< 수리과학과 김재경 교수 >
수학과 실험을 결합한 융합연구를 통해 생체시계가 안정적 리듬을 유지하면서도 환경변화에 쉽게 적응할 수 있는 원리가 밝혀졌다. 우리 대학 수리과학과 김재경 교수가 이끄는 기초과학연구원(IBS) 수리 및 계산과학 연구단 의생명 수학 그룹과 우리 대학 수리과학과 연구팀, 그리고 아주대 의과대학 뇌과학과 김은영 교수 연구팀은 공동연구를 통해 초파리 뇌의 생체시계 뉴런들의 생체시계 작동원리를 분석했다.
생체시계(Circadian clock)는 생명체가 24시간 주기에 맞춰 살아갈 수 있도록 행동과 생리 작용을 조절하는 역할을 한다. 예를 들어, 생체시계는 밤 9시경이 되면 뇌에서 멜라토닌 호르몬 분비를 유발해 일정 시간이 되면 수면을 취할 수 있도록 하는 등 우리 운동 능력이나 학습 능력에 이르는 거의 모든 생리 작용에 관여한다. 따라서, 평소에는 일정한 시간을 안정적으로 몸에 제시하면서, 동시에 계절 변화에 따른 낮밤의 길이 변화나 해외여행으로 인한 시차 등 환경변화가 생겼을 때는 새로운 환경에 유연하게 적응해서 변화한 시간을 몸에 제시해주어야 한다. 이러한 안정성과 유연성을 동시에 유지하는 생체시계의 역설적인 성질의 원리는 지금까지 알려져 있지 않았다.
초파리 생체시계 뉴런들의 경우, 마스터 뉴런(master neuron)이 외부로부터 들어오는 빛 정보를 취합하여 시간 정보를 슬레이브 뉴런(slave neuron)에 전달하면, 이에 맞춰 슬레이브 뉴런이 일주기 행동을 조절하는 계층구조를 형성하고 있다. 이러한 역할 차이에도 불구하고, 두 뉴런의 생체시계는 동일한 원리로 작동한다고 알려져 있었다. 2017년 노벨 생리의학상을 수상한 마이클 영, 제프리 홀 그리고 마이클 로스바쉬 교수는 PER 단백질이 매일 일정한 시간에 세포핵 안으로 들어가 PER 유전자의 전사를 일정 시간에 스스로 억제하는 음성피드백 루프를 통해 24시간 주기의 리듬을 만드는 것이 생체시계의 핵심 원리임을 밝혔다.
연구진은 초파리에서 CLK에 변이가 생겼을 때 마스터 뉴런과 슬레이브 뉴런에서 서로 다른 PER변화 양상이 나타나는 것에 착안하여 마스터 뉴런과 슬레이브 뉴런이 만들어내는 PER 단백질의 변화 양상을 1000여 개 수리 모델을 개발하여 분석한 결과, 마스터 뉴런의 PER이 슬레이브 뉴런의 PER에 비해 빠르게 합성되었다 분해되고 있음을 예측하였다. 이러한 마스터 뉴런의 독특한 성질 덕분에, 평소에 강한 PER 리듬을 생성해서 안정적인 시계 역할을 하다가 외부 환경에 변화가 일어났을 때 빠르게 적응할 수 있음 역시 가상 시뮬레이션을 통해 예측하였다. 이러한 마스터 뉴런에 관한 수리모델링 예측은 초파리 생체 실험을 통해서도 검증되었다.
< 그림 1. 수리모델을 통한 마스터 뉴런과 슬레이브 뉴런의 차이 분석 - 정상 초파리 (CLK-WT) 와 변이 초파리 (CLK-Δ)의 마스터 뉴런과 슬레이브 뉴런에서 PER 단백질의 시계열 데이터를 (좌) 수리 모델을 통해 분석하여 마스터 뉴런이 슬레이브 뉴런에 비해서 PER의 합성과 분해 속도가 훨씬 빠름을 예측하였다 (우) >
김재경 교수는 “모든 세포의 생체시계는 당연히 비슷한 방식으로 작동될 것이란 오래된 믿음이 수학을 이용한 분석 덕분에 틀렸음을 알게 되었다”며 “수학과 실험을 융합한 방식으로 문제에 접근하였기 때문에 문제를 해결할 수 있었다”고 말했다. 또한, 김은영 교수는 “마스터 뉴런 생체시계의 독특한 성질 덕분에 생체시계가 안정성과 유연성이라는 역설적인 성질을 모두 가질 수 있었다”며 “모든 세포의 생체시계가 천편일률적으로 작동하는 대신 자신의 역할에 맞게 다른 작동 방식을 취한다는 점이 놀라웠다”고 말했다.
생체시계가 안정성과 유연성을 동시에 유지하지 못하면 다양한 환경에서 일정한 수면패턴을 유지할 수 없고, 일주기 리듬 수면장애가 발생한다. 이번 연구결과는 일주기 리듬 수면장애의 원인을 규명하고 치료법을 찾는 새로운 패러다임을 제시할 수 있을 것으로 예상된다.
정의민, 권미리, 조은주 박사가 공동 제 1저자로 참여한 이번 연구결과는 2월 15일 오후 5시(한국시간) 자연과학 분야의 저명 국제학술지인 미국국립과학원회보(Proceedings Of The National Academy Of Sciences, PNAS, IF 11.205)에 게재됐다.
* 논문명: Systematic modeling-driven experiments identify distinct molecular clockworks underlying hierarchically organized pacemaker neurons
< 그림 2. 마스터 뉴런은 리듬의 안정성과 유연성을 모두 가질 수 있다 - 마스터 뉴런은 평소에 동기화된 강한 리듬을 유지하다가 외부 환경 변화(시차)가 일어났을 때, 비동기화 되면서 리듬을 약하게 만들어 유연하게 환경 변화에 적응할 수 있음을 수리 모델을 통해 예측하였다 (좌). 이러한 모델 예측 결과는 초파리 생체 실험을 통해서도 검증되었다 (우) >
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연구 수학 모델로 불안정한 수면 사이클 원인 밝혀
우리 대학 연구진이 수학적 모델을 이용해 세포질 혼잡을 유발하는 비만과 치매, 노화가 어떻게 불안정한 수면을 유발하는지를 밝히고 해결책을 제시했다. 수리과학과 김재경 교수 연구팀은 수학적 모델을 이용해 세포 내 분자 이동을 방해하는 세포질 혼잡(Cytoplasmic congestion)이 불안정한 일주기 리듬(Circadian rhythms)과 수면 사이클을 유발함을 예측하고, 미국 플로리다 주립대학 이주곤 교수 연구팀과 실험을 통해 검증하는 데 성공했다고 9일 밝혔다. 수리과학과 김대욱 박사과정이 공동 제1 저자로 참여한 이번 연구 결과는 국제 학술지 `미국국립과학원회보(PNAS)' 10월 26일 字 온라인판에 실렸다. (논문명 : Wake-sleep cycles are severely disrupted by diseases affecting cytoplasmic homeostasis) 우리 뇌 속에 있는 생체시계(Circadian clock)는 인간이 24시간 주기에 맞
2020-11-09 -
연구 석현정, 최경아 교수 청백색 조명이 아침잠 깨워주는 효과 입증
〈 왼쪽부터 정현정 교수, 석현정 교수, 김태수 박사과정, 최경아 연구교수 〉 출근과 등교. 이 두 단어는 대부분의 직장인과 학생에게 유쾌하지 않다. 회식, 인터넷 강의, 스마트폰, 육아 등으로 인해 부족해진 아침잠은 쉽사리 사라지지 않는다. 하지만 우리가 매일 접하는 빛을 통해 오전의 나른함을 깨우고 생체리듬을 유지할 수 있다는 연구 결과가 발표됐다. 우리 대학 산업디자인학과 석현정 교수, 최경아 연구교수가 높은 색의 온도를 갖는 청백색(blue-enriched white)의 푸른 빛이 아침잠을 깨우는 데 효과적임을 밝혀냈다. 이 연구는 인간 중심의 조명이 나아가야 할 방향을 제시한 것으로, 인공적인 조명 시스템을 변화하는 데 긍정적인 영향을 끼칠 것으로 기대된다. 특히 이번 연구는 산업디자인학과 소속 교수와 연구원이 교신저자 및 1 저자로 참여해 순수과학 분야 저널에 논문을 게재했다. 이는 세계적으로도 찾기 힘든 사례로
2019-02-28 -
인물 김재경 교수, 노벨상 펀드 지원 대상자 선정
〈 김 재 경 교수 〉 우리 대학 수리과학과 김재경 교수가 국제기구인 휴먼 프론티어 과학 프로그램(HFSP, Human Fontiers Science Program)에서 지원하는 2017 HFSP 신진연구자 연구비 지원 대상자로 선정됐다. 휴먼 프론티어 과학 프로그램(이하 HFSP)은 1989년 G7회원국과 유럽연합을 중심으로 생명과학분야의 혁신적인 첨단 연구를 활성화하기 위해 설립됐다. 이후 1990년 시작된 HFSP 연구비 지원 대상자 7천여 명 중 26명이 노벨상을 수상해 노벨상 펀드라 불리기도 한다. 신진 연구자 부문 중 한국인 연구자가 지원을 받는 것은 김 교수가 두 번째이다. 올해는 60여 개국에서 지원한 1천 73팀 중 신진연구자는 김 교수와 서울대학교의 김성연 교수 연구팀을 포함해 9팀이 선정됐다. 김 교수는 수학자로서 뇌 과학자인 하빅스(Havekes) 흐로닝언 대 학(University of Groningen) 교수, 에이톤(Aton) 미시간 대학(Un
2017-03-22 -
연구 김재경 교수, 수학 통해 암과 생체시계의 핵심 연결고리 발견
〈 이번 연구에 참여한 김재경 교수와 버지니아 공대 연구팀 〉 우리 대학 수리과학과 김재경 교수가 미분방정식을 이용한 수학적 모델링을 통해 생체시계가 암 억제 핵심 물질인 p53을 24시간 주기로 변화시키는 원리를 예측했다. 그리고 김재경 교수의 수학적 모델링은 미국 버지니아 공대 칼라 핀키엘스타인(Carla Finkielstein, 아르헨티나) 교수 연구팀의 실험을 통해 검증돼 생체시계와 암 사이에 중요한 연결고리가 있음이 증명됐다. 이번 연구 결과는 미국의 저명 학술지 미국국립과학원회보(PNAS) 11월 9일자 온라인 판에 게재됐다. 뇌 속의 생체 시계는 우리가 24시간 주기에 맞춰 살 수 있도록 행동과 생리작용을 조절한다. 밤 9시가 되면 뇌 속의 멜라토닌 호르몬이 분비를 유발해 일정 시간에 수면을 취하게 하는 등 세포분열부터 운동 및 학습 능력 등 다양한 생리 작용에 관여한다. 만성적 야근, 교대 근무 등으로 인해 생체 시계와 실제 시간이 충돌해 생체 시계의
2016-11-10 -
인물 최준호 교수, ‘이달의 과학기술자상’ 수상
- 생체리듬에 관여․조절하는 새로운 유전자(twenty-four) 발견 공로 - 우리 학교 생명과학과 최준호 석좌교수가 생체리듬에 관여하는 새로운 유전자(twenty-four)를 발견하고, 이 유전자가 생체리듬을 조절한다는 사실을 밝힌 공로로 ‘이달의 과학기술자상’ 12월 수상자로 선정됐다. 최준호 석좌교수는 지난 25년간 세계 최고 권위의 과학전문지인 ‘네이처(Nature)’지를 포함해 저명한 국제학술지에 100여 편의 논문을 발표하는 등 분자바이러스학과 신경생물학 분야에서 꾸준히 독창적인 연구결과를 발표해왔다. 1995년에는 C형 간염 바이러스(HCV)의 NS3 단백질이 RNA 나선효소(helicase) 기능을 갖는다는 사실을 밝힘으로써 C형 간염 치료제 개발의 가능성을 열어, 미국 유전공학회사(Chiron사)와 함께 여러 나라에 국제특허를 출원․등록하였다. 이 결과는 ‘BBRC(Biochemical and Bio
2011-11-30