생물학적 시계는 생물체가 체내에서 시간을 측정하고, 주기적인 생리와 행동을 조절하는 체계다. 많은 생물의 활동 리듬은 외부 환경의 변화가 차단된 뒤에도 상당 기간 이어지며, 시간 정보가 없는 일정한 환경에서도 대략 하루 주기를 유지할 수 있다. 이런 리듬은 생물체 안에 시간 측정 체계가 있음을 보여준다.[3][6]

1. 개요

이 체계가 만드는 하루 주기의 리듬을 일주기 리듬 또는 생체리듬이라고 한다. 빛과 어둠은 생물이 낮과 밤의 길이를 가늠하는 환경 신호가 될 수 있으며, 꿀벌이 외부와 차단된 일정한 조명과 온도에서도 매일 정해진 시간에 먹이 장소로 모이는 사례는 생물에게 시간측정기구가 있다는 증거로 제시된다.[3]

생물학적 시계는 유전자 발현으로 만들어지는 단백질과 그 조절 고리로 작동한다. 사람에서는 수면과 활동뿐 아니라 섭식, 호르몬 분비, 체온, 물질대사에도 하루 주기의 변화가 나타난다.[1][6]

2. 일주기 리듬의 생물학적 사례

사람의 일주기 리듬은 수면과 활동, 섭식, 호르몬 분비, 체온 및 물질대사에서 관찰된다. 식물에서는 잎의 움직임뿐 아니라 기공의 개폐와 광합성에도 주기성이 나타날 수 있다.[6]

이런 리듬은 환경 변화에 매번 수동적으로 반응하는 것만으로 설명되지 않는다. 빛이 들지 않는 곳에 둔 식물이 밤낮의 변화 없이도 잎의 수면운동을 이어간 사례와, 일정한 환경에서 꿀벌이 매일 특정 시간에 먹이 장소를 찾는 사례는 체내 시간 측정 체계가 작동한다는 근거로 제시됐다.[3][6]

3. 중추 시계와 분자 시계

보고서 요약은 시교차상핵(SCN)의 중추 생체시계가 수면·각성 주기와 생리·대사·행동의 일주기 리듬을 촉발한다고 설명한다. 중추 시계는 분자 수준의 시계 고리와 함께 작동해 개체 수준의 리듬을 만드는 것으로 제시된다.[4]

분자 시계의 중심 고리는 CLOCK:BMAL1과 이를 억제하는 PER·CRY로 이루어진다. ROR과 NR1D1(REV-ERBα)은 보조 고리를 구성하며, 이 분자 고리들은 하위 유전자군의 발현을 조절한다.[4]

4. 유전자 발현을 통한 시계 작동

생물학적 시계는 유전자들이 정해진 순서로 켜지고 꺼지면서 만들어지는 단백질로 구성된다. 개체 안의 여러 생물학적 시계는 중추 시계가 조율하며, 단백질 조절 고리가 하루 주기의 리듬을 유지하는 데 관여한다.[1]

초파리에서는 낮 동안 만들어진 PER 단백질이 세포질에서 빠르게 분해되어 양이 낮게 유지된다. 밤에는 TIM 단백질이 PER에 결합해 분해를 막고, PER-TIM 복합체가 핵으로 이동해 추가 PER 생성을 억제한다.[1]

날이 밝으면 PER-TIM 복합체가 분해되고 PER 전사에 대한 억제가 풀려 주기가 다시 시작된다. 이 단백질 생성과 분해의 반복은 초파리에서 관찰된 일주기 작동 과정이다.[1]

5. 리듬 교란과 건강 영향

일주기 리듬이 단기간 어긋나면 졸림, 협응 저하, 학습과 집중의 어려움이 나타날 수 있다. 장기간의 수면 부족이나 지속적으로 변하는 리듬은 비만, 당뇨병, 기분 장애, 심장 및 혈압 문제, 암의 위험 증가와 연관될 수 있다.[1]

국내 연구 과제는 수면·일주기 리듬 교란과 수면 박탈이 정서·인지 기능에 미치는 분자신경생물학적 기반을 연구 대상으로 삼았다. 과제 목표에는 관련 분자 표적과 바이오마커, 평가모델 개발이 포함됐다.[4]

6. 관련 문서

  • 일주기 리듬
  • 생체리듬
  • 시교차상핵
  • 수면·각성 주기
  • 분자 생체시계

7. 인용 및 각주

[1] Wwww.nigms.nih.gov(새 탭에서 열림)

[3] Kkna.forest.go.kr(새 탭에서 열림)

[4] Sscienceon.kisti.re.kr(새 탭에서 열림)

[6] Kkhugnews.co.kr(새 탭에서 열림)