[붙임] 연구결과 개요

1.연구배경

수면은 인간을 포함한 다양한 동물들의 삶에 필수적인 생리현상이다. 하지만 수면을 조절하는 분자·신경생물학적인 작용원리가 무엇이며, 수면의 생리학적 기능들이 어떻게 수행되는지에 대한 근본적인 이해는 여전히 부족하다. 수면 행동을 제어하는 두 가지 조절인자로 1) 24시간 생체리듬을 만드는 일주기성 생체시계(circadian clock)와 2) 매일 일정한 수준의 수면 욕구를 해소하도록 조절하는 항상성 수면 작용이 제시되어 있다. 또 이러한 수면조절 인자의 작용은 다양한 생리 환경적인 요소에 의해 유연하게 재구성되어 동물의 수면 행동을 변화시킨다는 점이 실험적으로 증명되고 있다.

임정훈 교수팀은 형질전환 초파리의 행동 유전학 모델을 이용해 수면을 조절하는 새로운 분자신경생물학적 작용원리로서 ‘뇌 신경세포의 아미노산 세린 대사 경로’를 규명한 바 있다. 이에 따른 후속 연구로 ‘아미노산 섭취에 따른 수면조절의 가능성을 검증’하기 위해 20가지 아미노산의 수면조절 기능과 그 신경생물학적 원리를 조사했다.

2. 연구내용

임 교수팀은 아미노산에 의한 수면조절의 가능성 검증하기 위해 20가지 아미노산의 개별적인 섭취에 따른 수면 행동의 변화를 정량적으로 분석했다. 이를 통해 ‘트레오닌(threonine)’이 수면을 유도하는 특이적 아미노산으로 작용한다는 사실을 발견하고, 이 현상을 ‘SPET(sleep-promoting effects of dietary threonine)’이라 명명했다. 아미노산에 의한 수면 행동 조절의 분자 신경생물학적 원리 규명에는 형질전환 초파리의 행동 신경 유전학적 모델이 활용됐다.

트레오닌을 섭취한 초파리는 깨어있는 상태에서 잠이 드는 데까지 걸리는 시간이 단축된다. 결과적으로 트레오닌을 섭취하지 않은 초파리보다 수면 시간이 증가하는 것이다.

트레오닌의 수면촉진 효과는 억제성 신경전달 물질인 가바(GABA)의 신경 신호전달 경로를 통해 이뤄진다. 트레오닌 섭취에 따라 생체 내 가바의 양이 줄어들며, 나아가 트레오닌에 의해 항상성 수면을 관장하는 핵심 뇌 부위의 대사성 가바 수용기(metabotropic GABA receptor)를 통한 신호가 약해짐에 따라 수면이 유도된다.

연구팀은 트레오닌 섭취에 의한 수면 유도가 단순한 기절상태가 아니라 실제 수면의 효과를 보이는지 검증하기 위해 초파리의 기억력을 시험했다. 일반적으로 생리적 수면은 기억력을 높이므로 초파리에서도 그런 효과가 나타나는지 살펴본 것이다. 초파리는 빛을 향해 움직이는 습성을 가진다. 그러나 초파리가 싫어하는 냄새와 함께 빛 자극을 반복적으로 주면 이를 학습하고 기억해 빛을 따라 이동하지 않는다. 정상 초파리(대조군)의 경우 트레오닌 섭취가 기억력에 영향을 주지 않았지만, 기억장애가 있는 초파리(실험군)는 트레오닌을 먹여 수면량을 늘리자 기억력이 좋아졌다. 빛 자극과 싫어하는 냄새를 주는 반복적으로 진행하자, 이를 기억하는 확률이 높아진 것이다. 반대로 트레오닌과 카페인을 함께 먹여 수면을 억제하자 트레오닌에 의한 기억력 향상이 나타나지 않았다.

신경세포 내 트레오닌 분해 효소의 작용을 억제했을 때 수면이 유도되는 것도 실험으로 검증했다. 뇌의 트레오닌 대사와 수면의 상관관계를 다시금 확인한 것이다. 트레오닌 분해 효소의 작용이 억제되면서 축적된 트레오닌이 수면을 활성화시키는 것이라고 정리할 수 있다.

3. 기대효과

이번 연구로 뇌 신경세포 내 아미노산 대사경로의 생화학적 효소로 작용하는 유전자들이 고차원적인 뇌 활동 가운데 하나인 수면을 조절한다는 사실을 입증했다. 이는 수면조절 원리의 새로운 페러다임을 제시한다.

이번 연구를 근거로 수면장애 개선을 위한 새로운 치료기술 개발을 위해 지금까지와는 다른 접근법을 고안할 수 있게 됐다. 또 뇌 기능을 조절하는 새로운 아미노산으로써 트레오닌 분자의 가능성을 새롭게 제안함에 따라 관련 뇌 연구 분야를 선도할 수 있을 것이다.

[붙임] 용어설명

1. 생체시계 유전자(Circadian Clock Gene)

생명체를 구성하는 일부 유전자들은 24시간을 주기로 작동하는 전사 및 번역 과정을 통해 단백질로 합성된다. 이러한 일주기성 유전자 발현은 일주기성 생체리듬을 제어하는 근본적인 분자생물학적 작용원리로, 분자시계(Molecular Clock)라고도 부른다. 분자시계를 구성하는 생체시계 유전자는 일주기성 유전자 발현의 특정 단계를 조절함으로써, 일주기성 생리현상과 동물 행동을 유지한다. 

2. 생체리듬(Biological Rhythm)

생명체는 효소-기질 반응과 같은 매우 순간적인 화학반응에서부터 월경 주기, 계절이나 노화에 따른 생리학적 변화 등과 같이 다양한 시간적 척도(Timescale)와 주기성(Rhythmicity)을 기반으로 생명현상을 유지하고 있다. 생명체는 대부분 지구 자전에 의한 낮과 밤의 일주기적 환경 변화에 적응하기 위해 24시간 주기의 생체리듬을 가지는 방향으로 진화해왔다. 이러한 일주기성 리듬(Circadian Rhythm)은 인지 기능, 수면 주기, 체온, 호르몬 분비의 일주기적 조절뿐만 아니라 개체의 다양한 생리현상 유지에 광범위하게 작용한다.

3. 아미노산(amino acid)

단백질을 구성하는 중요 성분이다. 단백질을 산이나 효소(펩신, 트립신, 에렙신)로 가수분해하면서 여러 종류의 아미노산이 된다.

4. 트레오닌(threonine)

하이드록시-α-아미노산의 하나이며 인체에서 합성되지 않는 필수 아미노산에 속한다.

5. 가바(GABA, γ-aminobutyric acid)

γ(감마)-아미노부티르산. 뇌척수액(cerebrospinal fluid, CSF)에 포함된 중추신경계의 중요한 억제성 신경전달물질로, 뇌의 대사와 순환을 촉진하는 작용을 한다.

[붙임] 그림설명

그림 1. 필수 아미노산 트레오닌 섭취에 따른 수면촉진 효과

(위) 20가지 아미노산을 각각 섭취한 초파리에서 하루 수면시간(sleep amount)과 깨어있는 상태에서 잠들 때까지 걸린 시간(sleep latency)을 나타내는 그래프이다. 시스테인(Cys)의 경우 독성으로 인해 초파리의 활동성이 감소하였으며, 이를 제외한 19가지 아미노산 중 트레오닌에 의한 수면촉진 효과가 가장 크다.

(아래) 초파리의 수면 시간을 24시간 기준으로 나타낸 그래프이다. 트레오닌을 섭취한 초파리는 빛의 유무에 상관없이 수면 시간이 증가한다. L, 빛을 쬐어준 구간 (light); D, 빛을 쬐어주지 않은 구간 (dark).

그림 2. 초파리 뇌에서 항상성 수면을 촉진하는 핵심 뇌 부위의 대사성 가바 신호를 측정하는 실시간 뇌 이미지 영상촬영법

(왼쪽) 형질전환 초파리의 뇌를 촬영한 사진이다. 형광색으로 빛나는 부분은 뇌 신경세포에서 대사성 가바의 신호전달을 측정할 수 있는 단백질이 발현된 모습이다.

(오른쪽) 신경세포 내 대사성 가바 신호를 전달하는 물질인 cAMP의 양 변화를 형광표지 단백질의 신호로 변환해 측정할 수 있는 실험 원리를 보여준다. YFP(Yellow flourenscent protein, 노란색 형광 표지자) 대비 CFP (cyan fluorescent protein, 파란색 형광 표지자)의 비율이 높을수록, cAMP의 양이 늘어나고 가바 신호전달이 증가함을 의미한다.

그림 3. 트레오닌 섭취를 통한 수면촉진과 기억장애 개선 실험방법

초파리의 단기 기억력을 측정하는 실험법. 초파리는 빛을 향해 움직이는 습성을 가지고 있으나, 초파리가 싫어하는 냄새와 함께 빛 자극을 반복적으로 주게 되면 이를 학습하고 기억하여 빛을 따라 이동하지 않게 된다.

그림 4. 트레오닌 섭취를 통한 수면촉진과 기억장애 개선 실험결과

정상 초파리(control)의 경우 트레오닌 섭취가 기억력에 영향을 주지는 않았다. (막대 그래프의 높이가 크게 달라지지 않음) 그러나 기억장애가 있는 초파리(dumb2)에게 트레오닌을 먹여 수면의 양을 늘리게 되면 기억력이 향상된다.(막대 그래프가 크게 변함) 또 카페인을 함께 먹여 수면을 억제하면 트레오닌에 의한 기억력 향상이 나타나지 않게 된다.(가장 오른쪽 막대 그래프는 변화가 없음)

그림 5. 아미노산 대사 경로의 효소 작용과 대사 산물에 의한 수면조절 모델

(왼쪽) 배가 고프면 뇌에서 아미노산 세린을 합성하는 효소의 양이 증가해 많은 양의 세린이 축적된다. 이러한 생화학적 신호는 아세틸콜린을 통한 신경 신호전달을 통해 수면을 억제한다. (선행연구)

(오른쪽) 아미노산 트레오닌을 섭취하거나 신경세포 내 트레오닌 분해 효소의 작용을 저해하면 뇌 속의 트레오닌이 축적된다. 이 경우 가바(GABA)에 의한 수면촉진 세포의 기능 억제가 줄어들어 결과적으로 수면을 촉진한다.