24.6 : Circadian Rhythms and Gene Regulation

생체 시계는 모든 동물의 복잡한 생리를 조절하는 여러 측면에 관여합니다. 1935년 독일의 동물학자 한스 칼무스(Hans Kalmus)와 에르빈 뷘닝(Erwin Bünning)이 멜라노가스터(Drosophila melanogaster)에서 일주기 리듬의 존재를 발견했습니다. 그러나 생체 시계 뒤에 있는 내부 분자 메커니즘은 1984년 Jeffrey C. Hall, Michael Rosbash, Michael W. Young이 24시간 주기로 진동하는 Per 유전자의 발현을 발견하기 전까지 수수께끼로 남아 있었습니다. 그 후 몇 년 동안 다른 많은 관련 유전자가 확인되었고 일주기 리듬의 조절 메커니즘이 더욱 밝혀졌습니다. Jeffrey C. Hall, Michael Rosbash 및 Michael W. Young의 내부 생물학적 생체 시계의 이해에 대한 기여는 2017년 노벨 생리학 및 의학상을

수상했습니다.

일주기 리듬의 분자 메커니즘

초파리에서 주기(PER) 단백질은 세포의 내부 일주기 리듬을 조절하는 주요 조절 단백질입니다. PER은 Timeless(TIM)라는 또 다른 필수 단백질과 복합체를 형성하여 핵으로 들어갑니다. 여기서, 피드백 억제를 통해 세포의 PER 발현 수준을 조절할 수 있습니다. 게다가, 그것은 또한 transcriptional activators Clock 와 Cycle의 활동을 금해서 다른 유전자의 발현을 통제합니다. 중요한 것은 PER/TIM 복합체의 안정성이 빛의 유무에 따라 달라지며, 이는 주간 조건에서 성능이 저하된다는 것을 의미합니다. 그 결과 PER/TIM 복합체의 다운스트림에서 유전자의 발현이 빛에 의해 제어되며, 이 현상은 생체 시계의 동기화를 가능하게 합니다.

포유류의 경우, 일주기 리듬의 조절은 매우 유사한 방식으로 작용합니다. 그러나 여러 paralog 유전자가 추가되어 전체 경로의 조절이 초파리보다 훨씬 더 복잡합니다.

일주기 리듬의 중요성

지구상의 모든 살아있는 유기체는 24시간 낮과 밤의 주기가 있는 곳에서 진화해 왔으며 그에 따라 세포적, 생리적, 행동 반응을 조정했습니다. 예를 들어, 포유류의 수면과 깨어남의 일주일 주기, 체온, 호르몬 분비는 일주기 리듬에 의해 제어됩니다. 불규칙한 생체 리듬은 양극성 장애나 수면 장애와 같은 많은 건강 문제로 이어질 수 있습니다. 또한 일주기 리듬의 붕괴는 심혈관계를 포함한 신체의 다른 시스템에 부정적인 영향을 미칠 수 있습니다.