KAIST, 수학 모델로 불안정한 수면 사이클 원인 밝혀
수면 질환 치료의 새로운 패러다임 제시로 치료법 개발 기대

시공간적 확률론적 수리모형을 통해 시뮬레이션 된 시간에 따른 세포 내 PER 단백질의 움직임(좌)과 PER 단백질의 양(우). 인산화가 완료되지 않은 PER 단백질(주황색)이 세포핵 주위에 계속해서 응축된다(i). 이렇게 응축된 PER 단백질이 일정량 이상이 되면 함께 인산화되고 (보라색) (ii) 함께 세포핵 속으로 들어간다 (iii). KAIST 제공

시공간적 확률론적 수리모형을 통해서 시뮬레이션 된 세포 내 불순물들이 과도하게 많은 세포에서의 시간에 따른 PER 단백질의 움직임(좌)과 PER 단백질의 양(우). 세포 내 불순물 때문에 세포질 혼잡 현상이 발생한다(어두운 배경). 이로 인해 PER 단백질의 움직임이 방해를 받아 핵 주위로 인산화가 완료되지 않은 PER 단백질(주황색)은 충분히 응축되지 못한다(i). 그 결과, PER 단백질들의 인산화가 함께 일어나지 못해 세포핵 안으로 PER 단백질이 들어가는 시간이 불규칙해진다(ii 그리고 iii). 이로 인해 24시간 주기의 PER 리듬이 불안정해진다. KAIST 제공

(왼쪽부터) 김재경 교수, 김대욱 박사과정. KAIST 제공

국내외 공동 연구팀이 비만이 수면장애를 일으키는 이유를 수학적으로 밝혀냈다.

한국과학기술원(KAIST)은 수리과학과 김재경 교수와 미국 플로리다 주립대학 이주곤 교수 공동 연구팀이 비만에 의한 '세포질 혼잡'(Cytoplasmic congestion)이 24시간 생체리듬을 교란하는 원리를 규명했다고 9일 밝혔다.

인체는 지구의 자전주기인 24시간에 맞춰 정확히 생체시계인 '서캐디언 리듬'(24시간 주기 리듬·circadian rhythm)을 작동시킨다. 생체시계에 맞게 호르몬이 분비돼 체온이나 혈압, 식욕, 수면 등이 알아서 조절되는 것이다.

뇌 속 'PER 단백질'이 서캐디언 리듬을 통제하는 역할을 하는데, 12시간 동안은 증가했다가 나머지 12시간은 감소하며 24시간 주기로 변하게 된다.

12시간 동안 세포질에 쌓인 PER 단백질이 다시 세포핵 안으로 들어가 PER 유전자의 전사(transcription)를 방해함으로써 PER 양을 감소하도록 만드는 원리다.

하지만 다양한 물질이 존재하는 세포 내 환경에서 어떻게 수천 개의 PER 단백질이 한꺼번에 세포핵 안으로 들어갈 수 있는지는 생체시계 분야의 풀리지 않는 숙제로 남았다.

연구팀은 PER의 세포 내 움직임을 묘사한 시공간적·확률론적 모형을 개발해 난제를 해결했다.

PER이 핵 안으로 진입하려면 인산화가 일어나야 하는데, 이를 위해서는 핵 주변으로 PER 단백질이 충분히 모여야 한다.

하지만 비만으로 인해 지방 액포와 같은 불순물들이 세포질 내에 과도하게 많아지는 세포질 혼잡 현상이 발생하면 PER 단백질의 움직임이 방해를 받게 된다.

그 결과 PER 단백질이 핵 안으로 들어가는 시간이 불규칙해져 서캐디언 리듬이 불안정해지게 된다고 연구팀은 설명했다.

김재경 교수는 "세포질 혼잡을 유발하는 비만, 치매, 노화 등 질병이 실제로 수면 주기를 불안정하게 만들 수 있다는 것을 밝혔다"며 "수면 장애 치료에 기여할 것"이라고 말했다.

이번 연구 결과는 국제 학술지 '미국 국립과학원회보'(PNAS) 지난 10월 26일 자 온라인판에 실렸다.

송현수 기자 songh@busan.com

송현수 기자 songh@busan.com