생체시계, 生體時計, biological clock
생명체가 갖는 일주율, 월주율, 일년율 등의 주기성을 갖는 생체 시계를 가리킬 뿐만 아니라 타이머(timer) 같은 역할 즉 특정시간으로부터 얼마간의 시간이 흘렀는지를 체크하는 타이머 기능도 포함한다.
유전자
생명체의 생체시계와 관련된 단백질로는 TIM , CLK, PER 등의 유전자들이 있다고 보고된 바 있다.
항상성
항상성(恒常性,constancy)은 생체가 여러 가지 환경 변화에 대응하여 생명 현상이 제대로 일어날 수 있도록 일정한 상태를 유지하는 성질. 또는 그런 현상을 가리킨다. 생명체는 심리적으로 여러 가지 조건이 바뀌어도 친숙한 대상은 항상 같게 지각하려는 항상성을 갖고있다. 물체의 크기ㆍ모양ㆍ빛깔, 또는 소리를 들은 거리나 빛의 명암 따위의 조건에 따라 달라지는 것이 원칙이지만, 생리적 자극과는 관계없이 항상 같게 지각되는 경향이다. 특히 이러한 항상성기능(恒常性機能)은 생체에서 온도나 화학 물질의 농도 따위를 환경 조건의 변화에도 불구하고 일정하게 유지하는 기능으로 항상성 기능의 기초에는 교묘한 비선형 피드백 기구가 있고, 뇌의 신경계가 관련되어 있다.
생체시계, 일주율, 월주율, 일년율, 항상성
사람은 해가 뜨는 아침에 일어나서 햇빛이 비치는 낮 시간에는 활동을 하고, 일몰(日沒) 후 어두워져서 밤이 되면 잠이 들어 휴식을 취하게 된다. 밤낮은 지구의 자전으로 우리 눈에 보이는 태양의 위치에 따라, 햇빛의 유무에 따라 생기는 현상이고, 달이 뜨고 지는 것과 보름달, 반달, 그믐달 등 달 모양은 태양, 지구, 달의 위치에 따라 결정된다.
신기하게도 지구상에 생명체는 하루의 변화인 일주리듬(日周律, Circadian rhythm)부터 일주리듬보다 짧은 초 일주(Ultradian)리듬, 하루 이상 1년 이하의 월 주율(月周律, Infrandian rhythm), 1년 주기성 리듬(Circannual rhytnm)과 같은 주기성을 가지는 생체시계(生體時計)에 의해서 움직이고 심지어는 타이머(Timer)처럼 특정시간에서 얼마나 시간이 흘렀는지도 측정하고 있다.
1일 리듬인 일주율의 대표적인 예는 부신피질자극호르몬(ACTH)으로 조직에서 혈액으로 분비되는 코티졸(Cortisol)이라는 호르몬이 있다. 코티졸은 신체에 최대로 에너지를 만들도록 조절하는데, 기상과 함께 최고치가 되어 신체가 활동하는 에너지를 만들게 하고, 저녁에 잠드는 수면 초기에는 최저 수치를 나타내어 에너지 사용을 줄이는 주기성을 가진다.
최대에너지를 만들 수 있도록 하는 코티졸 호르몬이 최대치가 되려면, 자동차를 움직일 때 휘발유가 필요하듯이 인체 연료로 사용하는 혈액 중 포도당의 함량(혈당)을 높아진다. 또한, 자동차의 속도를 높이면 엔진속도가 올라가듯이 신체 신진대사를 높이기 위해 심장 박동 수를 높여서 혈액순환을 빨리 돌게 하여 폐에서 흡수된 산소를 세포에 공급하기 위해서 혈압을 올라간다. 포도당과 산소가 공급되면 연료와 산소를 공급받은 자동차 엔진이 활발히 움직이면서 자동차온도가 올라가듯이 체온도 올라간다.
자동차의 배기가스가 배출되듯이 인체도 산소에서 CO2로 전환되어 폐로 배출하고 포도당을 에너지로 사용하고 난 후 생성된 폐기물은 소화기관을 통해서는 대변, 콩팥을 통해서 물과 함께 배출되기 때문에 아침에 기상하여 화장실을 찾게 된다. 월주율을 갖는 대표적 예는 동물의 월경(Menstruation), 임신(Pregnancy), 동면(冬眠, Hibernation), 탈피(脫皮 , Molt) 등이 있다.
생체시계는 우리가 사용하는 시계와는 다르게 주기의 시작점과 끝나는 점이 항상 같은 것은 아니고 개체에 따라서 다르게 작용하지만, 주기를 가지고 일어난다는 점은 시계와 같다. 결국, 태양빛의 주기에 따라서 생체시계가 작동하고, 생체시계의 주기에 맞추어 생체가 변화하는 것을 알 수 있다.
식물 미모사에서 발견한 생체시계
동식물을 자세히 관찰하면 살아있는 생물은 자기 마음대로 멋대로 살아가지 않고 뭔가 반복되고 있다는 느낌과 주기적으로 움직이고 있다는 것을 알게 된다. 사람도 자신의 몸에 일어나는 변화를 관심을 가지고 관찰하면, 주기성이 있다는 사실을 알게 된다. 생체시계에 대한 실마리는 생물학자나 바이오학자가 발견한 것이 아니고, 놀랍게도 1729년 프랑스의 천문학자인 장-자크 도르투 드 미랑(Jean Jacques d’Ortous de Mairan)이 “미모사(Mimosa pudica)”라는 식물을 관찰하던 중 물리적 자극이 없이도 일정한 주기로 미모사가 잎을 펴고 움츠리는 것을 발견하였다.
Mairan은 태양이 일출하면 기지개를 하듯 잎을 열고, 일몰하여 달이 뜨면 마치 사람이 잠을 자듯 잎을 접는 현상에 관심을 가졌다. 처음은 태양이나 달 때문에 그런 현상이 일어나는 지 궁금하여 <그림 1>에서와 같이 미모사를 빛이 없는 암흑 장소에 옮기고 관찰하였더니 여전히 하루 주기로 잎을 열고 접는 것을 발견하였다. 결국 햇빛이나 달의 영향이 아니라 미모사에 내재한 무언가의 명령에 따라 움직이는 것을 알았다. 이런 주기적인 생물활동을 원(圓)을 의미하는 라틴어인 Circa와 하루를 의미하는 dia의 합성 서캐디안 리듬(Circadian rhythm)로 명명하고 미모사이외에 다른 생물과 사람까지도 수면, 습식, 체온조절 등 다양한 생물활동에는 일정한 주기가 있는 것을 발견하였다
밤낮과 관계가 없는 것으로 표현했지만, 생물체는 오랜 살아온 시간동안 지구의 자전으로 인한 밤낮의 교차에 살아나기 위해 적응하여 주기적 행동이 생존에 유리했기 때문에 생긴 행동이 고착된 것이 일주리듬인 서캐디안 리듬(Circadian rhythm)이 생긴 이유로 추정한다. 시계가 작동하려면 태엽을 감거나 건전지를 넣어서 에너지를 투입하고 동일한 속도로 태엽이 풀리거나 건전지의 에너지를 동일한 속도로 공급하여 초침이 일정 속도로 돌아가고 1바퀴를 돌면 1분이 되고 60바퀴를 돌면 1시간의 시침이 움직여서 12시간이 2번 돌면 24시간이 흐른다.
생체 내 시계의 정교한 태엽과 같은 역할을 하는 유전자는 미국 캘리포니아 공과대학(California Institute of Technology, Caltech)의 시모어 벤저(Seymour Benzer)교수팀이 1970년대에 초파리 연구 도중에 생체시계의 주기성과 관련이 있는 “주기”라는 뜻의 가진 “Period(PER)” 유전자를 발견하면서 시작되었지만 그 당시 정확한 기전을 알 수 없었다. 이후, 20년이란 끈질긴 연구를 통해서 PER유전자가 만드는 PER단백질을 분리하였고, PER단백질의 기능을 조절하는 Timeless(TIM)유전자와 TIM 단백질을 찾아내어 생체시계의 구조를 밝히는데 성공하여 2017년 제프리 홀(Jeffrey C. Hall), 마이클 로스 바시(Michael Ros bash), 마이클 영(Michael W Young)이 노벨생리의학상 수상자로 선정되었다.
제프리 홀과 마이클 로스 바시는 PER유전자가 발현하는 PER단백질(PER1, PER2, PER3)을 발견하였고 PER단백질이 낮에는 분해되지만, 밤에는 세포핵 안에 들어와 쌓이고 PER유전자 활성을 차단하여 낮 동안에는 PER유전자의 활동을 억제된다는 기전이 24시간 주기로 변화하여 생체리듬을 만들어 준다. 마이클 영은 TIM(Timeless)단백질을 만드는 유전자 Timeless를 발견하였고, 세포내에서 PER단백질과 TIM단백질이 결합하여 세포핵 속으로 들어가는 사실을 밝혔다. 아울러 더블타임(Doubletime)라는 유전자를 발견하였고, 이유전자가 만든 DBT단백질은 PER단백질을 분해하는 활성효소라는 사실을 규명하였고, 아울러, PER유전자를 활성화하는데 관여하는 클락(Clock, CLK)과 사이클(Cycle, CYK)단백질도 발견하였다.
생체시계 작동원리
세포핵에 존재하는 주기유전자인 PER을 CLK와 CYK 단백질이 활성화하여 생체 시계 단백질인 PER단백질을 만들어 밤 시간동안에 세포내로 분비하여 <그림 2>와 같이 일정수준 이상의 PER단백질이 축적되는 것은 마치 시계의 태엽을 감듯이 세포 내에 쌓이게 된다. 일정수준 축적된 PER단백질은 태양이 비치는 낮 시간 동안은 또 다른 생체시계 유전자인 Timeless유전자가 만들어 낸 단백질인 TIM 단백질과 결합하여 세포핵에 들어가서 자극을 하면 세포 속에 PER단백질이 충분히 쌓였다는 사실이 인식하고 활성을 낮추고, 세포 속에 PER단백질은 DBT단백질이 작용하여 분해하여 세포에 쌓인 PER단백질이 소진시킨다. 동시에 주기 유전자의 앞 부분에 붙어서 주기 유전자가 발현하지 못하게 하여 더 이상 PER 단백질을 만들지 못하게 하면 시계의 태엽이 풀리게 되는 것과 같다.
결국, PER단백질이 세포 내에서 일정 수준 이하로 떨어지면, PRE 유전자가 활성이 다시 올라가 PER 단백질 생산, 세포로 운반, 분해되는 과정이 반복되어서 주기를 만든다. 즉, 세포핵의 주기유전자가 PER단백질을 만들어 세포로 이동하여 일정 농도까지 쌓이는 시계태엽을 감는 과정은 밤(12시간)시간에 일어나고, 낮(12시간)에는 TIM단백질과 결합하여 세포핵에 들어가서 주기유전자와 결합하여 PER단백질을 못하게 하면서 세포에 과잉으로 있는 PER단백질을 분해하여 소진시키는 시계태엽을 완전히 풀리게 하여 태엽을 감는데, 약 12시간, 태엽을 푸는데 12시간이 걸려서 약 24시간의 주기가 생기게 된다.
결론적으로 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.
일반시계와 생체시계의 차이점
우리가 일상 사용하는 기계식 또는 전자식 시계는 외부환경 변화와 관계없이 일정하게 같은 시간을 표시하는데 비해서 생체시계는 외부시스템 자체가 유동성이 있어서 각 개인의 생체리듬에 맞는 다양성을 가지지만, 생체 작동원리는 비슷하지만, 각개의 생체시계는 동일한 결과를 표시하지는 않는다. 지구가 24시간에 1번씩 자전하지만, 계절에 따라 밤낮의 길이가 다르기 때문에 늘 일정한 주기로 반복되는 일반시계와 같은 생체시계를 가진다면 빛의 양과 섭식 정도에 따라서 유동성을 가지지 못하여 오히려 생물이 살아가는데 어려운 점이 많을 것이다.
예를 들면, 해가 긴 여름에는 새벽 6시에 일찍 일어나는 것이 쉽지만, 해가 늦게 뜨는 겨울에는 새벽 6시에 기상하는 것은 어렵기 때문에 생체시계와 일반시계는 다르게 작동한다. 수면호르몬으로 알려진 “멜라토닌(Melatonin)”은 생체시계에 따라 밤10시~새벽 2시에 주로 분비되지만, 빛의 강도에 따라 미세하게 조절되어 분비량과 분비시간이 조금씩 달라지는 것도 좋은 예이다. 생체시계와 관련이 큰 멜라토닌의 분비시간도 신체의 성숙도에 연관이 있어 신생아의 경우는 멜라토닌이 분비가 안정적이지 못하여 일정한 수면 사이클이 없어서 수시로 자고 깨기를 반복한다.
생후 3개월에는 밤에 6시간이 자는 “백일의 기적”이 일어나고 10세 까지의 유년기에는 멜라토닌 분비가 급격히 올라가서 밤낮의 주기를 대략적으로 맞추어 진다. 하지만, 사춘기가 되면 멜라토닌 분비가 2~3시간 늦추어져서 늦게 자지만, 총 수면시간을 바뀌지 않아서 늦게 일어난다. 성인이 되면 다시 멜라토닌 분비가 정상 패턴으로 돌아오지만, 사춘기 이후 줄어지기 시작한 멜라토닌의 분비량이 노인이 되면 급격히 줄어들어서 “새벽잠이 없는 노인”으로 바뀐다.
생체시계(Circadian clock)는 생명체가 24시간 주기에 맞춰 살아갈 수 있도록 행동과 생리 작용을 조절하는 역할을 한다. 생체시계는 밤 9시경이 되면 뇌에서 멜라토닌 호르몬 분비를 유발해 일정 시간이 되면 수면을 취할 수 있도록 하는 작은 예이고 실제로는 인간의 운동 능력이나 학습 능력에 이르는 거의 모든 생리 작용에 주기성이 관여한다. 따라서 평소에는 일정한 시간을 안정적으로 몸에 주기성을 제시하면서, 동시에 계절 변화에 따른 낮밤의 길이 변화나 해외여행으로 인한 시차 등 환경변화가 생겼을 때는 새로운 환경에 유연하게 적응해서 변화한 시간을 몸에 제시하여 주기성을 조절해주어야 한다. 이러한 안정성과 유연성을 동시에 유지하는 생체시계의 역설적인 성질의 원리를 수리모델링을 통해서 우리나라 기초과학연구원(PNAS(2022))이 밝혀 냈었다.
생체시계 교란
생체시계는 주기성은 가지지만 주기 패턴은 상당히 유동성이 있는데, 이유는 살아가는 환경이 주기적이기는 하지만, 세부 패턴은 변동성이 다양하고 패턴조차도 조정이 가능한 융통성을 가지기 때문이다. 과학이 발달된 현대사회는 전통 고전 사회와는 확실히 달라져서 기본의 생체주기가 교란이 일어나 우리에게 큰 스트레스로 작용하고 있다. 가장 큰 변화는 빛의 지속시간이 햇빛에만 의존하지 않고 인공조명 사용으로 이미 주기성을 유지하기 어렵다. 즉, 현대사회는 자연에 순응하는 수면-각성 패턴의 생체시계가 인위적으로 수면-각성을 하는 사이클 속에 살기 때문에 자연적인 생체시계가 교란을 일으킨다.
자연 상태에서는 음식을 섭취하고 짧은 포만감과 장시간의 공복상태를 유지하는 주기를 형성해 왔는데, 완전한 공복이 되기 전에 추가적으로 음식을 섭취하여 포만-공복의 주기를 교란시켜서 연관된 수많은 호르몬의 불균형을 유지하여 불면증, 소화불량 같은 직접적인 비정상 상태는 물론 면역교란, 신경전달물질 조절이상 등이 발생하여 질병 병발, 우울증과 같은 정신적 변화, 기억력 저하, 비만 등 수많은 인체 비정상을 야기 시킨다. 시계의 너무 세게 감으면 태엽이 터지거나 태엽 축이 파괴되어 시계가 고장 나듯이 생체시계를 순간적으로 너무 세게 감아서 생체시계 교란을 일으키지 말고, 어느 정도 시간이 지나면 느슨하게 유지할 필요도 있고, 매번 주기적으로 적당히 새로 감아서 정상적인 생체시계의 시간을 신체에 알려 주는 것은 매우 중요하다.
음식물을 섭취 후 나른한 식곤증은 영양소를 얻기 위해 소화기관에 혈액을 많이 보내면 뇌와 근육에 가는 혈액량이 줄어서 머리가 나른하고 머리가 멍하고 집중력이 떨어지는 현상인데, 쉬지 않고 계속 먹으면 주기성을 잃게 되어서 신체는 항상성을 잃게 되어서 비정상이 된다. 또한, 음식에서 섭취된 트립토판 아미노산을 원료로 하여서 인체는 기분 좋게 이완하여 편안하게 하는 세로토인과 수면 유도하는 멜라토닌을 합성하는데, 음식물을 많이 섭취하면 음식물에 포함된 트립토판에서 세레토인과 멜라토닌이 많이 생겨서 졸음을 유도한다.
특히, 뇌의 시상하부에서 분비되는 오렉신(Orexin)이란 신경 펩타이드는 각성(Arousal), 깨어남(Wakefulness), 식욕(Appetite)조절하는데, 탄수화물을 많이 섭취하여 오렉신 분비를 억제되면 쉽게 졸음이 오게 된다. 결국, 적당히 시간적 간격을 가지고 주기성을 가지고 음식물을 섭취하면 생체시계는 인체 내의 에너지생산/소비, 뇌 활동, 호르몬 분비 등을 잘 조절할 수 있기 때문에 인간의 건강과 직결된다. 생체리듬이 손상되는 경우 수면장애를 비롯해 심혈관계 질환, 당뇨와 같은 대사성 질환, 치매와 같은 퇴행성 질환, 종양성 질환 등이 증가된다. 따라서 생체시계의 리듬에 맞춰 생활하는 것이 곧 건강과 장수의 지름길이다.
생체에 시계가 있어서 아침에 기상하고 저녁에 잠드는 것 까지 생체시계에 맞추어 생활하고 있다는 사실은 매우 놀라운 일이다. “미모사”라는 식물을 어릴 때 장난감 삼아서 건드리면 수줍은 듯 잎이 움츠리는 것을 보고 단지 재미있다고 생각했는데, 생물학자도 아닌 프랑스의 천문학자이자 지구물리학자인 de Mairan 박사가 1729년에 “미모사”를 주의 깊게 관찰하여 생체시계의 기초 원리인 일 주율(Circadian rhythm) 발견을 한 사실에 현재의 바이오분야 연구자로서 모든 일에 자세히 관찰하는 것이 정말 중요하구나 라고 생각한다.
생체시계의 작동원리를 밝혀서 2017년 노벨상은 받은 3분의 과학자는 연구결과도 매우 빛나지만, 1970년대에 시모어 벤저교수가 그 당시 과학기술로는 비록 완성은 못했지만 초파리를 이용한 주기라는 뜻의 Period(PER) 유전자를 명명한 사실도 노벨생리상의 기초가 되었다고 생각한다. 결국 생체시계는 지구가 자전하여 밤낮이 생기듯이 생체 내에서 자율적으로 조절되는 반복되는 시간의 흐름이다. 주로 생체시계는 뇌의 시상하부에서 수면과 각성을 관리할 뿐만 아니라 신체리듬을 조절하고 기분과 감정을 조절하는 감성리듬과 사고력과 판단력을 조절하는 지성리듬까지 조절하여 인간의 대부분의 생물학적 기능을 조절하고 있다. 낮과 밤에 따라서 세포활동에 다른 점을 파악하고 밤에는 생체에 필요한 단백질을 세포내에 축적하고 낮에는 분해하여 사용하는 활동을 주기적으로 반복하고 있다.
대부분 빛에 의해서 생체시계가 작동되는데 밤에도 밝은 조명으로 낮과 구분이 없어서 수면장애와 우울증을 비롯한 각종 질병의 원인이 되고 있다. 현재 비만을 해결하는 다이어트 중 간헐적 단식도 어떻게 생각하면 너무 자주 끊임없이 먹기 때문에 주기적으로 먹어서 공복의 시간을 만들어 생체시계를 정상화하는 과정이라는 생각도 하여 보았다. 결국, 건강한 삶은 생체 리듬을 교란시키지 않고. 24시간 주기의 리듬에 따라 살아가는 것이 건강하게 오래 사는 길이라고 생각한다. 아래 그림은 태양의 주기에 다른 생체시계와몸의 변화를 표시하였다.
아침에 잠에서 깨고, 밤에 잠드는 것은 자연스러운 일이다. 그런데 이런 자연스러움을 위해 우리 몸은 날마다 특정 호르몬의 분비를 늘리거나 줄이고, 때로는 각각의 호르몬을 분비하는 등 고군분투한다. 이렇게 맞춰진 생활 리듬이 ‘생체시계’다. 전문가들은 실제 시간보다도 생체시계에 맞춘 생활습관이 오히려 더 건강할 수 있다고 말한다. 생체시계란 무엇이고, 어떻게 관리해야 할까?
시계 유전자가 낮과 밤에 적합한 신체 상태 만들어 하루를 주기로 변화하는 신체 리듬을 결정하는 게 생체시계다. 사람에게는 낮과 밤의 변화에 적응하면서 발달한 시계 유전자가 있다. ‘CLOCK’, ‘BMAL1’, ‘PER1-3’ 등으로 불리는 시계 유전자들은 소뇌나 중뇌, 시상하부 같은 뇌 조직뿐 아니라 심장이나 폐, 지방, 혈관, 신장 같은 장기들에 존재하고 있다.
시계 유전자는 체내에서 인간의 행동이나 잠·체온·신진대사 등에 영향을 미친다. 이런 유전자의 주요 역할 중 하나가 호르몬 분비 조절이다. 이를테면 어두운 밤에는 체온을 낮추는 호르몬을 분비하고, 낮에는 체온을 높이는 호르몬이 분비돼 몸이 활동하기 좋은 조건으로 바뀌는 식이다.
PART 1
호르몬 변화가 조율하는 생체시계
사람의 하루 주기를 맞추는 데 가장 중요한 역할을 하는 호르몬이 ‘코르티솔’과 ‘멜라토닌’이다.
코르티솔 분비 신호는 ‘빛’
코르티솔호르몬의 분비량을 최고치로 만드는 것은 빛이다. 아침이 되면서 햇빛이 망막을 통해 뇌 중앙의 송과체(머리 가운데에 위치한 내분비기관)로 들어오면, 송과체에 있는 시계 유전자가 이를 감지해 아침이라는 것을 인지한다. 아침을 인지한 시계 유전자들은 자연스레 신체 각 기관을 낮에 맞는 상태로 작동시키고, 이에 따라 낮 호르몬인 코르티솔의 분비량이 증가한다.
낮의 호르몬, 코르티솔
코르티솔은 오전 6~8시 분비량이 최고치에 도달하는 호르몬이다. 이후 차츰 감소하기 시작해 저녁이나 수면 초기가 되면, 최저 수준으로 떨어진다. 코르티솔은 일종의 스트레스호르몬이다. 스트레스라고 해서 나쁜 호르몬이라 착각하기 쉽지만, 실상은 그렇지 않다. 오히려 스트레스를 이겨내기 위해 필요한 에너지를 공급해주는 역할을 한다.
how
늘어난 코르티솔호르몬은 신체 각 기관으로 보내는 혈액량을 증가시켜 신체 기능이 활성화되도록 한다. 그 결과 맥박이나 호흡이 증가하고, 근육은 긴장 상태가 된다. 또 우리 몸의 에너지원인 포도당이 뇌로 즉각적으로 전달될 수 있도록 포도당의 대사 작용이 늘어난다. 이 때문에 뇌 기능도 활성화돼 정신이 또렷해지고, 감각기관이 예민해진다. 코르티솔의 이런 작용 때문에 아침이 되면, 비몽사몽 상태로 잠에서 깨 차츰 또렷한 정신 상태를 갖추게 된다.
멜라토닌 분비 신호는 ‘어둠’
멜라토닌은 뇌의 뒤쪽에 있는 송과선이라고 하는 밤톨만 한 장기에서 분비된다. 이곳에서는 멜라토닌을 합성하고 저장하고 있다가 주변이 어두워지면 멜라토닌을 분비해 수면을 유도한다. 나이가 들면 이 송과선이라는 조직이 점점 줄어들기 때문에 잠이 줄거나 일찍 깨는 등의 수면장애가 생기기도 한다.
밤의 호르몬, 멜라토닌
멜라토닌은 밤이 되면 분비량이 늘어나는 호르몬이다. 멜라토닌은 오후 9시경이 되면 분비되기 시작해, 오전 6~8시경에 분비량이 줄어든다. 멜라토닌은 수면호르몬으로 불린다. 멜라토닌이 분비되면 신체는 에너지 이용률을 줄이고, 잠이 들기 쉬운 차분한 몸 상태를 만든다.
how
멜라토닌은 신체로 보내는 혈액량을 줄인다. 이로 인해 맥박이나 체온, 혈압이 떨어지면서 온 몸을 나른하게 만든다. 이와 함께 식욕이나 소변 욕구 등도 줄이기 때문에 수면을 유도함은 물론, 한번 시작된 수면 상태를 유지하는 데도 도움이 된다. 이와 함께 멜라토닌은 자는 동안의 영양분 사용을 줄이면서, 근육 조직을 강화하는 역할도 한다. 이 때문에 멜라토닌은 수면호르몬이자 면역호르몬이라고 불리기도 한다.
PART 2
생체시계가 안 맞으면 생기는 문제
생체리듬 일정하게 유지해 생체시계 교란 막아야
낮과 밤을 결정하는 호르몬 분비 변화는 빛의 양에 큰 영향을 받는다. 이 때문에 생체시계를 실제 낮과 밤의 환경에 맞추는 것이 적절한 신체 기능 발현에 도움이 된다.
만약 이 시간에 따라 생활을 유지하는 것이 여의치 않다면, 최소한 잠드는 시간과 일어나는 시간은 일정하게 맞추고 주위 환경의 밝기도 조정하는 게 좋다. 잠드는 시간에 코르티솔이 분비돼 긴장도가 높아지거나 낮 동안 멜라토닌 분비로 무기력해지게되면, 우울증이나 충동조절 등 각종 질환의 원인이 될 수 있기 때문이다.
또 코르티솔이나 멜라토닌이 다른 호르몬과 상호작용을 하는 것도 방해받을 수 있다. 이를테면, 위장 근처에서 분비되는 그렐린 호르몬은 식욕을 높이기 때문에 낮 동안 활동량이 늘 때 분비되는 게 좋다. 그런데 낮밤이 자주 바뀌면서, 호르몬 간 교란이 생기면 식욕을 높이는 호르몬이 잠드는 시간에 분비돼 야식 섭취량을 늘리고, 건강한 수면도 방해하게 된다.
1 정신질환
일본 나라 현립 의대 연구팀이 침실의 밝기와 우울증의 관련성을 분석한 결과, 침실 밝기가 생체시계를 교란하면 우울증 위험이 증가하는 것으로 나타났다.
연구팀은 60세 이상의 성인 남녀 863명을 대상으로 2010년부터 2014년까지 침실에 센서를 설치해 잠자리에 들 때부터 나올 때까지 침실의 밝기를 측정했다. 그 결과, 이 기간 침실의 밝기가 평균 0.4럭스(조명이 밝은 정도를 나타내는 단위로 10럭스는 30cm 떨어진 곳에 촛불을 켠 정도의 밝기)로 어두운 곳에 있던 710명 중 52명이 새로 우울증 증세를 보였다. 반면 침실의 밝기가 ‘밝은 편(평균 12.4럭스)’인 곳에 있던 143명 중 21명이 새로 우울증 증세를 보였다. 침실 조명이 밝은 편이던 사람이 어두운 편이던 사람에 비해 우울증 증세를 보일 확률이 1.9배로 높았던 것이다.
why
생체시계 교란이 정신질환으로 이어지는 가장 큰 원인은 수면의 질 감소다. 잠자는 곳이 밝으면 멜라토닌의 정상적인 분비가 방해를 받아 수면의 질이 나빠진다.
실제로 고대안암병원 정신건강의학과 이헌정 교수 연구팀은 수면 전 밝은 빛에 4시간 동안 노출되는 경우 멜라토닌의 분비량이 줄고, 코르티솔의 분비가 4시간 뒤처져 점심시간이 돼서야 활성화된다는 연구결과를 발표했다. 이렇게 되면, 일상에서 마치 시차를 겪는 듯한 증상이 생긴다. 오전 시간의 무기력이나 피로감이 증가하고, 밤에는 오히려 정신이 들면서 불면증이나 수면의 질은 하락하는 것이다. 밤의 몸으로 낮에 활동을 하거나 낮의 몸 상태로 잠을 청하게 되다보니 자연히 예민한 증상이 강해져 우울증이나 불안장애, 충동조절 등의 각종 정신질환의 위험에 노출된다.
2 식습관 문제
최근 미국 하버드대학 의대 브리검여성병원 수면·생체리듬장애 치료실의 앤드루 맥힐 박사는 생체시계가 밤을 가리키기 시작할 때 식사를 하면, 비만이 되기 쉽다는 연구결과를 발표했다.
맥힐 박사 연구팀은 18~22세의 110명을 대상으로 30일 동안 식사시간과 생체시계의 상관관계를 조사했다. 그 결과, 체중과 체지방이 비만인 사람의 경우 생체시계로 밤이 시작되는 시점에서 평균 1.1시간 전에 식사하는 습관이 있었다. 잠들기 전 야식 섭취는 체중 증가의 원인이 되는 것으로 알려져 있는데, 이 연구는 실제 잠드는 시간보다 생체시계로 멜라토닌이 분비되기 시작하는 시간부터 음식 섭취를 안 하는 게 좋다는 사실을 밝혀냈다.
why
멜라토닌이 분비되기 시작하는 시점에서 식사하게 되면, 음식을 소화하기 위해 위나 대장 등 소화기관에 활동이 증가한다. 뇌에서 분비되는 수면호르몬은 이런 소화기관에 활동을 줄이는 작용을 하는데, 이런 작용에 방해를 받으면서 자연히 멜라토닌 분비의 교란이 생겨 쉽게 잠들지 못하고 잠이 들어도 금방 깨게 된다.
수면 중에는 포만감을 느끼게 하는 식욕억제호르몬(렙틴)이 분비된다. 그런데 이렇게 수면에 방해를 받게 되면, 자연히 렙틴호르몬도 분비에 방해를 받는다. 이 때문에 잠자는 동안 느끼는 포만감은 줄고, 자다가도 식욕이 늘어 잠을 설치게 되면서 야식을 먹어야만 잠자리에 들 수 있는 등 나쁜 습관이 생겨 비만이 되기 쉽다.
3 각종 성인병
생체리듬 교란은 코르티솔 분비의 불규칙으로 이어져 스트레스 조절이 안 되고, 멜라토닌 분비 이상으로 밤에도 몸의 장기가 쉬지 못하게 만든다. 이는 체온이나 혈압이 계속 높은 상태를 유지하게 해 혈관 기능에 무리를 준다. 이 때문에 당뇨병이나 심혈관질환부터 혈관성치매 등의 성인병이 유발되기도 한다.
낮과 밤이 규칙적이지 않은 스튜어디스ㆍ간호사 등은 당뇨병 발병률이 일반 직장인에 비해 월등히 높다는 연구도 있다. 실제로 세계보건기구(WHO)는 2009년 “생체시계 교란은 암과 대사질환 발병의 주요 위험 요인”이라고 공인하기도 했다.
PART 3
생체시계 맞추기
생체시계가 정상적으로 작동하려면, 해가 뜨고 지는 시간에 맞춘 생활을 하는 게 좋다. 하지만 단순히 시간만 맞추는 것이 아니라 코르티솔이나 멜라토닌 호르몬이 이상적으로 분비될 수 있는 환경을 만드는 것이 무엇보다 중요하다.
식사 시간 맞추기
음식을 소화하는 데는 4시간 정도가 걸린다. 이 시간 동안은 위나 장이 섭취한 음식을 소화시키느라 분주하게 작동한다. 그런데 잠들기 직전 4시간 사이에 음식을 섭취하면, 수면을 위한 멜라토닌 분비가 이런 소화기관의 활동을 방해한다. 따라서 취침 시간 4시간 전에는 음식 섭취를 삼가고, 불가피하게 먹어야 할 때는 소화가 오래 걸리는 기름진 음식 대신 섬유질이나 저지방 단백질 등이 많이 함유된 음식을 먹어야 한다.
낮 동안 햇빛 쬐기
빛은 코르티솔 분비가 적절하게 이루어지도록 돕는다. 따라서 낮 동안 충분한 햇빛을 쬐는것은 생체시계가 적절히 작동하는 데 도움된다.
신체에 낮과 밤을 인지시켜라
자신의 몸과 뇌에 언제가 낮이고 밤인지 인지시키는 것도 생체시계를 맞추는 효과적인 방법이 될 수 있다. 아침에 일어나면 먼저 손과 발을 가볍게 움직여준다. 기지개를 켜거나 등과 허리를 곧게 펴는 등 스트레칭해주는 것도 잠자는 동안 떨어진 신체기능을 올리는 효과가 있다.
침실은 어둡게 하라
잠자는 곳이 밝으면 멜라토닌 분비가 방해를 받아 잠의 질은 떨어지고 몸의 리듬이 쉽게 깨진다. 따라서 잠자는 곳은 최대한 어둡게 하는 것이 좋다. 잠들기 전 밝은 빛을 내는 조명기구는 모두 소등해야 하고, 특히 어두운 환경에서 강한 자극이 될 수 있는 스마트폰은 침실 사용을 삼가야 한다.
식물이 어떻게 시간을 인지하는가, 생체시계의 비밀
식물은 어떻게 시간을 인지할까
지금으로부터 거의 300년 전인 1729년 프랑스 천문학자 장-자크 도르투 드 메랑은 낮에는 잎을 펼치고 밤에는 접는 미모사를 대상으로 쓸데없어 보이는 실험을 했다. 즉 미모사를 하루 종일 빛이 들어오지 않는 공간에 둘 경우 잎의 움직임이 어떻게 될지 확인해보기로 한 것이다.
빛이 있을 때 광합성 효율을 높이려고 잎을 활짝 펼친 것일 테니 컴컴한 곳에 두면 보나 마나 잎을 접은 채 빛이 다시 비추기만 기다리고 있을 것이다. 그러나 놀랍게도 미모사는 어둠 속에서도 이전 낮에 해당하는 시간대에는 잎을 펼치고 밤 시간이 되면 접는 패턴을 한동안 지속했다.
외부 환경변화, 즉 지구 자전으로 인한 낮과 밤의 교차가 없어도 식물은 하루 24시간 주기로 생리활성을 조절한다는 사실을 발견한 것이다. 드 메랑은 식물의 내부에 하루 주기의 리듬, 즉 일주리듬(circadian rhythm)을 관장하는 생체시계가 있다고 결론 내렸다.
▲ 1729년 장-자크 도르투 드 메랑은 낮에는 잎을 펼치고 밤에는 접는 미모사를 하루 종일 어둠 속에 두어도 이전 낮에 해당하는 시간대에는 잎을 펼치고 밤 시간이 되면 접는 패턴을 한동안 지속하는 현상을 발견했다. 드 메랑은 식물의 내부에 일주리듬을 관장하는 생체시계가 있다고 결론 내렸다.
(제공 노벨재단)
초파리 생체시계 돌연변이 만들어
이로부터 242년이 지난 1971년, 학술지 '미국립과학원회보'에는 생체시계가 고장 난 초파리 돌연변이체를 보고한 논문이 실렸다. 미국 칼텍의 시모어 벤저 교수와 대학원생 로널드 코놉카는 DNA를 손상시키는 약물을 처리해 얻은 돌연변이 초파리 수천 마리에서 내부 생체시계가 고장 난 세 종류의 초파리를 발견했다. 하나는 생체시계가 완전히 망가졌고 하나는 하루의 주기가 19시간으로 짧아졌고 나머지 하나는 28시간으로 길어졌다.
▲ 1971년 미국 칼텍의 시모어 벤저 교수(왼쪽)과 대학원생 로널드 코놉카(오른쪽)는 우화(羽化. 고치에서 성충이 나오는 과정) 주기를 상실한 초파리 돌연변이체 세 종을 보고해 현대 생체시계 연구의 문을 열었다. 벤저는 2007년 86세에, 코놉카는 2015년 68세에 세상을 떠났다.
(제공 Harris WA & '셀')
이들은 염색체 지도 분석을 통해 셋 모두 동일한 유전자가 고장 난 결과라고 주장하면서 이 유전자를 '피리어드(period. 이하 per)'라고 불렀다. 덧붙여 생체시계가 망가진 건 유전자 중간이 종결코돈으로 바뀌어 해당 단백질이 토막 나 기능을 잃은 결과이고, 주기가 짧아지거나 길어진 건 중간에 다른 아미노산으로 바뀌면서 단백질 활성이 바뀐 결과라고 추측했다.
13년이 지난 1984년 미국 브랜다이스대의 제프리 홀 교수와 마이클 로스바쉬 교수 공동연구팀과 록펠러대 마이클 영 교수팀이 각각 독립적으로 per 유전자 사냥에 성공했다. 영 교수팀은 1987년 세 종의 돌연변이체 각각에서 per 유전자의 어디가 고장이 났는가를 밝혀냈는데, 벤저와 코놉카가 1971년 논문에서 예상한 그대로였다.
1997년 생쥐와 사람에서도 초파리의 per에 해당하는 유전자가 있다는 사실이 밝혀졌다. 즉 7억 년 전 공통조상에서 갈라진 무척추동물과 척추동물이 생체시계 유전자를 공유하고 있다는 말이다.
한편, 1994년 하루 28시간 주기를 보이는 돌연변이 생쥐가 나왔다. 하루 주기의 변화는 클럭(Clock) 이라는 유전자가 고장나 생기는 것으로 밝혀졌다. 이번엔 거꾸로 초파리에서 해당 유전자를 찾았다.
21세기 게놈시대를 맞아 생체시계 유전자 연구도 급진전했고 이제 생체시계가 어떻게 돌아가는지에 대한 대략적인 그림이 완성됐다. 포유류의 경우 CLOCK 단백질과 BMAL1이라는 단백질이 짝을 이루어 Per과 Cry라는 유전자의 발현을 조절하고 만들어진 Per1과 Cry 단백질이 다시 CLOCK과 BMAL1의 단백질을 조절하는 상호작용을 통해 24시간을 인지하는 생체 리듬을 만들어낸다. 즉 전자가 후자를 촉친하고(positive effect) 후자가 전자를 억제하는(negative effect) 촉진-억제 회로(positive-negative feedback)다. 그리고 포유류에서는 뇌의 시상하부에 있는 시신경교차상핵(SCN)에서 일주리듬을 관장하여 다른 기관들의 생체 리듬을 조절한다는 사실이 밝혀졌다.
생체시계 연구가들의 반세기 가까운 노력은 지난해 노벨생리의학상 수상으로 결실을 맺었다. 즉 1984년 per 유전자를 규명한 세 사람이 상을 받았다. 현대 생체시계 연구의 문을 연 벤저와 코놉카는 안타깝게도 각각 2007년과 2015년 세상을 떠났다.
식물 생체시계가 더 복잡
생체시계의 존재를 가장 먼저 드러낸 식물 역시 비슷한 시기에 관련 유전자들이 여럿 발견됐고 동물과 비슷한 생체시계 회로 모델이 제시됐다. 대표적으로 생체 시계에 관여하는 유전자 3인방인 TOC1, CCA1, LHY의 모델이다. 아침에 유전자의 발현이 왕성한 CCA1과 LHY가 한 쌍이고 저녁에 발현이 왕성한 TOC1이 핵심으로, 전자가 후자를 억제하고 후자가 전자를 촉진한다고 알려져 있었다.
그러나 2012년 TOC1 역시 CCA1과 LHY를 억제한다는 사실이 밝혀졌다. 3개의 유전자 사이의 네트워크는 억제-억제 회로인 셈인데, 연구 결과 실제 위의 3인방 외에도 많은 유전자들이 생체시계에 관여해 24시간의 리듬을 만들어낸다는 사실을 알 수 있었다. 식물은 이동성이 없기 때문에 환경 변화에 민감하게 대처해야 하고 따라서 생체시계도 더 정교하게 조절 되어야 하는 것이다.
▲ 동물(생쥐)과 식물(애기장대)의 생체시계 회로 모형이다. 생쥐 생체시계는 PER 단백질과 CRY 단백질이 CLOCK 단백질과 BMAL1 단백질을 억제하고 후자는 전자를 촉진하는 '음성 양성 피드백'을 중심으로 이뤄져 있다(왼쪽). 반면 애기장대 생체시계는 꽤 복잡한데, CCA1과 LHY 쌍과 TOC1이 서로를 억제한다. 그림 오른쪽 아래를 보면 자이겐티아(GI)가 ZTL을 도와 TOC1을 분해하는 역할을 함을 알 수 있다.
(제공 '유럽생리학저널' & '식물과학경향')
쌍떡잎식물의 모델인 애기장대의 경우 전체 유전자의 3분의 1 정도가 생체시계의 영향을 받아 발현이 일주리듬을 보이는 것으로 밝혀졌다. 이렇듯 식물은 생체시계 조절에 많은 에너지를 쏟아 환경의 변화에 맞춰 효율적으로 살아간다. 예를 들어 광합성 관련 유전자는 낮에 발현하는 주기를 보이게 설정돼 있어야 효율적일 것이다. 실제로도 정오 무렵에 전사물이 정점을 친다. 반면 세포벽 생합성 관련 유전자들은 밤에 발현한다.
▲ 유전자가 고장 나 생체시계 주기가 바뀌더라도 외부환경을 맞추면 잘 자랄 수 있다. 주기가 짧아진 애기장대 변이체(toc1-2)와 길어진 변이체(ztl-27)를 하루가 20시간(낮과 밤이 각각 10시간)인 조건에 두면 toc1-2가 더 잘 자라지만 28시간(낮과 밤이 각각 14시간)에서는 ztl-27이 더 잘 자란다.
(제공 '사이언스')
지난 2005년 학술지 '사이언스'에는 식물의 내재적 생체시계가 지구 자전으로 인한 밤낮의 주기에 대한 적응의 결과임을 보여주는 흥미로운 연구결과가 실렸다. 애기장대를 하루가 20시간으로 4시간 짧아진 환경과 28시간으로 4시간 길어진 환경에 두자 24시간일 때에 비해 단위 면적 당 엽록소의 양이 적었다. 한편 CCA1 유전자가 지나치게 발현해 생체시계가 작동하지 않는 돌연변이 애기장대도 정상에 비해 엽록소가 적었다.
그 결과 32일이 지난 시점에서 하루 20시간에서 키운 애기장대의 땅 위 생체량은 24시간에서 키운 개체에 비해 47%나 줄었고 28시간에서 키운 경우도 42%가 줄었다. 리듬이 없는 CCA1 과발현 개체는 하루 24시간 환경에서 키워도 53%나 줄었다.
해바라기 꽃은 해바라기를 하지 않지만...
한편 돌연변이로 생체시계 주기가 바뀌더라도 외부환경이 해당 주기에 맞춰 바뀌면 잘 자랄 수 있다. 예를 들어 자이틀루프(ZTL) 유전자가 고장 난 변이체는 생체시계 주기가 길어지는데, 식물에게 28시간으로 더 길어진 하루 환경을 만들어주면, 하루가 20시간일 때보다 엽록소를 더 많이 만든다. 반면 TOC1 유전자가 고장 난 변이체는 주기가 짧아지는데, 반대로 하루가 28시간일 때보다 20시간일 때에 더 잘 자란다.
지난 2016년 미국 데이비스 캘리포니아대 연구자들은 해바라기의 줄기 끝이 태양 빛을 향해 자라나는 향일성에도 생체시계가 관여한다는 사실을 밝혀냈다. 줄기의 축이 해를 향해야 보통 줄기와 수직 방향인 잎에서 단면적 당 더 많은 빛을 받을 수 있다. 때문에 식물은 성장호르몬인 옥신을 이용한다. 즉 낮에는 줄기 동쪽에 옥신이 몰려 세포분열이 많이 일어나 서쪽보다 성장이 빨라 줄기가 점차 서쪽을 향하게 된다. 밤에는 줄기 서쪽의 옥신 농도가 높아 줄기가 다시 동쪽으로 향하게 된다. 양쪽 다리를 번갈아 내디디며 사다리를 오르듯 해바라기 줄기는 동서로 방향으로 바꿔가며 키가 커지는 것이다.
연구자들은 밤에도 옥신 농도가 재배치된다는 사실에 착안해 식물의 향일성이 햇빛이 아니라 생체시계에 의해 조절된다고 가정했다. 그리고 이를 입증하기 위해 하루가 30시간인 조건에서 해바라기를 키웠다. 관찰 결과, 예상대로 줄기의 향일성이 무너져 옥신이 재배치되지 못하고 해바라기 꽃의 방향은 바뀌지 않았다.
▲ 해바라기는 꽃이 피기 전까지 성장할 때 줄기 끝이 동서로 해바라기를 한다. 즉 해 질 무렵에는 서쪽을 향하고(왼쪽) 자정에는 바로 서 있고(가운데) 해 뜰 무렵에는 동쪽을 향한다(오른쪽). 여기에는 식물체의 생체시계가 관여하는 것으로 밝혀졌다.
(제공 '사이언스')
생체시계와 개화시기 조절하는 자이겐티아
식물의 생체시계는 단순히 하루 주기만 인식하는 것이 아니다. 계절에 따른 낮의 길이 변화도 감지해 적절하게 대응한다. 그 대표적인 예가 개화시기 조절이다. 식물마다 정해진 시기에 꽃이 피는 걸 보면 이를 조절하는 메커니즘이 꽤 정교함을 짐작할 수 있다. 예를 들어 애기장대는 해가 길어지는 시기에 꽃을 피우는 장일식물이고, 벼는 해가 짧아지는 걸 감지해 꽃이 피는 단일식물이다.
동물 생체시계 분야에서는 우리나라 과학자의 이름이 눈에 띄지 않지만 식물 생체시계 분야에서는 많은 국내 과학자들이 활약하고 있고 특히 개화와 관련해서는 놀라운 성과를 거뒀다. IBS 식물 노화・수명 연구단 남홍길 단장(DGIST 뉴바이올로지과 석좌교수)은 이 분야의 '거인'이다.
대가(大家)라는 적절한 단어를 놔두고 다소 어색한 거인(巨人)이라는 표현을 쓴 건 남 단장이 일주리듬과 광(光)주기성에 따른 개화시기를 조절하는데 관여하는 유전자 '자이겐티아(Gigantea)'를 규명했기 때문이다. 남 단장은 포항공대 교수로 재직 중이던 1999년 학술지 '사이언스'에 이 결과를 담은 논문을 실었는데 지금까지 540여 회 인용됐다.
앞서 초파리의 피리어드 유전자처럼 자이겐티아 유전자 역시 이미 존재한 변이체 식물의 이름을 그대로 쓴 것이다. 즉 1960년대 한 돌연변이 애기장대에 '거대하다'는 뜻의 라틴어 이름을 붙였다. 1970년대 x-선을 쪼여 얻은 애기장대 돌연변이체들 중, 꽃이 늦게 피는 바람에 덩치가 커진 두 개체가 같은 염색체 자리에 변이가 일어난 것으로 밝혀져 각각 gi-1과 gi-2로 명명했다.
남 교수팀은 두 변이체의 염색체를 분석해 유전자의 실체를 밝히는 데 성공했다. 자이겐티아(이하 GI) 유전자는 아미노산 1173개인 커다란 단백질을 지정하고 있는데, 동물이나 미생물에는 이와 비슷한 유전자가 없다. 즉 식물에 특화된 유전자라는 말이다. 변이체 분석 결과 gi-1은 아미노산 171개가 소실된 GI 단백질을 만드는 것으로 밝혀졌고, gi-2에서는 불과 158개의 아미노산으로 이뤄진 단백질 조각이 만들어지는 것으로 확인됐다. 즉 gi-1에서는 단백질 기능이 불완전할 것이고 gi-2에서는 아예 기능을 하지 못할 것이다.
연구자들은 GI 유전자의 기능을 추측하기 위해 GI 유전자가 고장 난 변이체를 자세히 들여다봤다. 그 결과 GI는 생체시계 핵심 유전자인 CCA1과 LHY의 발현에 영향을 주었다. 이러한 핵심 유전자의 변화는 생체시계 표현형 중 하나인 잎 움직임의 주기를 확인했을 때 야생형이 25.2 시간을 가지는 반면에 gi-1과 gi-2에서는 각각 22.4시간과 21.1시간의 주기를 가지는 것을 확인했다.
GI 유전자의 실체가 밝혀지자 많은 연구자들이 기능을 규명하는 연구에 뛰어들었다. 그 결과 GI가 식물 유전자 네트워크에서 '약방의 감초' 역할을 한다는 사실이 밝혀졌다. 개화조절의 경우 GI 단백질은 FKF1 단백질과 팀을 이뤄 개화유전자 콘스탄스(CO)의 발현을 막고 있는 CDF1 단백질을 파괴한다. 그 결과 CO 유전자가 발현해 꽃이 핀다. FKF1은 파란빛을 인지하는 단백질로 GI 단백질과 FKF1 단백질이 팀을 이루기 위해서는 파란빛이 필요하다. gi-1이나 gi-2에서 꽃이 늦게 피는 이유도 GI 단백질이 부실하거나 기능을 못해 CO 유전자가 제대로 발현되지 않기 때문이다.
▲ 자이겐티아(GI) 유전자에서 각 돌연변이체들의 DNA 손상이 일어난 부위를 보여주는 그림이다. 1999년 남홍길 교수팀은 gi-1에서는 4327~4331번째 염기가 소실됐고 gi-2에서는 670~677번째 염기가 소실돼 생체시계와 개화시기가 제대로 조절되지 않음을 확인했다. 얇은 선은 프로모터와 인트론이고 굵은 선은 엑손이다.
(제공 '식물과학경계')
대가(大家)라는 적절한 단어를 놔두고 다소 어색한 거인(巨人)이라는 표현을 쓴 건 남 단장이 일주리듬과 광(光)주기성에 따른 개화시기를 조절하는데 관여하는 유전자 '자이겐티아(Gigantea)'를 규명했기 때문이다. 남 단장은 포항공대 교수로 재직 중이던 1999년 학술지 '사이언스'에 이 결과를 담은 논문을 실었는데 지금까지 540여 회 인용됐다.
앞서 초파리의 피리어드 유전자처럼 자이겐티아 유전자 역시 이미 존재한 변이체 식물의 이름을 그대로 쓴 것이다. 즉 1960년대 한 돌연변이 애기장대에 '거대하다'는 뜻의 라틴어 이름을 붙였다. 1970년대 x-선을 쪼여 얻은 애기장대 돌연변이체들 중, 꽃이 늦게 피는 바람에 덩치가 커진 두 개체가 같은 염색체 자리에 변이가 일어난 것으로 밝혀져 각각 gi-1과 gi-2로 명명했다.
남 교수팀은 두 변이체의 염색체를 분석해 유전자의 실체를 밝히는 데 성공했다. 자이겐티아(이하 GI) 유전자는 아미노산 1173개인 커다란 단백질을 지정하고 있는데, 동물이나 미생물에는 이와 비슷한 유전자가 없다. 즉 식물에 특화된 유전자라는 말이다. 변이체 분석 결과 gi-1은 아미노산 171개가 소실된 GI 단백질을 만드는 것으로 밝혀졌고, gi-2에서는 불과 158개의 아미노산으로 이뤄진 단백질 조각이 만들어지는 것으로 확인됐다. 즉 gi-1에서는 단백질 기능이 불완전할 것이고 gi-2에서는 아예 기능을 하지 못할 것이다.
연구자들은 GI 유전자의 기능을 추측하기 위해 GI 유전자가 고장 난 변이체를 자세히 들여다봤다. 그 결과 GI는 생체시계 핵심 유전자인 CCA1과 LHY의 발현에 영향을 주었다. 이러한 핵심 유전자의 변화는 생체시계 표현형 중 하나인 잎 움직임의 주기를 확인했을 때 야생형이 25.2 시간을 가지는 반면에 gi-1과 gi-2에서는 각각 22.4시간과 21.1시간의 주기를 가지는 것을 확인했다.
GI 유전자의 실체가 밝혀지자 많은 연구자들이 기능을 규명하는 연구에 뛰어들었다. 그 결과 GI가 식물 유전자 네트워크에서 '약방의 감초' 역할을 한다는 사실이 밝혀졌다. 개화조절의 경우 GI 단백질은 FKF1 단백질과 팀을 이뤄 개화유전자 콘스탄스(CO)의 발현을 막고 있는 CDF1 단백질을 파괴한다. 그 결과 CO 유전자가 발현해 꽃이 핀다. FKF1은 파란빛을 인지하는 단백질로 GI 단백질과 FKF1 단백질이 팀을 이루기 위해서는 파란빛이 필요하다. gi-1이나 gi-2에서 꽃이 늦게 피는 이유도 GI 단백질이 부실하거나 기능을 못해 CO 유전자가 제대로 발현되지 않기 때문이다.
세포핵에 있을 때와 세포질에 있을 때 역할 달라
지난 2013년 3월 남 교수팀은 GI 단백질이 특이한 행태를 보이는 이유를 알아내 학술지 '셀 리포츠'에 발표했다. GI 단백질은 낮에는 세포핵에 골고루 퍼져 있지만 밤에는 뭉쳐 핵체(nuclear body)를 이루고 있다. 연구자들은 밤에 많이 발현되는 엘프4(ELF4) 단백질이 관여해 GI 단백질을 핵체로 모아 CO 유전자에 영향을 주지 않게 한다고 설명했다. 즉 GI 단백질이 모이고 흩어지는 현상을 통해 CO 유전자의 발현을 조절해 결국 개화를 조절하는 것이다.
넉 달이 지난 2013년 7월 남 교수팀은 식물의 세포가 불안정한 외부환경(빛)에도 불구하고 안정적인 반응을 보이게 하는 생체 회로를 밝혀 학술지 '디벨로프멘털 셀'에 발표했다. 세포내 신호 조절 회로를 규명한 것인데, 자이겐티아(GI)가 세포핵과 세포질 2곳에 각각 존재하며 서로 반대되는 조절신호를 보내 생체 회로의 안정성을 유도하는 특별한 정보처리 기전을 가졌음을 확인했다.
핵에 있는 GI는 LHY를 활성화시키고, 세포질에 있는 GI는 LHY의 활성을 억제하는 것을 관찰한 것이다. 또한 핵과 세포질 자이겐티아가 구성하는 조절 회로는 외부 환경으로부터 오는 신호가 불안정하더라도 식물 세포가 외부에 큰 영향을 받지 않고 안정적으로 반응하게 하는 강건성이 있음을 확인했다.
연구진은 핵에 있는 단백질 자이겐티아는 개화 시기 조절과 식물 초기 생장에, 세포질에 있는 단백질 자이겐티아는 식물 초기 생장과 생체시계 조절에 관여하다는 사실을 확인했다. 그동안 식물의 세포 분자네트워크는 단백질의 세포 내 분포 정보는 고려되지 않은 채 연구되어 왔다. 이에 연구진은 세포 내 분자네트워크가 단백질들의 세포 내 분포를 이용해 구성될 수 있으며 이를 통해 생체로 들어오는 신호를 효과적으로 처리할 수 있는 능력이 생긴다는 것을 식물 생체시계 사례로 증명하였다.
GI는 생체시계나 개화시기를 조절할 뿐 아니라 녹말 저장, 스트레스(가뭄, 염분, 저온) 대응 등 다양한 생리활동에 관여하는 것으로 밝혀졌다. GI는 식물의 진화에서 중요한 역할을 해왔을 것이다. 앞으로 GI의 어떤 또 다른 모습이 드러날지 지켜볼 일이다.