[신경과학] 18.3 : 일주기리듬(circadian rhythms) - 2

 

 

 

생물체의 period와 관련된, 시간생물학을 통틀어 chronobiology라고 함.

 

 

 

 

 

위 그림상에 나타나 있는 두 분의 과학자들은 chronobiology의 선구자들임.

 

 

 

 

한편 위 그림상에 나타나 있는 Seymour Benzer와 그의 포닥 제자 Ronald J. Konopka는 초파리에서 Period mutant를 관찰해본 결과 clock이 망가져 행동에 이상이 생긴다는 것을 확인함.

 

 

 

 

위 그림상에 나타나 있는 Jeffrey C. Hall, Michael Rosbash, Michael W. Young은 circadian rhythm을 control하는 분자적인 기전에 대해 밝힌 공로로 2017년에 노벨상을 받음.

 

 

 

 

 

위 그림에는 당시 제시되었던 2가지 model들이 나타나 있음. 우선 A를 보면, 이 경우 TIM(time)과 PER(period)이 핵 내에서 dimer를 이뤄서 PER 자체의 발현을 촉진시키는 단순한 feedback loop가 나타나 있음. 한편 B의 경우는 조금 더 복잡한 feedback loop인데, 세포질에서는 TIM과 CRY가 heterodimer를 이루고 있고 PER과 DBT(double time)이 heterodimer를 이루고 있다가, 세포 핵 내로 들어가면 TIM과 PER이 dimer를 이뤄서 CLK와 CYC를 inhibition시킴. 그 결과 PER의 전사가 조절되게 됨.

 

 

 

 

 

흥미롭게도 위 그림상에 나타나 있는 것처럼 bacteria, palnt, fungi, invertebrate animal, vertebrate animal에 걸쳐서 분자시계는 잘 보존되어 있음.

 

 

 

이제 circadian biology와 관련된 역사에 대해 조금 더 자세히 알아보자.

 

 

 

 

 

1729년에는 de Mairan이라는 사람이 Mimosa에 빛을 하루종일 가해주지 않더라도 꽃이 24시간을 주기로 피고 지는 것을 관찰하였고, 처음으로 circadian rhythm에 대한 idea를 생각함.

 

 

 

 

 

1751년에는 Carolus Linneaeus가 각종 flower의 종류에 따라 개화하고 지는 타이밍이 다르다는 것을 바탕으로 flower clock을 만들기도 했음.

 

 

 

1929년에는 Karl von Frisch가 bee의 경우 특정한 time에만 flower에 날아온다는 것을 확인하였고, 이를 통해 식물 뿐만 아니라 동물도 molecular clock을 탑재하고 있을 것이라는 생각을 하게 됨.

 

 

 

 

1922년에는 Curt Richter가 rodent의 circadian activity를 측정할 수 있는 wheel running 장비를 개발함.

 

 

 

 

 

한편 1971년에는 위 그림에도 나타나 있는 것처럼 Drosophila에서 period gene이 발견됨. (이 때 초파리가 알을 낳는 주기가 24시간인지, 혹은 그 이상, 이하인지를 측정해 circadian rhythm이 망가졌는지 유무를 판단함) 참고로 이 gene을 발견하기 위해 EMS와 같은 chemical을 이용해서 random mutant를 발생시키는 식으로 실험을 수행함. 한편 이 발견이 있은 지 15년여가 지나서야 period gene이 제대로 cloning됨.

 

 

 

그 밖에 과거부터 hamster에서 tau mutation에 의해 circadian rhythm이 달라진다는 사실은 알고 있었음. 그러던 중 2000년에 tau gene이 casein kinase I\epsilon을 encoding하는 gene이라는 사실이 밝혀짐.

 

 

 

 

한편 1994년에는 최초로 Clock gene이 cloning됨.

 

 

 

 

 

실제로 위와 같이 다양한 mutant에 대한 연구도 수행되었는데, 우선 Clock double knockout mutant를 만들 시 어둠 조건에서 pattern이 조금 밀리긴 했지만 그래도 아예 망가지지는 않았음. 그리고 Per1에 대한 double knockout mutant의 경우에도 dark에서 아예 망가지지는 않았음. 그러나 Per1, Per2를 둘 다 knockout시킨 경우에는 dark condition에서 pattern이 아예 망가짐. 그 밖에 Cry1 knockout, Cry2 knockout mutant에게서는 pattern이 크게 망가지지는 않았지만 Cry1, Cry2를 둘 다 knockout시킨 경우에는 pattern이 완전히 망가짐. (이 때 data 상에서 검게 표시된 부분이 mice가 휠을 타는 시간에 해당함)

 

 

 

 

 

위 그림은 human에서의 circadian rhythm을 보여주고 있음. 보면 아침에 cortisol 분비량이 증가하며, 점심을 먹은 후 2시간여 지난 시점에서 우리 몸의 각종 organ들이 가장 효율적으로 잘 작동하고, 오후 6시정도가 되면 혈압과 체온이 peak까지 올라갔다가 이후 저녁 9시 쯤에 melatonin이 분비되면서 서서히 체온, 혈압이 떨어지게 됨. 그러다가 새벽 2시정도가 되면 이 값은 minimum이 되고, 다시 서서히 올라간 뒤 잠에서 깨는 cycle임.

 

 

 

 

위 그림은 각종 circadian clock related disorder들을 나타내주고 있음. 보면 Jet-lag syndrome, shift work fatigue, sleep disorder, mood disorder, metabolic syndrome, cardiovascular disease 등이 이에 해당할 수 있음.

 

 

 

 

 

그리고 흥미롭게도, 위 그림에 나타나 있는 것처럼 skin에 있는 clock gene을 활성화시켜서 skin care에 활용하는 식의 idea도 industry에서 실제로 구현된 바 있음. 위 그림 오른쪽 위에 나타나 있는 'night serum'은 내부에 tripeptide-32를 포함하고 있는데, 이 단백질이 keratinocyte에서 CLOCK, 혹은 Per1 gene의 activator로 작용해서 skin care에 도움을 주게 됨. (그럴 수 있는 것은, skin clock이 hair growth, pigmentation, wound healing, UV damage control 등과 다 밀접하게 관련되어 있기 때문임)

 

 

 

 

다음 포스트부터는 언어의 뇌과학에 대해 알아보자.