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KAIST 김재경 교수팀, 수학 모델로 불안정한 수면 원인 밝혀내
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KAIST 김재경 교수팀, 수학 모델로 불안정한 수면 원인 밝혀내
  • 새교육정보
  • 승인 2020.11.09 18:15
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(왼쪽부터) 김재경 교수, 김대욱 박사과정© 뉴스1

(대전=뉴스1) 심영석 기자 = KAIST 수리과학과 김재경 교수 연구팀이 수학 모델을 이용해 비만, 치매, 노화가 불안정한 수면을 유발하는 원인을 밝혀냈습니다.

수면 질환 치료의 새로운 패러다임 제시로 치료법 개발에 기여할 것으로 기대됩니다.

9일 KAIST에 따르면 우리 뇌 속에 있는 생체시계(Circadian clock)는 인간이 24시간 주기에 맞춰 살아갈 수 있도록 행동과 생리 작용을 조절하는 역할을 합니다.

생체시계는 밤 9시경이 되면 우리 뇌 속에서 멜라토닌 호르몬의 분비를 유발해 일정 시간에 수면을 취할 수 있도록 하는 등 운동 능력이나 학습 능력에 이르기까지 거의 모든 생리 작용에 관여합니다.

2017년 노벨생리의학상을 수상한 마이클 영, 제프리 홀 그리고 마이클 로스바쉬 교수는 PER 단백질이 매일 일정한 시간에 세포핵 안으로 들어감을 발견했습니다.

이어 PER 유전자의 전사를 일정 시간에 스스로 억제하는 음성피드백 루프를 통해 24시간 주기의 리듬을 만드는 것이 생체시계의 핵심 원리임을 밝혔냈습니다.

하지만 다양한 물질이 존재하는 복잡한 세포 내 환경에서 어떻게 수천개의 PER 단백질이 핵 안으로 일정한 시간에 들어갈 수 있는지는 오랫동안 생체시계 분야의 난제로 남아있었습니다.

김 교수 연구팀은 난제 해결을 위해 세포 내 분자의 움직임을 묘사하는 시공간적 확률론적 모형(Spatiotemporal Stochastic model)을 자체 개발했습니다.

또, 이를 이용해 분석한 결과 PER 단백질이 세포핵 주변에서 충분히 응축돼야만 동시에 인산화돼 핵 안으로 함께 들어간다는 사실을 알아냈습니다.

김 교수팀은 또 PER 단백질의 핵 주변 응축을 방해하는 지방 액포와 같은 물질들이 세포 내에 과도하게 많아져 세포질이 혼잡해지면 인산화 스위치가 작동하지 않아 불안정한 일주기 리듬과 수면 사이클이 유발된다는 사실도 확인했습니다.

 

 

자가 음성피드백 루프에 의해서 세포 내 PER 단백질의 양은 24시간 주기로 증감한다. 이 24시간 주기의 PER 리듬이 시계 역할을 하여 수면을 포함한 우리 몸의 다양한 생리 작용의 시간을 결정한다.(사진제공: KAIST)© 뉴스1

 

 

김재경 교수팀의 수리 모델 예측은 미국 플로리다 주립대학 이주곤 교수 팀과 협업을 통해 실험으로 검증했습니다.

이어 비만·치매·노화가 세포질 혼잡을 일으킴으로써 수면 사이클의 불안정을 가져오는 핵심 요인임을 규명하는 데도 성공했습니다.

세포질 혼잡 해소가 수면 질환 치료의 핵심이기 때문에 김 교수팀의 이번 연구는 수면 질환 치료의 새로운 패러다임을 제시했다는 점에서 큰 의미가 있습니다.

김재경 교수는 "이번 연구성과를 통해 수면 질환의 새로운 치료법이 개발되기를 기대한다ˮ고 말했습니다.

KAIST 수리과학과 김대욱 박사과정이 공동 제1 저자로 참여한 이번 연구 결과는 국제 학술지 `미국국립과학원회보(PNAS)'10월26일字 온라인판에 실렸습니다.


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