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수학과 실험을 결합하여 생체시계의 역설 규명
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.
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
2022.02.16 조회수 10672 -
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 디자인학과 자연과학의 우수 융합 연구의 표본이 될 것으로 예상된다.
최경아 연구교수가 1 저자, 나노과학기술대학원 정현정 교수가 참여한 이번 연구는 국제 학술지 ‘사이언티픽 리포트(Scientific Reports)’ 1월 23일 자에 게재됐다. (논문명 : Awakening effects of blue-enriched morning light exposure on university students’ physiological and subjective responses)
2017년도 노벨 생리의학상은 태양의 주기에 따라 아침, 저녁으로 몸의 변화가 규칙적으로 일어나는 서카디안(circadian) 리듬, 즉 생체리듬을 조절하는 유전자를 규명한 미국의 과학자 제프리 홀 메인대(University Of Maine) 교수, 마이클 로스바시 브랜다이스대(Brandeis University) 교수, 마이클 영 록펠러대(Rockefeller University) 교수에게 돌아갔다.
이처럼 수면과 각성 등 인간의 생체리듬 관련 연구는 끊임없이 이뤄지고 있다. 빛이 생리적 작용에 관여한다는 사실은 2000년대 초반 인간의 망막에서 제3의 광수용세포가 발견된 이후 꾸준히 연구되고 있다.
제3의 광수용세포는 기존의 간상세포나 원추세포와는 달리 비 시각적인 것에 반응하고 뇌에 전달되는 경로도 다르다. 특히 이 세포는 빛의 파란색 영역에 가장 민감해 이를 통해 각성 등 여러 생리적 현상이 발생할 뿐 아니라 뇌파, 멜라토닌 분비, 심전도 등에도 영향을 미친다는 사실이 밝혀졌다.
그러나 관련 기존 연구는 푸른 빛의 강한 레이저를 직접 조사하는 한정적인 조건에서 실험이 이뤄지기 때문에 결과를 일상에 접목하기가 어려웠다. 또한 기존 연구 대부분은 푸른 빛을 저녁이나 늦은 오후에 접하면 멜라토닌 분비가 억제돼 숙면을 방해한다는 사실을 규명하는 데에만 주력했다.
연구팀은 푸른 빛이 저녁에는 숙면에 방해될 수 있지만, 때와 장소에 따라서는 이로운 빛으로 활용할 수 있음을 증명하기 위해 노력했다. 오전에 쬐는 청백색의 빛은 인체를 잠에서 깨워 생체리듬을 조절하는 데 긍정적인 영향을 미친다는 사실을 밝혀냈다.
연구팀은 우리 대학 학생 15명을 대상으로 실험을 진행했고 호르몬과 타액 변화 등의 생리적 지표와 설문조사를 통한 주관적 지표를 동시에 관찰했다. 이 결과 빛의 색 변화에 따라 감성 등을 나타낸 주관적 지표와 멜라토닌 분비에 변화가 일어남을 확인했다.
최경아 연구교수는 박사과정 시절 학습 환경의 조명이 학생들의 학습 활동에 미치는 영향을 밝힌 바 있다. (논문명: Dynamic lighting system for the learning environment: performance of elementary students). 이번 연구를 통해 조명의 빛깔이 사람에게 미치는 영향을 하루 주기와 접목해 더욱 심화된 결과를 얻은 것이다.
석현정 교수는 “처음에는 단순히 조명을 다양하게 바꿔가며 구성원들을 편하게 쉬게 해주려는 의도에서 시작해, 호텔이나 레스토랑, 모닥불 등의 조명에서는 편안해지고 흰색 조명에서는 긴장감이 발생하는 이유를 명쾌하게 밝히고자 했다”라며 “과학적 근거와 고도화를 통해 신뢰성이 있는 데이터를 수집했고 많은 사람이 혜택을 볼 수 있는 결과를 얻었다고 생각한다”라고 말했다.
최경아 연구교수는 “이와 같은 조명 시스템의 진화가 실내 건축물뿐 아니라 자동차 내부와 지하주차장 세탁기, 냉장고 등 각종 전자기기에도 적용될 수 있다”고 밝혔다. 또한 스마트 조명 시스템을 달력, 출장 앱과 연동한다면 자동 학습을 통해 인간의 생체리듬과 권장 수면시간 및 기상 시간에 맞춰 조명의 색과 세기를 조절할 수도 있을 것으로 전망했다.
석현정 교수는 “학문마다 중요시하는 관점이 달라 디자인학자로서 자연과학의 기준을 통과하기가 쉽지 않았다. 꼼꼼히 설계하고 유의미한 데이터를 축적하는 데 큰 노력을 기울여 좋은 결과가 나온 것 같다”라며 “인간 중심의 조명이 우리 일상생활에 성공적으로 적용될 기회는 무궁무진하다”라고 말했다.
최경아 연구교수는 “빛을 단순히 공간을 밝히는 용도를 넘어 사용자의 경험을 한층 더 풍요롭게 하는 중요한 도구로 인식하는 데서 시작된 연구이다”라며 “학문 간 경계를 허물고 우리 연구를 읽어주는 독자의 스펙트럼이 확대된다는 데 의의가 있다고 생각한다”라고 말했다.
이번 연구는 한국연구재단의 이공분야 기초연구사업의 지원으로 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 낮과 밤의 멜라토닌 분비량의 변화 그래프
2019.02.28 조회수 15087 -
새로운 생체시계 유전자 기능 밝혀내다
- 최준호 교수팀 4년간의 결실, 네이처지 2월호 게재 -
교육과학기술부(장관 이주호)는 24시간을 주기로 반복적으로 일어나는 행동 유형의 하나인 일주기성 생체리듬을 조절하는 새로운 유전자(투엔티-포, Twenty-four)와 이 유전자의 기능 메커니즘이 국내 연구진에 의해 세계 최초로 밝혀졌다고 발표했다.
투엔티-포는 ‘21세기 프론티어 뇌기능활용 및 뇌질환치료기술개발사업’(사업단장 김경진)의 지원을 받은 KAIST 생명과학과 최준호(58)교수·이종빈(30)박사 팀이 미국 노스웨스턴대학교 신경생물학과 라비 알라다 교수·임정훈 박사 팀과의 국제 공동연구를 통해 발견한 것으로 세계 최고 권위의 과학학술지인 ‘네이처(Nature)" 2월호(2011년2월17일자)에 게재됐다.
동 논문의 공동 주저자인 이종빈, 임정훈 박사는 KAIST에서 수학한 국내박사 출신(지도교수 최준호)으로 현재 박사후 연구원으로 동 연구에 참여하고 있으며, 이번 성과는 국내에서 양성한 신진연구원이 주도했다는 점에서 큰 의의를 지닌다.
연구팀에 따르면 형질 전환 초파리를 대상으로 지난 4년간 행동 유형을 실험한 결과 뇌의 생체리듬을 주관하는 신경세포에서 기존에 알려지지 않은 새로운 유전자인 투엔티-포가 존재한다는 사실을 알아냈다.
기존의 생체리듬에 관여하는 유전자들이 DNA에서 mRNA(전령RNA)로 바뀌는 과정(전사단계 : Transcription)에서 작용하는 것과 달리 투엔티-포는 전사단계의 다음단계인 mRNA가 리보솜에서 단백질로 만들어지는 단계에서 작용한다. 특히 투엔티-포는 생체리듬을 조절하는 중요한 유전자인 피리어드(Period) 단백질*에 영향을 미치는 것으로 밝혀졌다.
* 피리어드(Period) 단백질 : 생체 시계 세포들은 외부 자극없이 스스로 돌아가는 분자적 시계 구조를 신경세포마다 가지고 있는데, 피리어드는 이러한 분자적 시계의 구성 유전자 중 하나임. 피리어드 단백질은 생체 시계의 중심 유전자인 클락(Clock)에 의한 전사 활성을 억제 시키는 역할을 함
이는 유전자의 기능을 밝히는 실험을 통해 이 유전자가 만드는 단백질이 신경세포에서 어떻게 기능을 하는지 과학적으로 증명한 것이다. 이번 발견은 기존의 생체리듬에 관여하는 각종 유전자의 작용 메커니즘과 전혀 다른 것으로 생체리듬의 연구 분야에서는 획기적인 일로 평가받고 있다.
이 연구 결과는 앞으로 인간을 포함한 고등생물체의 수면장애·시차적응·식사활동·생리현상 등 일주기성 생체리듬의 문제를 해소하는 방안을 찾는데 중요한 열쇠가 될 것으로 전망된다.
최준호 교수는 “생체리듬의 조절이 유전자의 번역단계에서도 이루어지고 있음을 밝혀 생체시계의 새로운 작용 메커니즘을 찾아냈다는 점에서 연구 결과의 의미가 크다”고 말했다.
연구팀이 새 유전자의 이름을 투엔티-포(Twenty-four)라고 붙인 것은 일주기성(24시간)에 부합하고 유전자 기호 번호(CG4857)를 합한 숫자가 24라는 점에 착안한 것이다.
2011.02.16 조회수 19243 -
생명과학과 김재섭 교수팀, '생체시계 뇌신경망 교신 유전자'세계최초로 밝혀
2만5천여 종의 형질전환 초파리 이용, 새로운 생체시계 유전자 발견
수면장애, 생체리듬 장애로 인한 각종 생리질환 치료법 개발 활로 열어
우리 몸은 하루 24시간의 시각 주기를 기억해서 현재 시각이 아침인지 저녁인지 혹은 낮인지 밤인지를 스스로 아는 능력이 있다. 한국에 살던 사람이 미국에 가면 한국에서 기억된 시각주기 때문에 처음 며칠 동안은 밤에는 깨어 있다가 낮이 되면 졸리고 하는 것이 그 일예이다. 우리 몸이 이렇게 하루 24시간 주기의 시간 흐름을 아는 것은 대뇌 아래 시상하부에 존재하는 일부 신경세포가 시계의 기능을 하기 때문인데, 이 시계를 “생체시계”라고 부른다. 정상적으로 생활하던 사람을 하루 종일 어두운 곳에 두어도 아침 시간이 되면 잠에서 깨고, 끼니마다 배가 고파지며, 또 밤 시간이 되면 잠을 자는 이유도 이 생체시계 때문이다.
생체시계의 역할은 시상하부에 위치한 수십 개의 신경세포가 담당한다. 이 생체시계 신경세포 각각의 내부에서 작동하는 유전자들은 그 동안 잘 알려져 있었다. 그러나 정작 각각의 생체시계 신경세포가 어떻게 서로 교신하여 하나의 완벽하고 정교한 생체시계 신경망을 이루어 우리 몸의 시간을 지배하는 지는 베일에 쌓여 있었다. KAIST 생명과학과 김재섭(金在燮, 42) 교수팀이 바이오벤처 제넥셀과의 공동연구로 이번에 그 베일을 세계 최초로 벗겼다.
金 교수팀은 제넥셀이 구축한 2만5천여 종의 형질전환 초파리를 이용, 새로운 생체시계 유전자를 발견하였으며, 그 이름을 “한(Han)"이라고 명명하였다. 金 교수팀에 따르면 “한” 유전자로부터 만들어지는 단백질은 "피디에프(PDF)"라는 리간드 단백질의 수용체로 작용하며, 생체시계 신경 세포들의 표면에 존재한다. 생체시계 신경세포 중에서 마스터(master) 생체시계 신경세포가 하루 24시간의 주기에 따라 각기 다른 양의 “피디에프”를 분비한다. 그러면 뇌의 다른 부위에 존재하는 생체시계 신경세포들은 표면에 있는 “한” 수용체 단백질을 통해 이 신호를 받아서 자기의 생체시계 작동을 마스터 신경세포의 생체시계 시각과 동조화 시킨다. 이렇게 해서 생체시계 신경망을 담당하는 모든 신경세포들 안에 있는 생체시계는 동일한 시각으로 맞춰지게 된다. 즉, “피디에프”와 “한” 단백질을 이용한 생체시계 신경세포들 사이의 교신이 정확하게 이뤄져 생체시계의 시각 결정을 담당하는 모든 신경세포가 특정 시간을 모두 동일한 시간으로 인식하여 일사 분란하게 몸을 조절하는 것이다. 金 교수팀의 이번 연구결과는 뉴론(Neuron)誌 10월호(10.20 발행)에 게재된다. 뉴론誌는 셀지의 자매지로서 네이처 뉴로사이언스와 쌍벽을 이루는 신경과학 분야의 최고 권위지다.
김재섭 교수는 "학문적으로는 생체시계를 담당하는 뇌신경들이 어떻게 서로 교신 하는 지를 알 수 있게 되었으며, 의학적으로는 수면 장애와 생체리듬 장애로 인한 각종 생리 질환 치료법 개발에 새로운 길을 열게 되었다"고 이번 연구 성과의 의의를 밝혔다.
2005.10.20 조회수 18911