연구마당

김경진
생체리듬을 관장하는 시계유전자와 정서조절 이야기
김경진 DGIST 뇌과학과 메일 kyungjin@dgist.ac.kr

  일주기 리듬(circadian rhythm)은 약 24시간 주기를 지닌 생체리듬을 지칭하며, 원래 라틴어에서 대략(about)을 의미하는 circa와 하루를 뜻하는 dies에서 유래되었다. 수면-활동 주기, 체온 변화, 호르몬 분비, 섭식, 물질대사는 물론 정서(기분)조절 등 수많은 생리, 생화학적, 행동학적 현상은 하루를 주기로 하는 일주기 리듬을 나타낸다. 이와 같은 생명체의 생명현상은 낮과 밤의 일주기적 환경 변화에 따른 수동적 적응으로 오랫동안 믿어져 왔으나, 일주기 리듬을 관장하는 시계유전자(clock genes)가 발견되고 그 분자조절기구가 밝혀지면서, 생체시계는 자발적으로 작동하는 특징을 지니고 있으며 환경 영향에 의해 재설정되어 정확히 24시간으로 동조화 기전을 지닌 바이오 진동자로 밝혀졌다. 인간을 포함한 생명체는 시계유전자를 가지고 있으나 시계유전자가 발견되기는 비교적 최근의 일이다.
  저자 연구팀은 최근 생체리듬을 소개하는 리뷰를 국내학술지에 수차례 발표한 적이 있으나 [1-4], 본 논고에서는 생체시계 유전자 탐색과 포유류 분자조절기구 그리고 대뇌의 도파민(dopamine, DA)과 세로토닌(serotonin, 5-HT) 신경세포의 국부시계(local clock)의 분자생물학적 기능과 연계된 정서조절에 관한 연구를 간략히 살펴보고자 한다.



생체시계 유전자의 탐색

  시계유전자를 탐색하려는 연구는 미국 Caltech 생명과학과 벤저(Seymour Benzer)교수의 실험실에서 최초로 시작되었다. 저명한 유전학자인 벤저 교수의 대학원생인 코노프카(Ronald Konopka)는 초파리를 실험모델로 하여 무작위로 유전자 돌연변이를 유발한 다음, 일주기 리듬이 파괴된 돌연변이체를 찾아내 분석하겠다는 실험을 제안하였다. 당시는 E. Coli 미생물에서 유전자 조작을 하던 시기로 고등 생물체의 행동을 관장하는 유전자를 발굴하겠다는 코노프카의 야심 찬 가설은 어떤 의미에서 무모하고 엉뚱한 생각으로 치부될 수 있었다. 하지만 20세기 후반기 현대 신경과학의 연구흐름을 명시하는 모토가 “유전자에서 행동까지” (from gene to behavior)였다는 점을 고려할 때, 코노프카의 제안은 독창적인 착상이며, 이런 의외의 발상을 실험적으로 입증하려는 연구를 한 벤저 교수 역시 시대를 앞서가는 혁신적인 선구자였다고 생각된다.

   코노프카는 초파리의 활동리듬과 번데기의 우화리듬이 하루보다 훨씬 짧거나 길어진 돌연변이체를 발견했을 뿐 아니라 일주기 리듬이 망가진 돌연변이체까지 분리해냈다. 벤저 교수와 코노프카는 돌연변이를 야기한 원인이 유전자(gene)라고 추론하여 초파리의 일주기에 영향을 미친 유전자를 주기를 뜻하는 Period로 명명하고 연구결과는 1971년 미국 학술원 학술지(PNAS)에 발표하였다[5]. 이 연구결과는 일주기의 생리현상과 행동이 유전자에 의해 조절되는 가능성을 시사한 최초의 실험 증거로 Period와 같은 시계유전자를 클로닝하여 염기서열을 밝히고 분자적 기능 나아가 일주기 리듬의 분자조절기구를 규명하려는 분자생물학적 연구가 필연적으로 뒤따르게 되었다.

  최근, 초파리에서 시계유전자를 탐색하여 분자생물학적 기전을 규명한 선구자적 연구를 수행한 3명의 과학자들, 제프리 홀(Jeffrey C. Hall), 마이클 로스배시(Michael Rosbash)와 마이클 영(Michael W. Young)에게 2017년 노벨생리의학상이 수여되었다.

   홀과 로스배시 교수는 평생에 걸친 절친한 공동연구자 관계였으며 1984년 초파리의 Period 유전자의 클로닝에 성공했다. 영은 나름 독창적인 연구를 수행하였으며 Period 유전자가 돌연변이 된 초파리에 정상적인 Period 유전자를 주입하면 초파리의 일주기 리듬이 정상으로 회복되는 실험을 성공했다. 영은 두번째 시계유전자인 Timeless를 발견하였으며 이 시계유전자의 번역 산물인 TIM 단백질이 정상적인 일주기 리듬을 유지하는데 필요하다는 것을 밝혔을 뿐만 아니라, TIM과 PER 단백질이 결합하여 핵 속으로 이동한다는 사실을 규명하였다. 영은 또다른 시계유전자인 Doubletime을 동정했으며 이 유전자의 번역 산물인 DBT 단백질은 PER 단백질이 세포질내 누적되는 것을 지연시켜 PER 단백질의 양적 변화가 거의 24시간에 맞추어 질 수 있도록 조정한다는 것을 밝혔다. PER 단백질이 Period 유전자 발현을 전사 수준에서 조절하여 Period mRNA 수준을 감소시키는 결과 등은 생체시계의 기본적인 분자조절기구가 전사와 번역 단계에서 피드백 조절고리 (Transcription- Translation- Feedback Loop, TTFL)임을 시사하며 추후 많은 연구자들에 의해 이 개념적 틀이 옳다는 것이 확인되었다.

   그후 PER과 TIM 단백질은 핵 속에서 전사조절인자로 작용하여 Clock과 Cycle 유전자 발현을 조절한다는 사실이 알려지게 되었다. Clock 유전자는 조셉 타카하시 (Joseph Takahashi) 교수에 의해서 발견된 시계유전자로 생쥐에서 최초로 밝혀졌다. Clock과 Cycle 유전자의 번역 산물인 CLOCK과 CYCLE 단백질은 서로 결합하며 이형 복합체를 이루며 Period, Timeless 유전자 특정 조절부위에 결합하여 전사를 활성화한다. 결국 PER와 TIM 단백질이 CLOCK 단백질의 활성을 억제적으로 조절함이 규명된 후, 일주기 리듬의 피드백 조절기구가 완성되었다. 초파리 모델에서 빛에 의해서 CRY 단백질이 활성화되어 TIM과 결합을 촉진하며 궁극적으로 CRY 단백질은 단백질분해 효소에 의해서 분해된다. 결론적으로, 초파리에서 규명된 ‘생체시계의 분자조절기구는 간단해 보이지만, 시계유전자에 의한 행동유전학적 기초를 설명할 수 있는 가장 성공적인 분자조절 기전의 사례이며[6], 포유류의 분자조절기구를 밝히는데 근간을 이루었다.


포유류의 생체리듬 분자조절기구

  포유동물의 분자조절기구도 초파리와 유사하며 크게 보면 두 개의 고리로 이루어져 있다. 상위 단계에서 Clock과 Bmal1 유전자 산물인 CLOCK과 BMAL1 단백질이 결합한 이형 복합체(C:B)가 2개의 피드백 고리로 구성되어 있다.

  상위 시계유전자 발현 결과, CLOCK과 BMAL1 이형 복합체는 전사조절인자로 하위 시계유전자인 Period, Cryptochrome 유전자의 프로모터 부위(E-box)에 결합하여 전사 수준에서 유전자 발현을 제어하는 중추 핵심 피드백 고리 (central core feedback loop)를 구성하며, RORα와 Rev-erbα 시계유전자 산물인 RORα와 REV-ERBα 단백질은 전사조절인자로 작용하여 핵내에서 Bmal1 유전자의 프로모터(RORE)로 작용함으로써 Bmal1 유전자 발현을 촉진 혹은 억제하여 일주기적 리듬을 유도하는 보조 피드백 고리(auxiliary feedback loop)로 구성되어 있다. From modified version [7].

  전사조절인자로 작용하여 하위 유전자인 Period와 Crytochrome 유전자의 프로모터 부위(E-box)에 결합하여 유전자발현을 조절한다. 초파리의 Timeless 유전자와 같은 상동유전자는 생쥐에 없는 것으로 확인되었으며 초파리의 Cycle 유전자에 해당하는 생쥐의 유전자는 Bmal1이다. Period와 Cryptochrome 유전자의 번역 산물인 PER와 CRY 단백질은 이형 복합체를 이루면 세포 내에 축적된 이형 복합체는 핵 내로 이동하여 C:B 이합 복합체의 전사활성을 억제함으로써 자신들의 유전자 발현을 조절하는 음성 피드백 고리(negative feedback loop)를 형성한다. 세포 내 PER와 CRY 단백질의 양이 역치 이하로 감소하게 되면 다시 C:B 이형 복합체를 암호화한 Clock과 Bmal1 유전자 발현을 전사 수준에서 조절하여 주기적인 유전자 발현 조절이 가능하게 한다. 이 조절기구를 중추 핵심고리(central core loop)라고 한다.

  또한, C:B 이형 복합체의 조절을 받는 하위 유전자로는 핵수용체의 일종인 Rorα 유전자와 Rev-erbα 유전자가 있으며 이들의 번역 산물인 RORα와 REV-ERBα 단백질은 전사조절인자로 작용하여 Bmal1 유전자의 프로모터(RORE)에 경쟁적으로 작용함으로써 Bmal1 유전자의 일주기적 발현을 유도한다. RORα 단백질은 Bmal1 유전자 발현을 증가시키는 반면에 REV-ERBα 단백질은 Bmal1 유전자발현을 강력히 억제한다. 이 조절 고리를 보조고리(auxiliary loop) 혹은 중추 고리의 주기 및 진폭을 안정화하는 역할을 담당하기에 안정화 고리(stabilizing loop)라고 한다[7] [그림1].


그림 1. 포유류의 생체리듬 시계유전자의 조절네트워크기구
그림 1. 포유류의 생체리듬 시계유전자의 조절네트워크기구

  생체시계의 전사 및 번역 단계에서 피드백 고리가 안정적으로 유지되고 필요에 따라 재설정되는 과정에서 다양한 방식의 전사 후 혹은 번역 후 공정과정이 필요하다는 사실이 알려지게 되었고 일주기 생체시계의 유전자 발현 조절에서 중요한 역할을 담당한다는 사실이 밝혀지게 되었다.

중추시계 vs. 말초시계 (국부시계)

  인간을 포함한 포유류에서 일주기 리듬을 관장하는 중추 생체시계는 뇌 시상하부의 시신경교차상핵 (suprachiasmatic nucleus, SCN)에 존재하며 SCN에는 2만여개의 신경세포로 이루어져 있다. 중추시계는 밤낮으로 수많은 비행기가 뜨고 내리는 공항 관제탑처럼 생체리듬 시간표에 따라 생명체의 여러 부위에 메시지를 끊임없이 보낸다고 생각할 수 있다. 이런 메시지는 신경망을 타고 전달되는 신경 전도일 수도 있고, 혈액을 타고 이동하는 확산성 화학인자일 수도 있다. 흥미롭게도, 초파리의 다리, 신장 등 말초기관에서 시계유전자 발현의 일주기적 리듬이 존재하며, 생쥐의 간, 부신, 근육 등 대부분의 조직이나 기관에서도 생체리듬을 구동하는 시계유전자 발현이 보고되었다. 일주기 리듬을 관장하는 중추 SCN에 생체리듬 표준시계가 내장되어 있고 일주기 리듬을 만들어 낸다는 이론은 흔들리게 되었으나, 여러 조직에 제 각각의 생체시계가 존재할 것이라는 이론은 당시에 회의적이었고 한다.

  스위스 제네바대의 유리 쉬블러 (Ueli Schibler) 교수는 놀라운 실험을 성공시켜 회의론을 뒤집어 버렸다. 오랜 기간 체외 배양된 섬유아 세포주에 혈청 처리(serum shock)를 한 조건에서 Period와 같은 시계유전자 발현이 동조화 되어 약 24시간 주기로 생체리듬이 야기됨을 밝혔다[8]! 세포주는 시상하부 SCN에 있는 중추 생체시계와 접촉한 적도 없으며 신경활성이나 액성 물질의 영향을 받은 바도 전혀 없었기에, 단일세포에 시계유전자가 내장되어 있으며 적절한 조건에서 동조화되어 시계유전자가 작동하여 일주기 리듬을 유도할 것으로 추론할 수 있었으며 이 연구결과는 말초시계의 존재를 밝힌 기념비적인 업적이라고 사료된다.

   SCN에 위치한 중추시계(central clock)에 대비하여 다양한 말초 조직에 존재하는 시계를 말초시계 (peripheral clock)라고 칭한다. 시상하부 SCN 이외에 해마, 편도체 등 뇌 여러 부위에 분포된 신경세포는 국부시계(local clock)라고 부른다. 낮과 밤의 환경적 변화를 인지하여 SCN에 소재한 중추시계가 페이스메이커 (pacemaker)로서 생명체의 일주기 리듬을 전반적으로 통제, 조율하는 역할을 하는 것은 사실이나, 개체 수준에서 일주기 리듬은 중추시계와 말초시계들 사이의 위계적인 계층으로 구성되며, 신경활성 혹은 체액성 신호등 다양한 신호전달 경로를 통하여 말초시계는 중추시계와 동조화 된다는 개념이 폭넓게 인정받고 있다.

시계유전자 교란과 정서조절

  생체시계의 상위 조절인자인 Clock 시계유전자에 돌연변이가 일어난 생쥐에서 우울증과 같은 정서장애와 약물중독의 취약성이 2015년 처음 보고된 이래[9,10], 각종 시계유전자를 돌연변이 시키거나 녹아웃한 생쥐 모델을 이용하여 일주기 리듬, 시계유전자 발현 그리고 행동생물학적 이상을 연결 짓는 분자조절 메커니즘을 규명하려는 연구가 활발히 진행되고 있다.

   이런 연구 흐름의 연장선에서 저자 연구팀은 Clock:Bmal1(C:B) 이형 복합체의 핵과 세포질 shuttling 기전, 시계유전자의 단백질분해 기전[11-13], 스트레스 조절에 중요한 glucocorticoid 합성을 조절하는 부신 말초시계[14, 15]에 관련된 연구를 오래전에 수행하였으나, 최근에는 중추신경계의 도파민과 세로토닌 신경세포의 국부시계에 대해 연구하고 있으며 이를 간략히 소개하도록 하겠다.

   저자 연구팀은 도파민 합성에 중요 효소인 tyrosine hydroxylase (TH) 유전자 발현이 일주기 리듬을 나타내는 분자적 메커니즘을 규명한 바 있다. 도파민 신경세포의 국부시계에서 억제적 역할을 하는 REV-ERBα와 촉진 작용을 하는 NURR1이 전사조절인자로 작용하여 TH 유전자의 프로모터에 경쟁적으로 작용함으로써 TH 유전자의 일주기적 발현을 야기함을 발견하였다. 특히 억제성 전사조절인자인 Rev-erbα 유전자가 녹아웃된 생쥐에서 도파민 수준이 높아져 일주기 리듬이 없어진 hyper DA 상태를 야기하며 불안장애, 공격성 등 정서조절 이상이 심하게 유발됨을 발견하였다[16]. 또한, 퇴행성 뇌질환인 파킨스병 환자들은 불면증은 물론 우울증, 불안증세 등 정서조절이 이상이 특히, 일몰 시간에 심해지는 이른바 ‘일몰증후군’을 현상을 보이는데 저자 연구팀은 파킨스병 동물모델에서 억제성 전사조절인자인 REV-ERBα의 길항제 처리함으로써 일주기 리듬의 교란현상인 일몰중후군을 극복함을 규명하였다 [17].

   최근, 저자 연구팀은 수면, 감정, 인지 등 다양한 뇌기능에 관련된 세로토닌 신경세포의 국부시계에서 세로토닌 합성효소인 tryptophan hydroxylase(TPH2) 유전자 발현의 일주기 리듬의 분자메카니즘을 연구하고 있다. 흥미롭게도 세로토닌 발생에 중요한 Pet1 촉진성 전사조절인자와 억제성 전사조절인자인 Rev-erbα가 TPH2 유전자의 프로모터에 경쟁적으로 작동하여 TPH2 유전자의 일주기적 발현을 야기함을 발견하였다. 세로토닌 신경세포 특이적으로 Rev-erbα 유전자 녹아웃된 생쥐에서 세로토닌 수준이 높아진 일주기 리듬이 사라진 hyper serotonin 상태를 야기하며 우울증과 같은 정서장애가 심하게 유발됨을 발견하였다. 흥미롭게도 세로토닌 신경세포가 밀접한 배후솔기핵(dorsal raphe nucleus)에서 축삭이 뻗어 부전두피질(orbitofrontal cortex)에 이르는 신경회로를 광유전학적 방법으로 활성시켰을 때, 우울증을 감소시키며 오히려 위기에 대처하는 행동을 증가시킴을 발견하였다. 이 결과는 각종 감각정보를 통합 조절하며 의사결정 등 고등인지기능을 수행하는 전전두엽이 정서조절에도 매우 중요함을 시사한다고 사료된다.

   살아있는 생명체의 시스템 수준에서 다양한 일주기 리듬 조절 기전을 규명하기 위해 녹아웃 생쥐를 생산하여 분석하는 연구기법이 광범위하게 사용되었으며 최근에는 AAV 바이러스를 활용하여 비교적 손쉽게 조직 특이성 녹아웃 생쥐를 생산할 수 있다. 다양한 분자생물학 방법과 각종 동역학적 이미징 분석기법이 활용되고 있다. 더불어 이런 유형의 연구 흐름은 시계유전자의 결함이 생리, 병리적 현상을 이해하고 기전을 규명하며 나아가 신약개발의 단초를 제공할 것이며 이런 추세는 앞으로도 계속될 것으로 사료된다.

생체리듬과 정신건강

  최근 국내 일간지에 매우 흥미 있고 인상적인 기사가 실렸다[18]. 코로나19 전염병 방역대책의 일환으로 사회적 봉쇄와 개인간 고립 등으로 인하여 정신질환 즉, 우울증과 불안증, 공항장애 등 환자수가 급증하여 코로나19 팬데믹 이후 몰아친 제2의 정신질환이 전염병 수준에 이르렀다는 것이다. 우리나라도 상황이 비슷하며 건강보험심사평가원에 따르면 우리나라에서 지난해 진료를 받은 우울증, 불안장애 환자는 2019년 대비 15% 이상 증가했다고 한다 [그림 2].


그림 2. 코로나19 팬데믹을 거치면서 지난 2년 동안 (2019년~2021년) 급증한 우울증과 불안장애 정신질환 환자수. From 조선일보(2022년 10월 13일자).
그림 2. 코로나19 팬데믹을 거치면서 지난 2년 동안 (2019년~2021년) 급증한 우울증과 불안장애 정신질환 환자수.
From 조선일보(2022년 10월 13일자).

  최근, 사회적 봉쇄는 다소 완화되었으나 인플레이션과 경제적 침체 등 사회, 경제적 악재가 이어지면서 시민들의 정신이 무너져 내리고 있다고 한다. 이에 따른 경제적 손실은 연간 1조 달러에 이르며, 세계보건기구(WHO)와 국제노동기구(ILO)는 ‘직장 노동자들에 대한 정신건강 관리지침’을 발표하면서 “우울증과 불안장애로 매년 120억일 노동 손실이 발생하고, 세계 경제에 끼치는 연간 손실만 거의 1조달러(약 1405조 5000억원)에 이른다”고 지적했다[18].

  우울증과 불안에 시달리는 환자가 급증하면서 미국에서는 흥미롭게도 기업가치가 10억 달러가 넘는 유니콘 신생 바이오 기업이 등장했으며 정신질환 관련 벤처와 정신건강 관리기업에 대한 투자가 늘고 있다고 한다. 이런 글로벌 신약개발 바이오 시장에 발맞추어 국내 바이오 벤처도 생체리듬을 관장하는 시계유전자에 기반한 정서장애 치료제 개발에 뛰어들어 새로운 희망의 불씨를 키워 나가길 기대해본다.


참고문헌

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    손기훈. 일주기 생체시계: 떠오르는 신약 표적. (2014) 12월 13일 분자세포 생물학회 뉴스레터, 특별기고.

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    손기훈, 정수영, 김경진. (2010) 생체리듬과 신경내분비 시스템. Endocrine & Metabolism 25(4), 249-257.

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    안상현. 우울증에 매년 1400조원 사라져…’제2의 팬데믹’ 정신질환. (2022) 조선경제, 조선일보. 2022년 10월 13일.

저자약력

  • 1971-1975

    서울대학교 문리대 동물학과, 이학사

  • 1975-1977

    군복무 ROTC 포병장교

  • 1977-1979

    서울대학교 대학원 발생생물학, 이학석사

  • 1979-1984

    미국 일리노이대 생리학 및 생물물리학과, 이학박사

  • 1985-2015

    서울대학교 자연과학대학 생명과학부, 조교수, 부교수, 교수

  • 2003-2013

    21세기 뇌과학 프론티어 사업단, 단장

  • 2015-2018

    한국뇌연구원, 원장

  • 2015-현재

    대구경북과학기술원(DGIST) 뇌과학과, 초빙석좌교수

  • 2017-현재

    서울대학교, 명예교수