2017년 노벨위원회(Nobel Assembly)는 노벨 생리의학상을 일주기 리듬을 조절하는 분자 메커니즘을 발견한 제프리 C. 홀, 마이클 로스배시 및 마이클 W. 영에게 공동으로 수여하기로 했다.

그들은 특정 유전자들이 밤 동안에는 세포 내에 특정 단백질이 쌓이게 만들고, 낮 동안에는 이들이 분해되어 없어진다는 것을 밝혀냈다. 덕분에 우리는 인간을 포함해 다른 유기 생명체의 세포에서도 같은 원리로 생체 시계가 작동한다는 것을 알게 됐다.

개요 #

생물의 체내에서 기원하는, 생물의 행동과 생리작용을 조절하는, 대략 24시간을 따르는 주기로서, 지구상의 거의 모든 생물에서 발견된다. 활동일 주기는 주변 환경에 맞춰 적응할 수 있지만, 기본적인 틀은 유전적인 요소를 따라간다. 이 규칙적인 적응 능력은 돌다(around)를 뜻하는 단어 circa와 하루를 뜻하는 단어 dies가 합쳐 일주기 리듬(Circadian rhythm)이라 명명한다.

시계유전자의 확인 #

1971년
미국 캘리포니아 공대(Caltec)의 시모어 벤저(Seymour Benzer) 교수와 그의 제자 로날드 코놉카(Ronald Konopka)는 초파리를 모델 생물로 하여 일간 주기가 짧아지거나 길어지는 비정상적인 행동이 나타내는 세 개의 돌연변이 형태를 찾아냈으며, 이 돌연변이들은 모두 한 유전자의 변이 때문에 발생했음을 알아냈다. 이 유전자는 “period” 또는 “PER”라고 명명되었다.

1984년
보스턴의 브랜다이스 대학에서 공동으로 작업한 제프리 홀과 마이클 로스배시, 그리고 뉴욕 록펠러 대학의 마이클 영은 초파리 세포 안에서 PER 유전자를 분리하는 데 성공했다. 이어 제프리 홀과 마이클 로스배시는 PER 유전자에 의해 밤에 암호화된 ‘PER 단백질’을 발견했다.

1994년
마이클 영은 PER 유전자에 TIM(timeless의 줄임말) 유전자가 결합해 있는 것을 발견했다. PER 유전자가 TIM 유전자와 결합하여 두 단백질이 억제 피드백 고리(inhibitory feedback loop)를 닫기 위해 유전자 활동을 차단하는 세포핵에 도달할 수 있다는 것을 밝혀냈다.

유전자 #

생명체의 생체시계와 관련된 단백질로는 TIM , CLK, PER 등의 유전자들이 있다.

생체시계 매커니즘 #

PER 유전자에 의해 밤에 축적된 단백질인 PER(Protein Encoded by Period)이 낮 동안 퇴화한다. 따라서 PER 단백질의 레벨이 24시간 주기로 일주기 리듬과 동시적으로 오르내린다..

그림 1.PER유전자의 피드백 조절에 대한 설명 -노벨위원회 제공

1.
PER 유전자가 활성화가 되면 period mRNA가 만들어진다. 이 mRNA는 세포의 세포질로 옮겨지고, PER 단백질을 만들어질 수 있도록 한다.

그림 2.생체 시계의 분자 구성 요소를 단순화한 일러스트레이션 -노벨위원회 제공

2.
PER 단백질이 세포핵에 축적되면 PER 유전자의 활동이 차단된다. (PER 단백질 축적을 지연시키는 DBT(Doubletime) 단백질과 자가 억제 회로(negative feedback loop)가 이중으로 작용한다.)

이 것이 바로 일주 리듬에 따른 억제 피드백 과정이다.

Reference
1. https://www.scienceall.com/
2. https://www.dongascience.com/news.php?idx=20007