6시 50분에 울리는 기상 음악에 맞춰 일어나려고 생각했건만 눈을 뜨니 6시 45분이다. 하필이면 더 자지도 못하도록 애매하게 시간이 남아버렸다. 기분 나쁜 여유에 마지못해 침대에서 일어난다. 분명 이불을 덮고 잤음에도 조금 쌀쌀하다. 그렇게 일과를 시작하고 수업을 찾아다니면 어느새 날이 지난다. 10시 즈음부터 쏟아지는 졸음을 버티며 열심히 과제를 하다가, 잘 준비를 하고 침대에 쓰러지듯 누우면 그것이 일과의 끝이다.
우리는 이러한 일상을 너무나도 당연하게 받아들이고는 한다. 그러나 조금만 더 깊이 고민해보면 의문스러운 부분은 하나 둘이 아니다. 대체 나의 몸은 지금이 아침이라는 사실을 어떻게 안 걸까. 아무도 깨우지 않았음에도 일어나고자 했던 시각에 눈이 뜨이는 이유는 무엇일까? 생각해보니 이상하다. 잠에서 깨어난 직후의 아침에는 유독 몸이 춥고, 밤이 되면 졸음이 귀신같이 찾아온다. 의도하지 않은 24시간의 주기가 우리 몸 속에 내제되어 있는 것이다.
이러한 관점에서 접근하였을 때, 시차 또한 의문이 떠오르는 주제이다. 시차로 인한 피로는 실제 시각과 몸이 느끼는 현재 시각이 다르다는 것이 원인인데, 1시간의 시차 적응을 위해서는 하루를 들여야 한다고 알려져있다. 그렇다면 여기서 한 가지 의문을 제시해보자. 대체 무슨 원리로 우리 몸은 현재의 시각을 알 수 있는 걸까? 우리 몸 안에는 현재 시각을 알려주는 시계가 들어있기라고 한 걸까?
결론부터 말하자면, 이것은 일부 사실이라고 할 수 있다. 우리 몸, 그리고 인간이 아닌 식물, 동물, 심지어는 박테리아마저도 시계를 가지고 있다. 특히 식물의 생체시계는 일주기 생물학이라는 분야의 시작에 지대한 공헌을 했다. 기원전 4세기부터 이루어졌던 생체시계에 관한 연구는 주로 미모사 등의 식물을 관찰하는 데에 집중되어있기 때문이다. 시계의 종류도 다양하다. 하루를 주기로 움직이는 시계도 있고, 계절이나 1년을 주기로 움직이는 시계도 있다. 그 중 24시간 주기의 생체리듬을 서캐디안 리듬(circadian rhythm)이라고 부른다. 바로 이 서캐디안 리듬이 이 글에서 소개할, 2017년 노벨 생리·의학상의 주인공이다.
3명의 노벨과학자, 그리고 숨겨진 공헌자
2017년, 노벨 생리·의학상의 명예는 이 서캐디안 리듬의 원리를 규명한 3명의 과학자에게 돌아갔다. 세 과학자의 이름은 각각 제프리 홀, 마이크 로스바쉬, 마이클 영이다. 그러나 이 노벨상에는 숨겨진 공헌자가 남아있다. 바로 시모어 벤저와 로널드 코놉카이다. 이들은 안타깝게도 노벨상의 영광을 누리지는 못하였다. 시모어 벤저는 2007년 사망하였고, 로널드 코놉카는 2015년 사망하였기 때문이다. 두 사람이 수상자 명단에서 누락되었음에 안타까움을 표하는 사람은 많았으나, 이의를 제기하는 사람은 없었다.
- 숨겨진 두 명의 공로자
세 명의 노벨과학자와 두 명의 공로자 중 가장 먼저 소개되어야 할 사람은 시모어 벤저이다. 벤저는 1921년 미국 뉴욕에서 태어났다. 그가 처음부터 생물에 흥미를 느끼고 있던 것은 아니다. 오히려 그의 박사학위 논문은 게르마늄의 광전효과에 관련된 내용이었다. 그는 박사학위를 취득한 직후 퍼듀대의 교수로 임용되었다. 만일 그가 평범한 사람이었다면 이후의 삶은 그저 순탄했을 것이다. 박사학위와 교수직이 안겨줄 안정적인 삶의 기회를 누가 걷어찰 수 있었겠는가. 그러나 그는 안정적인 삶에 안주하지 않고, 스스로의 마음이 원하는 바를 따라 새로움을 추구하기로 결정하였다. 에르빈 슈뢰딩거의 저서 「생명이란 무엇인가?」 가 그 계기가 되었다. 이 책을 읽고 감명을 받은 벤저는 교수직을 미련 없이 내려놓고 칼텍의 막스 델브륏 교수의 실험실을 향했다.
로널드 코놉카는 행동유전학 분야에 흥미를 가지고 있는 대학원생으로, 1976년 칼텍에서 시모어 벤저와 만나게 된다. 코놉카는 벤저가 행동유전학 분야에 뛰어들도록 하는 계기를 제공하였다. 당시만 해도 행동유전학은 새롭게 연구되기 시작하는 분야였다. 표현을 바꾸어 말하자면 아직은 불안정한 분야라고 할 수도 있을 것이다. 같은 분야의 선행연구도 적었을 것이고, 미래도 조금은 불분명했겠지만, 코놉카는 신경 쓰지 않았다. 사소한 문제들은 걸림돌이 아닌, 그저 뛰어넘을 수 있는 목표들에 지나지 않았기 때문이다. 그는 행동유전학을 연구하며 주기성에 집중하였으며, 연구의 대상으로는 초파리를 선택하였다. 초파리는 성충이 되기 전 고치에서 빠져나오는 과정을 거쳐야 하는데, 이를 우화라고 한다. 초파리가 우화하는 시간은 대체로 해가 뜨기 시작하는 이른 아침이라는 사실이 그에게 의문을 제시했다. 아마도 물기가 있고 점점 기온이 상승하기 시작하는 그 시간은 고치를 갓 벗어난 곤충이 비행을 준비하기에 유리할 것이다. 그렇다면 초파리는 이 시간을 어떻게 알아내어 깨어날 수 있을까.
코놉카와 벤저는 다양한 돌연변이 초파리를 만들고, 그들의 자손을 얻어 우화의 시기를 기다였다. 그들은 우화가 시작되기 직전, 초파리들을 암실에 두고 행동을 관찰했다. 초파리의 유전자가 정상이거나, 비정상이라도 생체시계가 손상되지 않았다면 아무리 환경이 어둡다 하더라도 24시간을 주기로 우화하는 것이 정상일 것이다. 그리고 그의 예상은 정확히 들어맞았다. 정상개체와 대부분의 돌연변이체는 평범한 24시간의 우화주기를 나타냈다. 그러나 몇몇 개체는 달랐다. 한 돌연변이체로부터 얻은 새끼들이 놀랍게도 비정상적인 우화 주기를 보였던 것이다. 19시간으로 짧아진 패턴을 보이는 개체들이 있는가 하면, 28시간으로 늦춰진 패턴을 보이는 개체들도 있었다. 패턴이 사라진 경우 또한 존재하였다. 이 연구결과를 본 벤저는 다양한 돌연변이들의 유전자를 분석하기 시작했다. 그리고 충격적인 연구 결과가 발표되었다.
당시의 사람들은 24시간의 주기와 같은 복잡한 양상은 분명 수백 가지의 다양한 유전자가 관여할 것이라 믿고 있었다. 그러나 실험 결과는 달랐다. 1971년 학술지 「미국립과학원회보」에 실린 논문을 살펴보면, 비정상적인 패턴을 보이는 세 종류의 돌연변이체들 모두 하나의 유전자에 발생한 돌연변이로 인해 생체리듬에 변동이 생긴다는 사실을 알 수 있다. 이 유전자에 붙은 이름이 period 유전자, 약칭으로는 per유전자이다. 초파리의 주기가 상실된 원인은 돌연변이로 인해 갑작스러운 위치에 생긴 종결코돈이 원인이다. 또한, 주기가 짧거나 길어지는 경우는 아미노산의 대체라고 추정할 수 있다. 이후에 벤저 교수는 생체시계에 관련된 연구를 그만두지만, 코놉카는 논문을 발표한 이듬해에 박사학위를 취득하고, 1974년에는 자신이 엄청난 연구를 할 수 있도록 해주었던 칼텍으로 돌아온다. 이후로 그는 조교수의 자리에서 per유전자의 정확한 위치를 찾는 연구를 지속한다.
- 노벨과학자의 등장
노벨상을 탄 세 과학자의 연구는 per유전자의 발견으로부터 대략 10년이 지난 이후 발표되었다. 이미 소개하였듯, 세 명의 과학자는 각각 제프리 홀, 마이클 로스바쉬, 마이클 영이다. 제프리 홀은 1945년 출생이며, 고등학생 시절부터 의학도를 꿈꾸고 있었다. 끝내 그 꿈을 이뤄 1963년 애머스트칼리지에서 의학을 공부하게 된 그는, 대학에서 공부를 지속하던 중 기초과학과 초파리에 대해 관심을 가지게 된다. 끝끝내 그가 취득한 것은 유전학 박사학위이다. 1973년까지 그는 시모어 벤저의 연구실에서 박사 후 연구원 과정을 이수하였다. 마이클 로스바쉬는 1944년 출생하였으며 고등학교 시절에는 수학에 흥미를 가졌던 평범한 학생이었다. 그러나 그는 캘리포니아공과대학에서 생물학을 공부하게 되고, 이 과정에서 흥미를 느껴 1970년 생물물리학 박사를 취득한다. 그들은 초파리를 대상으로 하여 공동 연구를 진행하게 되고, 오랜 노력 끝에 벤저와 코놉카가 해내지 못한 per유전자 분리에 성공한다.
1984년, 제프리 홀과 마이클 로스바쉬는 per단백질이 밤에는 축적되고 낮에는 분해되는 것을 확인한다. 이를 통하여 그들이 예측한 것은 per단백질이 24시간 주기의 형성과 관련이 있다는 것이다. 그들의 가설은 다음과 같았다. 밤에는 전사·번역으로 인하여 per유전자로부터 per단백질이 생성된다. 이렇게 쌓이던 per단백질은 세포핵으로 들어가 per유전자의 새로운 합성을 막는다. 이 상태에서 per단백질이 분해되면 다시 생체시계는 밤이 된다. 즉, per단백질은 음성 피드백 고리를 이용해 축적과 분해를 반복한다는 내용이다. 그들의 논리에는 충분한 타당성이 있었으나, 아직은 한계가 남아있었다. 로스바시와 홀의 연구는 아직 per단백질이 어떻게 세포핵에 도달하는지 설명하지 못하였기 때문이다.
이 문제를 해결한 것이 마이클 영이다. 그는 1949년 미국 플로리다주의 마이애미에서 태어나 텍사스대학교에서 생물을 전공하고 1975년에는 유전학 박사학위를 취득하게 된다. 영 또한 홀과 로스배시와 같이 초파리를 대상으로 하여 24시간 주기의 생체시계에 관한 연구를 진행했다. 그는 1994년 24시간 주기의 생체시계에서 중요한 역할을 하는 timeless 유전자를 발견하고, 이 tim유전자가 per유전자의 세포핵 도달을 돕는다는 사실을 규명하였다. 로스바시와 홀이 밝히지 못한 사실을 알아낸 것이다. 또한 1998년에는 doubletime 유전자, 즉 dbt유전자를 발견하게 된다. 이 유전자로부터 생성된 dbt단백질의 역할이 per단백질의 분해이며, 결과적으로 per단백질의 축적을 지연시킨다는 사실이 그의 논문을 통해 밝혀졌다.
서캐디안 리듬의 작동 원리
우리가 살아가고 있는 이 환경은 시간이 변함에 따라 일정한 패턴으로 변화한다. 대표적인 예시로는 빛을 들 수 있다. 형광등이나 가로등과 같은 인공적 조명의 영향들을 배제하였을 때, 우리는 6시경 떠오르는 햇살을 맞이하고 18시경에는 일몰과 함께 땅거미가 지는 하늘을 볼 수 있다. 온도 또한 마찬가지이다. 아침에 눈을 뜨면 점점 더워지는 기온은 정오를 조금 넘은 시간부터 다시 내려가기 시작한다. 정오에는 무척 더웠던 날도 저녁이 되면 제법 쌀쌀하게 느껴진다. 이와 같은 환경적 변화는 우리 몸에서의 서캐디안 리듬 형성에 영향을 미친다. 이와 같은 다양한 정보들을 자이트게버라고 칭한다.
외부의 24시간 주기를 받아들이는 수용체에서는 이 자이트게버를 받아들이며, 이로 인하여 체내의 리듬이 생성된다. 위에서 언급하였듯이, per유전자에서 전사·번역되는 per단백질은 밤 동안 세포 내에 쌓이게 되며, 여기서 dbt단백질은 per유전자의 축적을 지연시키는 역할을 한다. 낮이 되면 per단백질은 tim단백질과 결합하여 세포핵 내로 들어가고, per단백질의 생성을 억제한다. 그리고 낮이 지나 per단백질은 결국 분해되고, 다시 전사·번역이 일어난다. 이 과정은 시간의 흐름에 따라 반복되고, 이 메커니즘을 통하여 우리 몸의 호르몬, 체온, 혈압 등이 조절되는 것이다.
시차 적응에 시간이 걸리는 이유도 여기에 있다. 생체시계는 디지털시계와 달리 한순간에 동기화되지 않는다. 자이트게버를 통해 변화한 24시간 주기를 체내에서 받아들인다 해도 한순간에 per단백질이 축적 및 분해되는 패턴을 바꾸는 것은 불가능하다. 우리도 시차적응에는 조금의 시간이 소요되듯이, 세포에게도 전사·번역을 통해 형성되는 일주기 리듬을 바꾸기 위해서는 시간이 필요하다.
그러나 위에서 짧게 언급되었듯, 수용체가 받아들이는 빛 등의 자이트게버에는 자연적인 원인만 있는 것은 아니다. 태양빛은 6시에 떠올라 18시면 지지만, 현대인들은 이 밤낮과는 맞지 않는 삶을 보내는 경우가 많다. 야근이나 새벽알바 등으로 우리 몸이 밤이라고 인지하는 시각에 일을 하는 사람도 많으며, 이 경우 인공적인 조명 등의 영향으로 인하여 비정상적인 자이트게버를 받아들이게 된다. 최근 밝혀진 연구결과들에 따르면, 생체리듬과 다른 현대인들의 생활패턴은 수면장애나 우울증 등의 정신적 질환은 물론, 심혈관계 질환, 당뇨 등의 대사성 질환과 치매를 포함한 퇴행성 질환, 혹은 종양성 질환 등의 발병률을 높일 위험이 있다고 한다. 이를 통하여 알 수 있듯이, 생체시계와 어긋난 생활패턴은 우리에게 부정적인 결과를 가져온다. 이는 너무 늦은 수면이 좋지 않은 이유이자, 규칙적인 생활주기가 우리의 건강에 도움이 되는 원인이라고 할 수 있을 것이다.
서캐디안 리듬 발견의 의의
노벨위원회에서는 서캐디안 리듬의 원리를 규명한 공로에 대해 “세 명의 수상자의 발견 이후로 일주기 생물학은 우리의 건강과 안녕에 영향을 미치면서 광범위하고 역동적인 연구분야로 발전했다”라고 평했다. 제프리 홀, 마이클 로스바쉬, 마이클 영. 이 3명의 노벨과학자와, 안타깝게도 노벨상을 받지는 못하였으나 생체시계 원리 규명에 지대한 공헌을 한 두 과학자, 시모어 벤저와 로널드 코놉카는 과학자로서 귀감이 되는 연구정신과 그를 통한 엄청난 공헌을 보여주었다. 불분명한 미래에도 굴하지 않고 자신의 흥미에 대해 열정적으로 연구하는 모습, 그리고 엄청난 노력을 들여 결국은 성장하고 성공하는 그들의 이야기는 존경받아 마땅함에 틀림이 없다.
ⓒ 2018학년도 2학기 바라던Bio
<작성자> 18-101 정예진
<분야> 행동유전학(behavioral genetics)
행동유전학(behavioral genetics)에서는 생물의 유전적 구성이 생물체의 행동에 미치는 영향을 연구하고, 유전적 특성과 환경의 상호작용이 행동에 어떠한 영향을 미치는가에 대한 연구를 진행합니다.
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