[MiriAn] 일주기 리듬이 세포의 용광로 발화에 핵심

우리 세포의 각각에는 에너지 용광로가 있고, 이를 미토콘드리온 (mitochondrion)이라 한다. 그런데, 단식 시에 이 세포 용광로가 저장된 연료를 적절히 이용하도록 점화시키는 것과 관련된 새로운 시간 계측(timekeeping) 모델을 노스웨스턴대학교(Northwestern University)가 이끄는 연구팀이 확인했다. 그리고 이 점화수단, 즉 성냥(match)은 일주기 시계(Circadian clock)가 그렇게 말할 때만 이용 가능한데, 이는 물질대사에 있어 이 생물학적 타이밍 시스템의 중요성을 역설한다. 

어떤 유기체가 에너지를 효율적으로 연소한다면, 생존에 더 유리한데, 이들의 이번 발견은 이 일주기 시계가 세포의 에너지 연소 프로세스를 어떻게 촉발시키는지에 대한 이해를 제공한다고 한다. 즉, 세포는 일주기 시계가 적절히 작동할 경우, 연료를 가장 잘 이용할 수 있다는 것이다. 

우리가 휴식을 취하여, 음식으로부터 유래된 포도당을 이용할 수 없을 때, 미토콘드리아가 세포에의 에너지 공급을 조절한다. 생쥐를 이용한 이번 연구에서 일주기 시계가 성냥을 공급하여 용광로가 점화될 수 있게 하며, 그 성냥의 끝에 이른바 NAD+라는 핵심 요소가 있다는 것이 발견되었다. NAD+는 미토콘드리아에 있는 Sirtuin 3이라는 효소와 연합하는데, 이 효소는가 부싯돌로 작용하여 용광로(미토콘드리아)에 불을 붙이는 역할을 한다. 동물에서 이 일주기 시계가 작동하지 않을 경우, 그 동물은 저장된 에너지를 대사시킬 수 없어 연소 과정이 일어나지 않는다. 

인체 시계가 미토콘드리아 내부의 활성을 통제하는 이 경로는 에너지 생성(energy generation)이 매일의 명암/활동-휴식 사이클과 얼마나 단단히 결속되어있는지를 보여준다. 이번 발견은 일주기 리듬 붕괴와 관련된 대사 장애의 치료법 개발로 이어질 수 있으며, 학술지 Science에 9월 19일 “Clock-Dependent NAD+ Synthesis Controls Mitochondrial Metabolism”이라는 제목으로 실린다. 

이번 연구 결과는 일주기 시계 즉, 생물이 밝음에서 어둠으로의 일주기적 전환을 추적할 수 있게 하는 유전적 시계(genetic timekeeper)가 NAD+ 생합성을 주기적으로 조절함으로써 미토콘드리아의 에너지 수용력(energy capacity)에서의 진동(oscillations)이 만들어지게 한다는 것을 보여준다. 이 시계로 인해, 밝음에서 어둠으로의 전이 동안 일어나는 동물의 단식과 섭취 사이클 그리고 매일의 불면(wakefulness)과 수면을 예측하는 산화적 리듬이 촉진되고, 이를 통해 세포가 밤 동안 “굶주리지(starving)” 않게 된다. 

이번 연구자들은 미토콘드리아가 일주기 시계 장애에 의한 영향을 어떻게 받는지에 대해 이해하기 위해서, 일주기 시계를 실험실 생쥐로부터 유전적으로 제거하여 대조군과 비교했다. 두 그룹의 생쥐는 단식 상태에서 비교되었다. 그리고, 이 “스트레스(stress)” 검정으로, 그 시계가 에너지 비축(reserves)을 어떻게 유지시키는지가 정확히 밝혀졌다. 

시계가 없는 생쥐는 그의 미토콘드리아에 문제가 있다는 것이 발견되었다. 즉, 그 미토콘드리아는 저장된 에너지를 대사시킬 수 없고 주요 에너지 단위인 ATP의 고갈을 막기 위한 비축도 하지 못했다. 시계가 제거되면 미토콘드리아 내부에서 효소 Sirtuin 3이 작동되게 하는 필수 요소가 고갈된다는 것이 확인되었다. 이 효소 Sirtuin 3은 단식 동안 에너지 연소를 활성화시킨다. 또한 이번 연구에서 일주기 시계가 붕괴되어, NAD+의 부족이 초래될 경우, NAD+의 보충으로 미토콘드리아의 기능이 회복될 수 있다는 것도 확인되었다. 

이번 발견은 일주기 시계를 물질 대사와 연결시키는 분자 경로에 대한 이해를 증대시키며, 이 시계가 생명체가 식사와 단식 사이를 이행(transition)할 때, 세포를 안정화시키는 필수적인 완충제를 제공한다는 것을 보여준다. 이번의 이해는 당뇨를 포함한 질병에 대한 치료적 개입과 예방 그리고, 잠재적으로는 물질 대사에 대한 세포의 요구도 증가 상태(염증과 암을 비롯한)에 대한 이해에 영향을 미칠 것이다. 

이번 연구로 일주기 시계의 제어 스위치를 미토콘드리아라는 기구(machinery)와 연결시키는 일련의 이벤트들이 입증되었다. 즉, 우리가 매일 자고 깨어나는 사이클의 서로 다른 단계(phases)에서 세포에 에너지를 제공하는 공급 망(supply chain)에서의 추가적인 연결이 확인된 것이고, 이 과정에 있어 NAD+ 생합성 사이클의 핵심 역할이 확인된 것이다. 

이번 연구에는 여러 분야의 전문가들이 참여했으며, 특히 2009년 램지(Kathryn Moynihan Ramsey) 박사 등이 학술지 Science에 NAD가 효소 SIRT1과 함께 체내 시계와 물질 대사 시스템을 연동시키는 분자 “스위치” 기능을 한다는 선행 보고가 그 기초가 되었다고 한다. 그리고 대사성 근질환 (metabolic myopathy)이라고 불리는 희귀성 아동 질환이 있는데, 이 경우 미토콘드리아에서의 결함이 원인으로 저장된 에너지를 대사할 수 없기 때문에, 단식은 생명을 위협할 수 있다고 한다. 그리고, 이 질환에서와 같은 현상이 이번 실험 생쥐에서도 관찰되었다고 한다. 

http://www.eurekalert.org/pub_releases/2013-09/nu-cci091613.php

- 출처: KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2013-09-23