따라서 과학을 연구하거나 과학에 관해 이야기하고 글을 쓰는 사람들에게 올해의 가장 중요한 주가 다가왔습니다. 전통적으로 10월 첫째주에 노벨위원회는 노벨상 수상자들을 발표합니다. 그리고 전통적으로 우리는 생리학 또는 의학 분야의 수상자들을 처음으로 인정했습니다(예, 어떤 이유로 러시아어에서는 이 조합이 "and"로 바뀌었지만 정확하게는 둘 중 하나입니다).
2017년에는 이러한 상을 수여한 카롤린스카 연구소(Karolinska Institute)가 모두를 놀라게 했습니다. 많은 전문가와 기관이 수상자에 대해 예언과 예측을 한다는 것은 비밀이 아닙니다. 톰슨레이터스 대행사에서 분리된 클래리베이트애널리틱스 대행사가 올해 처음으로 예측을 내놨다. 의학 분야에서는 암과 당뇨병 발병을 담당하는 단백질 발견으로 Lewis Cantlie, 신경 영상 기술로 Karl Friston, 헤르페스 바이러스 발견으로 배우자 Yuan Chan과 Patrick Moore의 승리를 예측했습니다. 카포시 육종을 일으키는 원인이 됩니다.
그러나 예기치 않게 모든 사람에게 세 명의 미국인이 인간, 동물 및 식물의 내부 분자 시계인 일주기 리듬의 분자 메커니즘을 발견한 공로로 상을 받았습니다(전혀 예상치 못한 일이 아니었습니다). 예, 거의 모든 생명체입니다. 바이오리듬이라고 불리는 것과 같은 것입니다.
뉴욕 록펠러 대학교의 마이클 영, 브랜다이스 대학교의 마이클 로스배시, 메인 대학교의 제프리 홀은 무엇을 발견했습니까?
우선, 그들이 일주기 리듬(라틴어 circa - around 및 diem - day)을 발견하지 못했다고 가정해 봅시다. 이것에 대한 첫 번째 힌트는 고대에 나타났습니다(놀랍지 않은 것은 우리 모두가 낮에는 깨어 있고 밤에는 자고 있다는 것입니다). 내부 시계 작동을 담당하는 유전자도 우리 영웅들에 의해 발견되지 않았습니다. 이 일련의 실험은 Seymour Benzer와 Ronald Konopka가 초파리를 대상으로 수행했습니다. 그들은 일주기 리듬의 지속 시간이 자연에 사는(또는 사람과 같은) 24시간이 아닌 19~29시간이거나 일주기 리듬이 전혀 관찰되지 않는 돌연변이 파리를 발견할 수 있었습니다. 리듬을 “지배”하는 주기 유전자를 발견한 것은 바로 그들이었습니다. 그러나 안타깝게도 벤저는 2007년에, 코노프카는 2015년에 노벨상을 기다리지 못한 채 세상을 떠났습니다. 이런 일은 과학에서 자주 일어납니다.
따라서 주기 유전자 자체, 즉 PER는 일주기 리듬의 오케스트라를 지휘하는 PER 단백질을 암호화합니다. 그러나 그는 이를 어떻게 수행하며, 모든 프로세스의 순환적 특성은 어떻게 달성됩니까? Hall과 Rosbash는 PER 단백질이 세포핵에 들어가 자체 유전자의 작용을 차단한다는 가설을 제안했습니다(우리가 기억하는 것처럼 유전자는 단백질 조립에 대한 지침일 뿐입니다. 하나의 유전자-하나의 단백질). 그런데 어떻게 이런 일이 일어나는 걸까요? Jeffrey Hall과 Michael Rosbash는 PER 단백질이 밤새 세포핵에 축적되어 낮 동안 소모된다는 사실을 보여주었지만, PER 단백질이 어떻게 거기에 도달했는지 이해하지 못했습니다. 그리고 세 번째 수상자 마이클 영(Michael Young)이 구조에 나섰습니다. 1994년에 그는 단백질을 암호화하는 또 다른 유전자인 TIM을 발견했습니다. PER이 TIM 단백질과 결합해야만 세포핵으로 들어갈 수 있음을 보여준 사람이 영이었습니다.
따라서 첫 번째 발견을 요약해 보겠습니다. 주기 유전자가 활성화되면 소위 PER 단백질의 메신저 RNA가 핵에서 생성되며, 이는 모델로서 리보솜에서 단백질을 생성합니다. 이 메신저 RNA는 핵에서 세포질로 들어가 PER 단백질 생산을 위한 주형이 됩니다. 그런 다음 루프가 닫힙니다. 주기 유전자의 활동이 차단되면 PER 단백질이 세포핵에 축적됩니다. Young은 계속해서 DBT 단백질을 암호화하는 또 다른 유전자인 doubletime을 발견했습니다. 이 유전자는 PER 단백질의 축적을 "조정"하여 시간을 이동시킬 수 있습니다. 덕분에 우리는 시간대의 변화와 낮과 밤의 길이에 적응할 수 있습니다. 하지만 낮과 밤이 매우 빠르게 바뀌면 다람쥐는 제트기를 따라갈 수 없어 시차증이 발생합니다.
2017년 수상은 어떤 면에서 수면-각성 주기와 관련된 수상으로 117년 만에 처음이라는 점에 유의해야 합니다. Benzer와 Konopka의 발견 외에도 일주기 리듬과 수면 과정에 대한 다른 연구자들도 상을 받지 못했습니다. Somnology의 아버지 Nathaniel Kleitman... 그렇다면 현재를 무엇이라고 부를 수 있습니까? 노벨위원회의 결정은 이 분야에서 일하는 모든 사람에게 중요합니다.
2017년 생리학 또는 의학 부문 노벨상 수상자(미국인 마이클 영(Michael Young), 제프리 홀(Jeffrey Hall), 마이클 로스배시(Michael Rosbash))은 “일주기 리듬을 제어하는 분자 메커니즘을 발견한 공로”로 상을 받았습니다.
인기 있는 과학 포털인 "Attic"의 편집자들과 함께 우리는 이러한 메커니즘이 무엇인지, 어떻게 작동하는지, 세포가 현재 시간을 알아야 하는 이유를 알아냈습니다.
일주기리듬이란 무엇인가?
지구가 존재한 지 40억년 이상 동안 지구의 생활 조건은 끊임없이 변화해 왔습니다. 그러나 한 가지는 거의 항상 변하지 않았습니다. 하루 24 시간, 축을 중심으로 행성의 회전으로 인한 낮과 밤의 변화입니다. 이 기간 동안 지상의 생명체는 일몰과 일출에 적응하고 자체 내부 시계를 획득했습니다. 이러한 일주기 리듬(라틴어 서카 - "주위, 대략, 약" 및 사망 - "일") 리듬은 신체의 여러 과정에 무자비하게 종속됩니다. 수면 및 각성 외에도 예를 들어 신진대사, 호르몬 수준, 체온, 심지어 (간접적으로) 행동까지.
많은 연구에서 우리의 자연스러운 “내부 시계”가 우리에게 얼마나 중요한지 보여줍니다. 예를 들어, 인위적으로 일광 시간을 연장하면 비만 및 관련 질병(당뇨병 등)이 발생할 수 있습니다. 하루 중 다양한 시간에 신체는 감염에 다양한 영향을 받습니다. 동물의 생물학적 시계는 바이러스의 복제 및 확산 능력에 영향을 미칩니다. 색상에 대한 인식조차도 일주기 리듬과 연관될 수 있습니다. 이는 2015년 인터넷에서 거의 논쟁을 불러일으켰던 바로 그 드레스의 예에서 나타났습니다.
2017년에는 정확히 어떤 상을 받았나요?
러시아 과학 아카데미 산하 고등 신경 활동 및 신경 생리학 연구소의 수면 및 각성 신경생물학 연구소 선임 연구원인 알렉산드라 푸치코바(Alexandra Puchkova)는 2017년 수상자들이 초파리에서 "세포 시계"를 발견했다고 말했습니다. 나중에 과학자들은 이 시계 메커니즘이 매우 보편적이라는 것을 알아냈습니다. 마찬가지로 낮과 밤의 변화도 다른 동물과 인간의 유전적 수준에서 고정됩니다.
처음으로 일주기 리듬에 영향을 미치는 유전자가 70년대에 확인되었습니다. 그러자 과학자들은 그것을 시대라고 불렀습니다. . 오늘날의 수상자 중 두 명인 Geoffrey Hall과 Michael Rosbash는 1984년에 이 유전자를 분리하는 데 성공했습니다. 그런 다음 그들은 유전자를 암호화하는 PER 단백질이 밤에 축적되고 낮에는 파괴된다는 것을 보여주었습니다.
"[수상자들은] 초파리에서 하나의 유전자가 있다는 것을 발견했습니다. 그런 다음 실제로 이러한 유전자가 많이 있고 서로 조절하며 이를 변경하면 이 기간은 24보다 많거나 적을 수 있다는 것이 밝혀졌습니다. 몇 시간이고 깨뜨리면 [ 유전자]가 모두 사라집니다. 그리고 그들은 사람이 매우 유사한 메커니즘을 가지고 있다는 것을 발견했습니다. 그들은 이 전체 기계가 어떻게 작동하는지 보여주었습니다.”라고 Alexandra Puchkova는 설명했습니다.
러시아 과학 아카데미 카렐리안 과학 센터 생물학 연구소의 유전학 연구소 연구원인 Irina Kurbatova는 이 연구에 대해 특별히 상이 수여된 것에 놀라지 않습니다. 그녀에 따르면 이것은 매우 유망한 분야입니다. 기초 의학 및 의료 행위와 직접적으로 관련된 과학 연구.
무엇 향후 계획?
흥미롭게도 Hall, Rosbash 및 Young이 발견한 "시계"는 핵이 있는 모든 세포에서 작동합니다. 이것이 바로 새로운 과학 분야인 시간생물학의 관심을 끄는 모든 생물학적 과정을 방해하는 방식입니다.
시간생물학자들은 수면학자(수면 전문가) 및 기타 과학자들과 함께 예를 들어 다른 시간대로 비행하거나 야간 근무를 할 때 발생하는 "내부 시계" 조정에 영향을 미치는 방법을 알아내려고 노력하고 있습니다. 과학자들이 설명하듯이, 우리 몸의 화학적 “시계”는 외부 신호(주로 빛)를 감지할 수 있습니다. 이는 광선 요법이 부자연스럽게 짧은 일광 시간으로 인해 발생하는 우울증이나 계절성 정서 장애를 치료하는 데 사용될 수 있음을 의미합니다.
무엇보다도 일주기 리듬은 혈압의 리듬을 조절하며, 일이 중단되면 심혈관 질환의 위험이 높아집니다.
그래서 노벨상 수상자들의 연구는 의학 전 분야에 이론적 기초를 제공했습니다.
지구상의 생명체는 행성 자체와 태양 주위의 회전을 설정하는 리듬을 따릅니다. 대부분의 살아있는 유기체에는 내부 "시계"가 있습니다. 즉, 이 리듬에 따라 살 수 있는 메커니즘입니다. Hall, Rosbash 및 Young은 새장을 들여다보고 생체 시계가 어떻게 작동하는지 확인했습니다.
초파리는 모델 유기체로 사용되었습니다. 유전학자들은 곤충의 생활 리듬을 조절하는 유전자를 확인했습니다. 밤에 세포에 축적되어 낮 동안 천천히 활용되는 단백질을 암호화하는 것으로 밝혀졌습니다. 나중에 일주기 리듬 조절에 관여하는 몇 가지 단백질이 더 발견되었습니다. 이제 생물학자들에게는 일상을 조절하는 메커니즘이 식물에서 인간에 이르기까지 모든 살아있는 유기체에 대해 동일하다는 것이 분명해졌습니다. 이 메커니즘은 하루 중 시간에 따라 달라지는 활동, 호르몬 수치, 체온 및 신진대사를 제어합니다. Hall, Rosbash 및 Young의 발견 이후, "생물학적 시계"에 설정된 생활 방식에서 얼마나 갑작스럽고 지속적인 편차가 건강에 위험할 수 있는지에 대한 많은 데이터가 나타났습니다.
살아있는 생물이 "시간 감각"을 가지고 있다는 첫 번째 증거는 18세기에 나타났습니다. 당시 프랑스의 자연주의자인 Jean Jacques d'Hortu de Mairan은 미모사가 아침에 계속해서 꽃을 피웠다가 저녁에 닫히는 것을 보여주었습니다. 추가 연구에 따르면 식물뿐만 아니라 사람을 포함한 동물도 낮 동안의 생리적 지표와 행동의 주기적인 변화를 위도에서 일주기 리듬이라고 합니다. ...경- 원과 죽는다- 낮.
지난 세기의 70년대에 Seymour Benzer와 그의 학생 Ronald Konopka는 초파리에서 일주기 리듬을 제어하는 유전자를 발견하고 그 기간을 정의했습니다. 1984년 보스턴의 Brandelis 대학에서 근무하는 Jeffrey Hall과 Michael Rosbash, 뉴욕 록펠러 대학의 Michael Young이 유전자를 분리했습니다. 기간그런 다음 Hall과 Rosbash는 그것이 암호화하는 단백질인 PER이 어떤 역할을 하는지 알아냈습니다. 그리고 이 단백질은 밤에 세포에 축적되어 하루 종일 소비되므로 농도로 시간을 판단할 수 있습니다.
Hall과 Rosbash가 제안한 이 시스템은 자체적으로 조절됩니다. PER 단백질은 주기 유전자의 활동을 차단하므로 단백질 합성이 너무 많으면 즉시 중단되고 단백질이 소비되면 다시 시작됩니다. 남은 것은 단백질이 어떻게 세포핵에 들어가는 지에 대한 질문에 답하는 것뿐이었습니다. 결국 단백질은 그곳에서만 유전자 활동에 영향을 미칠 수 있습니다.
1994년에 Young은 일주기 리듬에 중요한 두 번째 유전자인 timeless를 발견했습니다. 이 유전자는 PER 단백질이 핵막을 통과하여 주기 유전자를 차단하는 데 도움이 되는 TIM 단백질을 암호화합니다. 또 다른 유전자 더블타임, PER 단백질의 축적을 늦추는 DBT 단백질을 담당하는 것으로 밝혀져 합성 주기와 그 사이의 일시 중지가 24시간 동안 지속됩니다. 그 후 몇 년 동안, "생물학적 시계"의 미묘한 메커니즘의 일부인 다른 많은 유전자와 단백질이 발견되었습니다. 여기에는 "손을 감는" 기능을 포함하여 활동이 조명에 의존하는 단백질이 포함됩니다.
일주기 리듬은 유전적 수준을 포함하여 우리 신체 생활의 다양한 측면을 조절합니다. 일부 유전자는 밤에 더 활동적이고 일부는 낮에 더 활동적입니다. 2017년 수상자들의 발견 덕분에 일주기리듬 생물학은 광범위한 과학 분야로 성장했습니다. 매년 인간을 포함한 다양한 종에서 “생물학적 시계”가 어떻게 작동하는지에 관한 수십 개의 과학 논문이 작성됩니다.
일주기리듬(lat. circa about + lat. dies day)은 "내부 시계"에 의해 조절되는 살아있는 유기체의 생물학적 과정의 24시간 주기에 부여된 이름입니다. 일주기 리듬은 인간을 포함한 모든 동물의 수면, 행동, 활동 및 영양을 조절하는 데 중요합니다. 뇌의 망상 형성 작업, 전체적인 뇌 활동 수준의 변화, 호르몬 생산, 세포 재생 및 기타 생물학적 과정이 이 주기에 연결되어 있는 것으로 알려져 있습니다. 일주기 리듬은 동물(척추동물 및 무척추동물)뿐만 아니라 균류, 식물, 원생동물, 심지어 박테리아에서도 발견됩니다.
이러한 "내부 시계"의 존재는 이 분야의 분자 연구 이전부터 가정되었습니다. 하루에 가까운 주기를 갖는 리듬 변화는 하루 중 시간을 나타내는 외부 광원으로부터 완전히 격리된 유기체에 보존됩니다. 예를 들어, 완전한 어둠 속에 있는 식물에서는 매일 잎이 회전하는 것이 관찰됩니다. 식물과 동물은 조명 조건의 갑작스러운 인위적 또는 자연적 변화에 즉시 반응하지 않는 것으로 알려져 있습니다. 그러나 적응 메커니즘이 있으며 조만간 신체 내부 시계가 새로운 리듬에 적응합니다. 이러한 현상의 예는 시간대 간 비행 시 하루 중 시간 변화에 대한 인간의 적응입니다.
일주기리듬의 주요 세 가지 특징은 다음과 같습니다.
- 리듬은 일정한 조건에서 유지되며 24시간에 가까운 주기를 갖습니다.
- 리듬은 외부 조명의 영향으로 동기화될 수 있습니다.
- 리듬은 생명에 적합한 범위 내에서 변화하는 한 온도에 의존하지 않습니다.
일주기 리듬의 가장 간단한 메커니즘은 일부 시아노박테리아에서 관찰됩니다. 일주기 리듬을 담당하는 세 가지 단백질 KaiA, KaiB, KaiC만 취하고 ATP(유기체가 에너지를 저장하는 형태의 분자)를 추가하면 다음과 같은 결과를 얻을 수 있습니다. KaiC 단백질 2, 3의 인산화 수준을 측정하여 시험관(시험관 내)에서 일주기 리듬을 관찰합니다(인산염은 부착 및 분리되며 부착된 인산염이 있는 KaiC의 농도는 주기적으로 변동합니다). 이 리듬은 약 22시간의 주기성을 가지며 며칠 동안 유지됩니다. 이 생성기의 작동에 대해서는 아래에서 더 자세히 설명하겠습니다.
일주기리듬은 낮과 밤의 주기와 직접적인 관련이 있습니다. 완전히 어두운 곳이나 균일한 조명 조건에서 오랫동안 사육된 동물은 지구상의 일상적인 리듬에서 벗어나는 내생적(내부) 리듬에 따라 살기 시작합니다. 이는 일반적으로 내인성 일주기 리듬의 기간이 24시간보다 약간 짧거나 길기 때문에 어둠 속에 놓인 유기체의 새로운 "날"이 실제 시간에 비해 앞뒤로 이동하기 때문입니다. 시간의 변화. 일반적으로 빛은 신체의 일주기 주기를 위한 맥박 조정기 역할을 하며 신체 내부 시계를 재설정합니다. 흥미롭게도 일부 맹인 포유류는 가장 중요한 심장박동기인 빛이 없어도 내인성 일주기 리듬을 유지할 수 있습니다. 오늘날 우주비행사의 상태에 유익한 영향을 미치는 일 변경 시뮬레이터가 개발되어 우주선에서 사용되고 있습니다.
포유동물의 유기체 수준에서 "일주기 리듬 동인"은 시상하부의 시교차상핵에 위치합니다. 시교차상핵이 파괴되면 수면/각성 주기가 완전히 중단됩니다. 시교차상핵은 망막 세포로부터 빛 신호를 받습니다. 인간의 망막에서는 두 가지 유형의 수용체 세포(간상체와 원추체) 외에도 멜라놉신 색소를 함유한 일부 신경절 세포가 감광성 기능을 가지고 있습니다. 이들 세포로부터의 신호는 시신경을 따라 시교차상핵으로 들어갑니다. 분명히 신호는 처리되어 간뇌의 등쪽 (등쪽) 부분에 위치한 내분비선 인 송과선으로 더 전달됩니다. 송과선은 수면과 각성을 담당하는 멜라토닌 호르몬을 분비합니다. 다량의 멜라토닌은 역설적 수면 단계를 상당히 연장시킵니다. 즉, 눈이 활발하게 움직이고 골격근이 최대한 이완되며 꿈이 일어나는 수면 부분입니다.
멜라토닌 합성은 조명과 관련이 있습니다. 조명이 강할수록 멜라토닌이 덜 형성됩니다. 따라서 혈액 내 멜라토닌의 최고 수준은 밤에 관찰되고 낮에는 최소 수준이 관찰됩니다. 장시간 과도한 조명은 멜라토닌 수치를 크게 감소시켜 신체에 좋지 않습니다. 체액성(내분비) 기능 외에도 멜라토닌은 DNA가 손상되지 않도록 보호하는 강력한 말단 항산화제 기능을 가지고 있습니다. 말단 항산화제는 산화된 형태(활성 산소 라디칼에 의해)에서 다시 복원될 수 없는 항산화제입니다. 흥미롭게도 멜라토닌은 조류에서 포유류에 이르기까지 다양한 분류군의 호르몬, 즉 매우 오래되고 중요한 호르몬입니다.
동물의 일주기 리듬은 시차상핵뿐만 아니라 모든 세포에서 발견됩니다. 신체에서 분리된 세포는 24시간에 가까운 주기로 내부 자유 내인성 리듬을 따릅니다. 간 세포는 빛의 영향보다 외인성 요인인 음식의 영향을 받을 때 더 많이 적응한다는 점은 흥미롭습니다. 또한 실험실에서 사용되는 "불멸의" 세포 배양에서도 일주기 리듬이 보존됩니다. 그들은 환경의 조명 변화에 따라 빛의 영향으로 일주기 리듬을 동기화하는 능력을 유지하는 것으로 나타났습니다.
짧은 시간 동안 일주기 리듬이 붕괴되면 일상 활동이 중단되고 피로, 불면증 및 방향 감각 상실이 발생합니다. 조울증 정신병과 같은 질병과 많은 수면 장애는 일주기 리듬의 병리학적 기능 장애와 관련이 있습니다. 일주기 리듬의 장기적인 장애는 심혈관 질환과 같은 내부 조직 및 기관의 상태를 악화시킬 수 있습니다.
마지막으로, 일주기 리듬의 분자적 조절이 분류학적 그룹에 따라 다르다는 점은 주목할 가치가 있습니다. 감광성 적응 메커니즘과 내인성 일주기 리듬을 유지하는 메커니즘이 서로 다른 유기체 그룹에서 독립적으로 진화했을 가능성이 있습니다. 알려진 모든 일주기 리듬은 세 가지 구성 요소, 즉 일주기 진동(변동)을 제공하는 시계 자체, 내부 시계를 일일 조명 변화에 적응시키도록 설계된 "입력" 단백질, 그리고 특정 일주기 리듬을 조절하는 "출력" 단백질의 존재로 통합됩니다. 내인성 일주기 리듬에 따라 조정되는 세포에서 일어나는 과정.
시아노박테리아의 일주기 리듬.
가장 단순한 일주기 리듬은 시아노박테리아에서 발견됩니다. 남조류(청록조류)는 광독립 영양(광합성, 태양 에너지를 먹음) 박테리아의 단계통군(하나의 공통 조상을 가짐)입니다. 그들은 세계에서 가장 오래되고 가장 다양한 원핵생물 그룹 중 하나입니다. 그룹의 다양한 구성원은 형태학적으로나 유전적으로 서로 매우 다르며 빛이 접근할 수 있는 거의 모든 서식지에서 발견할 수 있습니다. 수명주기는 또한 대표자마다 기간이 다릅니다. 구분 간 몇 시간에서 수천 년까지(과소영양적이고 열악한 환경에 사는 일부 종의 경우).
시아노박테리아에서 일주기 리듬의 존재는 산소에 민감한 질소 고정 및 산소 방출에 따른 광합성 과정을 연구할 때 처음으로 입증되었습니다. 이러한 과정에서 매일의 리듬이 나타났습니다. 이는 특히 세포 내 특정 저장 과립의 수와 크기를 연구하는 데 사용된 전자 현미경 데이터에 의해 입증되었습니다. 위에서 설명한 일주기 리듬의 세 가지 주요 조항을 충족하는 다른 세포 과정(예: 아미노산 흡수)이 일주기 리듬 내에서 발생한다는 것이 나중에 발견되었습니다.
또한 남조류 세포의 모든 유전자 발현은 리드미컬하게 변화하는 것으로 밝혀졌다. 생물발광(발광) 단백질에 대한 유전자가 무작위 박테리아 프로모터 하에서 시아노박테리아의 게놈에 삽입되는 실험이 수행되었습니다. 획득된 모든 균주는 발광 강도의 유사한 일주기 변화 패턴을 보여주었습니다(그림 1, 상단).
그림 1 시아노박테리아의 일주기 리듬.
시아노박테리아에 대한 내부 리듬과 외인성 빛 요인을 동기화하는 것의 중요성은 여러 실험에서 나타났습니다. 예를 들어, 일주기 리듬의 동기화가 중단된 박테리아는 낮과 밤의 조건에서 더 느리게 성장하여 내부 시계가 잘 작동하고 조정된 박테리아에게 밀려나는 것으로 나타났습니다. 또한 이미 언급한 바와 같이 시아노박테리아는 내부 시계에 의해 결정되는 "야간" 기간에만 번식하며, 특히 태양 자외선의 영향으로 형성된 산소 라디칼에 의한 손상으로부터 복제 DNA를 보호합니다.
광합성 박테리아 Synechococcus elongatus의 돌연변이 유발 검사를 통해 100개 이상의 리듬 교란 돌연변이가 발견되었습니다. 예를 들어, 그들 중 일부에서는 내부 시계의 내인성 기간(외부 자극이 없는 경우 - 빛)이 야생 박테리아처럼 25시간이 아닌 44시간이었습니다. 많은 돌연변이체는 카이 유전자좌의 DNA를 도입한 후 일주기 시계 기능을 복원했습니다. 이 유전자좌는 kaiA, kaiB, kaiC, kaiA의 3가지 유전자를 암호화하는 반면, kaiB와 kaiC는 공통 프로모터를 갖고 있어 이시스트론성 RNA를 형성하는 것으로 밝혀졌습니다. 계통발생학적으로 kaiC는 가장 오래된 시아노박테리아 일주기 리듬 유전자로 간주됩니다. 이 세 가지 유전자는 각각 시아노박테리아의 일주기 리듬이 제대로 기능하는 데 필요했습니다. kaiC의 다양한 돌연변이 대립유전자는 내인성 리듬 기간을 단축 또는 연장시키거나 일부 돌연변이에서 리듬을 완전히 붕괴시키는 반면, kaiA 및 kaiB 유전자를 파괴시키는 돌연변이는 일주기 리듬의 표현형 발현을 완전히 억제합니다.
언급된 세 가지 일주기 리듬 유전자에 의해 암호화된 단백질 중 어느 것도 DNA 결합 부위를 갖고 있지 않습니다. 이는 이들이 전사 인자가 아니므로 전사에 직접적인 영향을 미치지 않음을 나타냅니다. 이들 단백질은 연구된 진핵생물의 단백질 중에서 알려진 상동체가 없습니다. 세 유전자 모두의 전사 수준은 리듬감이 있으며 각각의 mRNA 함량은 하루가 끝날 무렵 최대에 도달합니다. 흥미롭게도, kaiC의 과발현은 kaiBC 프로모터로부터의 발현 감소로 이어집니다. 즉, 유전자 산물과 이의 mRNA 발현 사이에 음성 피드백 관계가 있습니다. kaiA의 과발현은 kaiBC 발현을 증가시키고, kaiA가 없으면 kaiBC 발현은 현저하게 감소합니다. 따라서 kaiC와 달리 kaiA는 이러한 자동 조절 과정의 긍정적인 요소입니다. 이른 저녁에는 kaiB와 kaiC 단백질의 함량이 최대에 도달하는 반면, kaiA 단백질의 함량은 일주기 리듬에 따라 진동하지 않습니다.
처음에는 모든 일주기 리듬이 세포의 전사-번역 진동(TTO) 활동과 연관되어 있다고 가정했습니다. 엄격하게 입증되지는 않았지만 이것이 모든 동물의 내부 시계가 작동하는 방식이라는 증거가 있습니다. 시아노박테리아의 경우 최근에는 그 반대의 현상이 나타났습니다. kaiC 단백질은 자가인산화 기능과 자가탈인산화 기능을 모두 가지고 있습니다. kaiA 단백질은 kaiC의 자가인산화를 촉진하는 반면, kaiB는 kaiA가 생성하는 효과에 영향을 미칩니다. 따라서 kaiC의 인산화 및 탈인산화에는 추가적인 키나제 또는 포스파타제가 필요하지 않습니다. 1mM ATP의 존재 하에 일주기 리듬 단백질을 1:1:4(각각 kaiA, kaiB, kaiC)의 생물학적 비율로 섭취하는 실험이 수행되었습니다. 이러한 조건 하에서 탈인산화/인산화된 kaiC의 백분율은 적어도 3주기에 걸쳐 24시간에 가까운 기간으로 변하는 것으로 나타났습니다. 인산화된 kaiC의 함량은 전체 kaiC의 0.25에서 0.65까지 다양했습니다. 또한, kaiC의 총 농도는 일정하게 유지되었으며, 이는 두 kaiC 변형 모두 분해 과정이 없음을 나타냅니다. 따라서 kaiC 인산화의 진동은 언급된 세 가지 일주기 단백질의 활성에 의해서만 달성될 수 있습니다.
세 가지 단백질로 구성된 이 시스템은 일주기 리듬 시스템의 두 번째 기준도 충족합니다. 온도가 섭씨 25도에서 30도와 35도로 증가하면 인산화 기간은 각각 22시간에서 21시간, 20시간으로 변경됩니다. 열의존계수(Q10)는 1.1로, 이는 생명체에서 관찰되는 것과 가깝습니다.
일부 형태의 돌연변이 kaiC를 가진 유기체는 내부 시계 주기가 변경되었습니다. 예를 들어 일주기 리듬 주기가 17, 21, 28시간인 돌연변이가 있었습니다. 정상적인 야생 kaiC 대신 돌연변이 kaiC를 사용하는 시험관 내 시스템에서도 동일한 기간이 유지되는 것으로 나타났습니다. 따라서 시아노박테리아의 일주기 리듬의 세 가지 주요 단백질은 kaiA, kaiB, kaiC인 것으로 나타났습니다. 시아노박테리아의 일주기 리듬에 관한 많은 연구에도 불구하고 가변 조명에 의한 동기화 메커니즘과 전사 조절 메커니즘은 완전히 명확하지 않습니다. 중요한 점은 시아노박테리아의 내부 시계가 TTO 없이도 작동할 수 있다는 것입니다(시험관 내에서 볼 수 있음). 어떤 면에서 이 시계는 유명한 Belousovo-Zhabotinsky 화학 순환 반응의 생물학적 유사체이며 매우 느리게 진행됩니다.
동물의 흥미로운 점은 무엇입니까?
대부분의 사람들은 일정한 간격으로 수면과 각성 사이를 순환합니다. 20~50세 사이의 대부분의 성인은 일몰 후 4~5시간 후에 잠이 들고, 해가 뜨고 1~2시간 후에 자연적으로 깨어납니다. 주어진 개인에 대해 일정한 조건 하에서 수많은 주기에 걸쳐 깨어나는 시간을 가장 가까운 분까지 예측하는 것이 가능합니다. 그러나 일부 사람들에게는 수면/각성 리듬에 예외가 있으며, 가장 흥미로운 점은 이러한 특징이 유전되어 후손에게 전달될 수 있다는 것입니다. 예를 들어, 일부 가족은 소위 가족성 진행성 수면 단계 증후군(FASPS)을 경험합니다. 이 증후군이 있는 사람들은 대개 일몰 후 한 시간 후에 잠자리에 들고 4시쯤에는 완전히 깨어납니다. 이러한 편차는 2번 염색체의 단일 유전자 돌연변이로 인해 발생하는 것으로 밝혀졌습니다. 이 유전자를 주기 2(PER2)라고 하며, 연구된 돌연변이는 카제인 키나제 1ε의 인산화 부위에서 발생합니다. 이 돌연변이가 있으면 인산화가 불가능합니다. 따라서 인간의 수면 장애가 유전적 변화와 연관되어 있다는 사실이 처음으로 밝혀졌습니다. 그 후, 일반적인 인간 리듬 행동 조절에서 PER2의 역할이 밝혀졌고, 또한 PER2가 일주기 리듬을 담당하는 잘 연구된 동물 유전자와 상동성임이 밝혀졌으며 그 메커니즘은 이미 상당히 연구되었습니다. .
초파리와 마찬가지로 포유동물에서도 신경 세포 시계 유전자의 일주기 진동이 입증되었습니다. 일주기 리듬은 "불멸의" 섬유아세포 세포주에서도 관찰되며, 이들의 빛에 대한 적응은 살아있는 유기체 내부의 유사한 세포에서와 동일한 메커니즘으로 수행되는 것으로 보입니다. 이러한 내부 세포 리듬은 실제로 뇌(교차상핵)의 활동과 무관합니다. 실제로 간세포(간세포)의 일주기 리듬 위상은 일반적으로 시교차상핵 세포의 일주기 리듬 위상과 비교하여 이동되는 것으로 알려져 있습니다. 빛이 망막 신경절 세포에 닿으면 시교차상핵 세포가 적응하고 이 신호는 어떻게든 다른 세포로 전달되지만 간세포의 일주기 리듬은 음식 섭취와 관련된 신호에 훨씬 더 강하게 영향을 받습니다. 간 세포에는 50개 이상의 요소가 일주기 진동을 하며, 그 중 대부분은 다양한 물질의 분해 및 해독을 담당하는 요소입니다.
간, 폐, 근육, 신장 및 기타 일부 포유류 세포의 세포에서 일주기 리듬의 조절이 자체 광수용과 직접적으로 관련될 수 없다는 사실에도 불구하고(리듬은 눈의 광수용에 의해 분명히 조절됨) 일부 투명 물고기에서는 신장과 심장 세포는 조명 변화에 직접 반응할 수 있습니다.
식물, 균류, 곤충 및 척추동물의 일주기 리듬 연구는 이미 언급한 전사-번역 진동 모델(TTO)을 기반으로 합니다. 이 모델은 매우 복잡하기 때문에 인기 과학 블로그의 경우 모든 왕국 대표의 TTO에 대한 전체 텍스트를 이미 작성했음에도 불구하고 TTO와 시아노박테리아의 일주기 리듬 간의 근본적인 차이점만 공식화하겠습니다. 진핵생물. 따라서 주요 차이점은 다음과 같습니다.
- TTO에서는 유전자 발현이 리드미컬하게 변합니다.
- TTO에서 일주기 리듬은 전사 인자(유전자 발현을 변화시키는 단백질)에 의해 조절됩니다.
- 많은 유전자가 TTO에 관여합니다.
- TTO가 기능하려면 유전자가 필요한 반면, 시아노박테리아의 일주기 리듬 단백질은 DNA 없이 시험관 내에서 작동합니다.
쌀. 2 포유류 TTO 계획.
- Tan, Y., Merrow, M. & Roenneberg, Neurospora crassa의 T. 광주기성. J Biol Rhythms 19, 135-43 (2004).
- Williams, S. B. 시아노박테리아의 일주기 타이밍 메커니즘. Adv Microb Physiol 52, 229-96 (2007).
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2017년 노벨 생리의학상: 생체시계의 분자 메커니즘
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2017년 10월 2일, 노벨위원회는 2017년 노벨 생리의학상 수상자 명단을 발표했습니다. 900만 스웨덴 크로노르는 생물학적 시계의 분자 메커니즘, 즉 끝없이 반복되는 유기체 생명의 일주기 리듬을 발견한 미국 생물학자 Jeffrey C. Hall, Michael Rosbash 및 Michael W. Young이 균등하게 나누어 갖게 됩니다. 인간.
수백만 년에 걸쳐 생명체는 지구의 자전에 적응해 왔습니다. 우리가 하루 중 시간을 예측하고 이에 적응하는 내부 생물학적 시계를 가지고 있다는 것은 오랫동안 알려져 왔습니다. 저녁에는 잠들고 싶고, 아침에는 일어나고 싶습니다. 호르몬은 엄격하게 일정에 따라 혈액으로 방출되며 사람의 능력/행동(협응, 반응 속도)도 하루 중 시간에 따라 달라집니다. 그러면 이 내부 시계는 어떻게 작동합니까?
생체시계의 발견은 18세기 프랑스 천문학자 장 자크 드 메란(Jean-Jacques de Meran)이 미모사의 잎이 낮에는 태양을 향해 열려 있고 밤에는 닫히는 것을 발견한 데 기인합니다. 그는 칠흑같이 어두운 곳에 놓으면 식물이 어떻게 행동할지 궁금했습니다. 어둠 속에서도 미모사는 계획을 따랐다는 것이 밝혀졌습니다. 마치 내부 시계가있는 것처럼 보였습니다.
나중에 그러한 바이오리듬은 다른 식물, 동물, 인간에서도 발견되었습니다. 지구상의 거의 모든 생명체는 태양에 반응합니다. 일주기 리듬은 지구상의 모든 생명체의 신진 대사에 밀접하게 내장되어 있습니다. 그러나 이 메커니즘이 어떻게 작동하는지는 여전히 수수께끼로 남아 있습니다.
노벨상 수상자들은 초파리에서 일일 생물학적 리듬을 조절하는 유전자를 분리했습니다(인간과 파리는 공통 조상이 있기 때문에 많은 공통 유전자를 가지고 있습니다). 그들은 1984년에 처음으로 발견했습니다. 발견된 유전자의 이름은 기간.
유전자 기간밤에 세포에 축적되고 낮에는 파괴되는 PER 단백질을 암호화합니다. PER 단백질 농도는 일주기 리듬에 따라 24시간 단위로 달라집니다.
그런 다음 그들은 단백질의 추가 구성 요소를 확인하고 일주기 리듬의 자체 유지 세포 내 메커니즘을 완전히 밝혀냈습니다. 이 독특한 반응에서 PER 단백질은 유전자 활동을 차단합니다. 기간즉, PER은 자체 합성을 차단하지만 하루가 지나면서 점차 분해됩니다(위 다이어그램 참조). 이는 자급자족이 가능한 끝없이 반복되는 메커니즘입니다. 이는 다른 다세포 유기체에서도 동일한 원리로 작동합니다.
유전자, 상응하는 단백질, 내부 시계의 전반적인 메커니즘이 발견된 후 퍼즐의 몇 조각이 더 사라졌습니다. 과학자들은 PER 단백질이 밤에 세포핵에 축적된다는 것을 알고 있었습니다. 그들은 또한 상응하는 mRNA가 세포질에서 생성된다는 것을 알고 있었습니다. 단백질이 어떻게 세포질에서 세포핵으로 들어가는지는 명확하지 않았습니다. 1994년에 마이클 영(Michael Young)은 또 다른 유전자를 발견했습니다. 영원한, 이는 내부 시계의 정상적인 기능에도 필요한 TIM 단백질을 인코딩합니다. 그는 TIM이 PER에 부착되면 한 쌍의 단백질이 세포핵에 침투하여 유전자 활동을 차단할 수 있음을 증명했습니다. 기간, 따라서 PER 단백질 생산의 끝없는 주기가 종료됩니다.
이 메커니즘은 우리 내부 시계를 매우 정밀하게 하루 중 시간에 적응시키는 것으로 밝혀졌습니다. 이는 인간 행동, 호르몬 수준, 수면, 체온 및 신진 대사를 포함하여 신체의 다양한 중요한 기능을 조절합니다. 예를 들어, 다른 시간대에서 장거리를 여행할 때와 같이 외부 조건과 내부 생체 시계 사이에 일시적인 불일치가 있으면 사람은 기분이 좋지 않습니다. 생활 방식과 신체 시계 사이의 만성적인 불일치가 당뇨병, 비만, 암, 심혈관 질환을 비롯한 다양한 질병의 위험 증가와 관련이 있다는 증거도 있습니다.
나중에 Michael Young은 또 다른 유전자를 확인했습니다. 더블타임, 세포 내 PER 단백질의 축적을 늦추고 신체가 하루 24시간에 더 정확하게 적응할 수 있도록 하는 DBT 단백질을 암호화합니다.
이후 몇 년 동안 현재의 노벨상 수상자들은 일주기 리듬에 다른 분자 구성 요소가 관여한다는 사실을 더 자세히 밝혀냈고, 유전자 활성화에 관여하는 추가 단백질을 발견했습니다. 기간, 그리고 빛이 생물학적 시계를 외부 환경 조건과 동기화하는 데 어떻게 도움이 되는지에 대한 메커니즘도 알아냈습니다.
왼쪽부터: 마이클 로즈배쉬, 마이클 영, 제프리 홀
내부 시계 메커니즘에 대한 연구는 아직 완료되지 않았습니다. 우리는 메커니즘의 주요 부분만 알고 있습니다. 내부 시계와 일주기 리듬을 연구하는 일주기 생물학(Circadian Biology)은 빠르게 발전하는 별개의 연구 분야로 부상했습니다. 그리고 이 모든 일은 현재 세 명의 노벨상 수상자 덕분에 일어났습니다.
전문가들은 일주기 리듬의 분자 메커니즘이 노벨상을 수상할 것이라고 수년 동안 논의해 왔으며 이제 이 사건이 마침내 일어났습니다.