수면과 性 행동 간 진화적 연결고리 발견

- 초파리 이용해 성 행동 조절 인자가 관여하는 수면조절체계 규명

 

그림 1. SPR 은 PDF 신경세포에서 발현되며 수면 조절 작용을 일으킨다. (A) SPR에 의한 수면 조절이 일어나는 뇌 신경조직을 알기 위해 스크리닝을 진행한 결과 PDF 등 생체 시계 관련 신경세포에서 SPR에 의한 수면 조절 작용이 관찰되었다. (B) SPR가 억제된 돌연변이에서 PDF 신경세포에서만 특이적으로 SPR 유전자를 회복시켰을 때 짧아진 수면 길이가 회복되었다. (C) SPR은 PDF 신경조직을 이루는 l-LNvs 신경세포들과 s-LNvs 신경세포들에서 강하게 발현됨이 확인되었다.

 

 

 

□ 국내 연구진이 초파리를 이용한 연구를 통해 성 행동 조절단백질이 수면 항상성 조절에도 관여한다는 연구결과를 내놓았다. 생식활동과 수면의 진화적 연결고리를 발견한 것으로 향후 수면질환과 불임의 관련성 이해와 관련 치료제 개발에 새로운 이론적 기반을 제시할 것으로 기대된다.

 

  o 광주과학기술원 생명과학과 김영준 교수(공동 교신저자)와 한국과학기술원 생명과학과 최준호 교수(공동 교신저자) 연구팀*이 수행한 이번 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단이 추진하는 뇌과학원천기술개발사업 및 중견연구자지원사업의 지원으로 수행되었고 연구결과는 생명과학 분야 국제학술지 플로스 바이올로지(PLoS Biology)지 온라인판 10월 21일자(현지시간)에 게재되었다.

 

* 제 1저자 : KAIST 오양균 박사(대표 1저자), GIST 윤성은 박사과정(대표 1저자)

** 논문제목 : A Homeostatic Sleep-Stabilizing Pathway in Drosophila Composed of the Sex Peptide Receptor and Its Ligand, the Myoinhibitory Peptide

 

□ 수면장애는 현대인이 겪는 큰 어려움 중 하나로 인간의 수면은 일주기 리듬* 조절과 수면 항상성** 조절을 받게 된다. 일주기 리듬에 대해서는 어느 정도 규명된 반면 수면 항상성 조절에 중요한 유전자와 신경회로는 밝혀지지 않았다. 

 

* 일주기 리듬(Circadian rhythm) : 생명체의 수면 및 각성 행동은 대략 하루를 주기로 나타나는데, 이렇듯 하루를 주기로 반복되는 생리현상의 흐름
** 수면 항상성(Sleep homeostasis) : 생명체에서 각성기간이 길어질 경우 수면요구가 늘고 임계선을 넘어 수면상태로 빠지게 되면 수면요구가 점차 감소하는 속성

 

 

 

 

 

그림 2. PDF 신경세포인 l-LNvs, s-LNvs 에 MIP을 처리할 경우 cAMP 감소 발생. (A) 신경세포에 MIP의 농도를 순차적으로 높여가며 처리했을 때 각성효과를 일으키는 PDF 신경세포인  l-LNvs에서 cAMP 감소가 발생했다. 또한, SPR이 제거된  l-LNvs에서는 MIP이 cAMP 감소를 일으키지 않았으나, SPR을 다시 회복시켰을 경우에는 MIP에 의한 cAMP 감소가 다시 관찰되었다. (B) 뇌의 각성을 조절하는 신경세포인 s-LNvs 에서도 MIP를 처리했을 때에 cAMP 감소가 관찰되었다. 

 

 

 

□ 공동연구팀은 초파리 모델을 이용해 SPR* 수용체와 신경펩타이드 결합 단백질(MIP**)로 이뤄진 신경회로가 수면 항상성 조절에 중요함을 알아내고 그 구체적인 작동원리를 밝혔다.
* SPR(Sex Peptide Receptor) : 초파리 수컷이 가진 성 펩타이드에 대한 수용체
** MIP(Myoinhibitory Peptide) : SPR를 활성화시키는 신경펩타이드

 

  o 이번 연구결과는 새로운 방식의 수면질환 치료제 개발의 실마리를 제공하는 한편 생식관련 질환과 수면질환과의 연관성에 대한 이해도 도울 것으로 기대된다. 

 

□ 연구팀에 따르면 초파리의 일주기 리듬과 수면조절에 중요한 신경회로망(PDF)에서 생성되는 SPR이 MIP에 의해 활성화되면 각성을 촉진시키는 cAMP*생성을 억제시켜 수면을 유도한다.

 

* cAMP(cyclic Adenosine Monophosphate) : 신호전달 체계에 중요한 2차 전달자로, 초파리 PDF 신경세포에서 그 양이 늘어나면 각성이 촉진되며, 반대의 경우 수면이 유도된다.

 

 

 

 

그림 3. 하루 중 MIP의 분비량 변화와 수면 억제 시 특정 MIP 분비 증가. (A) 하루 중 MIP 단백질은 낮 시간 동안 뇌에 높은 농도로 축적되어 있다가 밤 시간대에 활발한 분비가 일어나며 점차 축적량이 감소한다. 한편 DNA에서 MIP 단백질을 만들기 위해 발현된 MIP의 mRNA는 하루 동안 일정한 양이 유지된다. (B) 수면 억제시 초파리 눈 쪽에 주로 빛의 신호를 인지하는 신경회로(Me)에서의 MIP 분비가 증가하여 뇌 속의 축적량이 감소됨이 확인된다. 이외의 뇌 신경회로(MLP, DLP, SOG 등)에서의 MIP 축적량은 수면 억제시 대조군에 비해 큰 감소를 보이지 않는다.

 

 

 

그림 4. PDF 신경망에서 수면을 촉진하는 3가지 다른 신경회로의 작동을 설명하는 모델. 낮 동안 빛과 뇌의 다른 부위에서 전달된 신경신호들은 l-LNvs 신경을 자극하여 주요 각성 유도물질인 PDF를 분비하게 한다. l-LNvs 신경에서 전달된 신호는 직접 혹은 간접적으로 s-LNvs를 거쳐서 낮 동안의 각성 상태를 유도한다. 낮 동안에도 각성 상태가 지속될 경우 수면 요구도가 증가되며 이 때 MIP(LMIo) 신경에서 수면 유도물질인 MIP을 분비하며 s-LNvs를 억제함으로써 낮잠을 유도한다. 저녁이 되면 각성 신호들이 약화되고 억제성 GABA 신경과 sNPF 신호전달 체계가 각성 억제 신호를 보내 수면을 유도하고, 이 때 SPR-MIP 신호 전달 체계 역시 l-LNvs 쪽에 각성 억제 신호를 보내 수면을 유도한다.   

 

 

 

  o 김영준 교수는 “이번 연구에서 생리적 기능이 밝혀진 MIP는 밤에 집중적으로 분비되며, 잠을 재우지 않은 초파리에서 분비가 증가하는데 신경세포가 뇌의 수면요구에 반응하여 MIP의 분비를 조절하는 과정을 규명한다면 미제로 남아 있는 인간의 수면항상성 조절 메커니즘의 원리를 밝힐 수 있을 것”이라고 밝혔다.

 

□ 한편 이번 연구결과는 2008년 김영준 교수 연구팀이 네이처지를 통해 초파리 암컷의 산란과 교미행동을 조절하는 핵심 수용체인 SPR 수용체를 보고하고 이어 2010년 미학술원회보에 SPR수용체가 뇌에도 존재하고, MIP라는 신경펩타이드에 의해 활성화될 수 있다고 밝힌 연구의 후속 연구 결과이다.     <끝>

 

 

 

한국연구재단