그럼, 오늘 하루도 힐링하세요:)