생체시계와 크로노테라피

✔️ 안녕하세요, 메디컬 학과 수시 학종 세특 심화탐구 보고서 전문, 메디컬저널입니다

❗️이번 정기 발행물은 지구과학1과 생명과학2 과목과 연계된 주제를 소개해드리려 합니다. 특히 지구과학1의 경우 학생분들이 메디컬학과와 관련된 심화탐구를 정하기가 어려울 것으로 생각됩니다.

우선 지구과학의 개념들은 의약학, 생명과학과 1대1로 매칭시키기는 학문 분야적으로도 다소 동떨어져 있으며, 또한 기초과학적 베이스인 물리, 화학과는 달리 지구과학 과목은 물론 기초 과학적 부분도 있으나, 응용과학적인 측면이 더욱 두드러지기 때문입니다.

즉 지구과학 개념의 기초가 되는 물리 화학의 기초과학적 내용을 다시 의약학, 생명과학과 연계할 수는 있으나, 지구과학 내용을 직접적으로 의약학, 생명과학에 적용하기는 쉽지 않습니다. 따라서 이번 탐구에서 역시 지구과학의 특정 세부 개념을 의약학과 연계하기 보다는, 지구과학 과목 전반에 걸쳐 핵심적 개념으로 소개되는, 지구의 변화를 만들어내는 '태양 에너지', 즉 태양 빛이 인체 생리학적으로는 어떤 영향을 미치는지 2017년 노벨상 수상 업적인 생체시계(Circadian clock)로서 살펴보며 또한 이를 의약학적으로 응용한 크로노테라피(Chronotherapy)에 대해 소개하도록 하겠습니다.

* 해당 탐구내용은, 통합과학(지구과학,생명과학 파트)과 생명과학1,2 와도 연계 가능합니다.

2017 노벨 생리의학상 : 생체시계 Circadian Clock (Biological clock)

✔️ 낮과 밤, 일주기적(하루를 주기로 하는)인 시간의 변화에 맞추어 생리적 변화가 나타난다는 '생체 시계'에 관한 아이디어와 실험적 가설 검증은 18세기에 시작되었습니다. 프랑스 천문학자 드 메랑은 식물 미모사 잎이 낮에는 펴지고 밤에는 닫히는 것을 보고, 이러한 현상이 식물이 빛이라는 자극에 반응하는 것이 아니라, 생체 내 시계에 의해 일주기적으로 맞춰진 것이 아닌지에 대해 실험을 수행하였습니다.

✔️ 빛이 존재하는 암실에서 역시 미모사의 잎이 시간의 변화에 따라 일주기적으로 열리고 닫히는 것을 확인한 드 메랑은 미모사 잎의 변화가 빛이라는 자극에 반응하는 것이 아닌 생체시계에 의해 일주기적으로 조절되는 현상이라는 발견을 하게됩니다.

❗️하지만, 실제로 우리 몸 내부에 물리적으로 시계가 존재하지는 않기 때문에, 어떻게 이러한 일주기적인 변화가 나타는지에 대한 메커니즘은 미스테리로 남아있었습니다. 2017년 노벨 생리의학상의 주인공인 제프리홀, 로스배시, 마이클 영은 생체 시계에 대한 이러한 의문을 'Period'라 불리는 유전자와, 그 유전자에 의해 발현되는 PER 단백질의 작용으로 설명하였고 이는 생체시계의 분자생물학적 기전을 밝힌 동시에 이를 통해 일주기적으로 변화하는 혈압, 체온, 호르몬, 수면패턴 등 다양한 생리작용을 분자적으로 조절함으로서 건강과 질병을 보다 정밀하고 효과적으로 조절할 수 있는 가능성을 만들어 냈습니다.

✔️ 통합과학 과목을 통해 지구계의 에너지원 중 가장 큰 부분을 차지하는 것이 태양 빛을 통해 들어온 태양복사에너지임을 배웠고, 지구과학1 교과목에서는 태양복사에너지가 어떻게 지구의 변화를 만들어내는지 더욱 자세히 배울 수 있었다. 태양복사에너지는 해수와 대기 순환의 근본적 원인이 되며 또한 태양복사에너지 양의 변화는 지구 기후 변화를 일으키는 원인이 된다.

그렇다면 태양 빛 혹은 태양 에너지가 생물권에는 어떤 영향을 미치고 있을까? 물론 식물이 태양에너지를 활용해 포도당을 합성하는 광합성의 과정이나 우리가 햇빛을 통해 피부에서 비타민D를 합성하는 과정 등 생물권이 태양에너지를 활용하는 예시들 역시 잘 알려진 것들이 더러 있지만, 내 피부에 보다 와닿는 것은 없는지에 대한 궁금증이 들었다. 예컨대 왜 우리는 낮이 아닌 밤 시간대에 잠이 오는 것일까? 단순히 밝은 환경을 조성하는 것 외에 태양 빛이 우리의 수면패턴 등의 생리 작용에 영향을 미치지는 않을까?하는 궁금증으로 탐구를 진행하게 되었다.

태양 복사에너지와 지구의 변화 (지구과학)

❗️ 아래 내용들에 대해 정리해보도록 합니다.

① 태양 복사에너지와 대기 대순환

② 태양 복사에너지와 해수의 연직 분포와 표층 순환

③ 태양 복사에너지와 지구 기후 변화 (기후변화 요인, 지구 열수지, 지구 온난화 등)

* 창작보다는 단순 정리에 관한 것이므로, 자세한 내용은 교과서나 참고서를 활용해 정리하도록 합니다 😊

생체 시계와 중심원리(Central dogma)

✔️ 프랑스 과학자 드 메랑이 미모사 잎의 변화를 통해 생체시계의 존재를 실험적으로 발견한 이후 캘리포니아 공대의 Benzer 연구진은 이러한 생체시계를 암호화하는 유전자가 DNA상에 존재할 것으로 생각하였습니다.

이들은 초파리에서 DNA의 특정 유전자 부위에 돌연변이를 유발하였을 때 기존의 24시간 주기를 나타내던 초파리의 특정 운동 현상이나 번데기 부화 현상이 19시간이나 28시간 등의 주기로 변화함을 발견하였습니다. 즉 이들은 생체시계가 유전자에 의해 조절되는 현상이라는 것을 실험적으로 증명한 것입니다.

❗️ 이후 1980년대 중반, 제프리 홀, 로스배시, 마이클 영은 생체시계 유전자를 분리해내고 구조를 확인하는데 성공하였습니다. X 염색체 위의 해당 유전자는 'Period' 유전자로 명명됩니다.

❗️이후 이 세명의 과학자가 노벨상을 수상하게된 업적은, 단순 유전자의 발견에 그치지 않고, 해당 유전자가 어떻게 실제 주기적 생체 리듬을 만들어내는 지를 분자적 수준에서 밝혀낸 것입니다. 우리가 통합과학 혹은 생명과학교과목을 통해 배우는 것 처럼 유전자는 직접적으로 형질을 나타내게 하는 것이 아니라, 그러한 정보를 암호화 하 고있는 것입니다.

❗️ 유전자로부터 실제 형질이 나타나기 위해서는, DNA가 RNA로 전사되어야 하며, RNA의 코돈으로부터 번역된 아미노산들로 길게 연결된 단백질이 구부러지고 접힌 3차원 입체구조를 가져야 합니다. 이처럼 전사(transcription)와 번역(translation) 그리고 접힘(folding)의 과정에 의해 만들어진 단백질은 효소, 항체, 호르몬 등으로 작용하며 직접적으로 인체 내 분자수준 혹은 세포 조직 수준에서 다양한 형질이 발현되게 합니다.

⇢ 생체시계 역시, Period 유전자로부터 전사와 번역 그리고 접힘의 과정을 거쳐 만들어진 단백질이 실제 생체시계의 작동을 정밀하게 조절하게 되며, 해당 단백질이 바로 'PER' 단백질 입니다.

생체 시계의 메커니즘, Transcription-Translation Feedback Loop

✔️ 생체 시계가 작동하는 메커니즘을 설명하는 이론은 Transcription-Translation Feedback Loop, 약자로 TTFL입니다. 우리는 일상적으로 '루프'라는 용어를 사용하는데 이는 끊임없이 반복됨을 의미합니다. 즉 생체 시계는 전사와 번역의 과정이 피드백에 의해 조절됨으로서 끊임없이 반복되는 방식으로 작동하고 있습니다.

✔️ '피드백'이란 생명과학1에서 배우는 개념으로서, 어떤 원인에 의해 만들어진 결과가, 그 결과를 만들어낸 원인을 조절하는 방식을 의미합니다. 특히 생명과학1에서 다양한 호르몬의 분비 조절 예시로서 배우는 '음성피드백'은 결과가 원인을 억제하는 방식으로 결과의 정도가 일정하도록 항상성을 조절하는 중요한 방식이라 할 수 있습니다.