단지 몇시간의 수면을 취하고도 쌩쌩하고 능률적인 사람들을 미워할 필요는 없을 것이다. 왜냐하면 그들 자신들도 어쩔수 없기 때문이다. 새로이 발표된 연구에 따르면 유전적인 변형이 왜 이런 사람들이 잠을 조금 잘 수 밖에 없는지에 대한 설명을 할 수 있을 것으로 보인다.
과학자들은 다른 사람은 12시간을 자야 하는데 왜 어떤 사람들은 하루에 4시간만 자도 쌩쌩한지 그 이유를 정확히 알지 못하였다. 미국 미주리주 새인트루이스에 있는 워싱턴대학 (University of Washington in St. Louis)의 신경생물학자인 Paul Shaw박사는 이러한 현상은 단지 유전자에 문제가 있을 것이라고 지적한 바 있다. 그러나, 과학자들은 최근에 와서야 어떤 유전자가 이에 관여하는지 밝혀냈다.
2001년에 유전학자인 Ying-Hui Fu와 동료들은 familial advanced sleep-phase syndrome (FASPS)의 원인이 되는 것으로 보이는 Per2 유전자의 변형을 동정하는데 성공하였다. 이 유전자의 변형을 가지고 있는 사람들은 정상적으로 8시간의 수면을 취하지만 일반인들보다 좀 더 일찍 잠자리에 드는데 보통 저녁 6-7시에 잠자리에 들었다가 새벽 3-4시에 일어난다. 현재 미국 캘리포니아에 있는 스탠포드대학 (Stanford University)에 있는 Fu박사는 “우리가 이 연구를 발표한 이후 수면 이상을 가진 많은 사람들이 우리를 찾아왔습니다. 그래서 연구진은 DNA 샘플을 모으기 시작하여 지금은 60 가정 이상의 유전자 정보를 보유하고 있습니다.” 라고 말한다.
연구진은 수면 패턴에 영향을 줄 수 있는 더 많은 유전자 변형에 대한 유전 정보를 수집하였다. 2005년에 연구진은 FASPS와 관련이 있는 또 다른 유전자 변형을 발견하였다. 이번 연구에서는 인간에서 잠자리에 들고 나는 시간보다 수면 패턴에 영향을 끼치는 유전자 변형을 처음으로 발견하였다. 인체내에서 수면과 기상 주기를 조절하는 내부 생체 시계인 circadian rhythm을 조절하는 몇몇의 유전자의 발현을 막을 수 있는 단백질에 관여된 DEC2 유전자의 변형이다. 이 유전자의 변형은 모녀 사이인 두명에게만 나타났는데 이 엄마와 딸은 평균적으로 6.25시간의 수면을 취하는 반면 가족의 다른 사람들은 전형적으로 8시간의 수면을 취하였다. 이 연구는 8월14일자 Science 저널에 발표되었다 (“The transcriptional repressor DEC2 regulates sleep length in mammals”, Science, 325, 866).
연구진은 이 유전자의 변형이 수면시간을 단축하는 것과 관련이 있는지 확인하기 위하여 DEC2 유전자의 변형을 가진 생쥐 모델을 만들었다. 유전자 변형 생쥐는 정상 생쥐보다 1시간 적게 잠을 잤고 초파리를 통한 실험에서는 유전자 변형 초파리는 정상 초파리보다 2시간 적게 잠을 잤다.
DEC2 유전자 변형이 짧은 수면 시간의 문제를 모두 설명하는 것은 아닌 것 같다. Shaw교수는 수면과 관련있는 유전자의 조절은 복잡하고 다양한 유전자들이 포함된 것 같다고 언급한다. 하지만 이 연구 자체도 아주 중요한 발견이라고 말한다. 이 연구로 수면 이상을 치료할 수 있는 더 나은 치료 방법을 개발할 수 있을 것으로 기대된다. 예를 들어 DEC2 유전자 변형 형태를 약물로 이용 가능하게 되면 Fu 교수는 복용할 거라고 말하며 스스로는 항상 잠을 덜 자기를 바란다고 덧붙였다.
고혈압을 치료하는데 사용하는 몇 가지 의약품이 노인들에게 일어나는 기억력 감퇴와 인식 저하를 막을 수 있다는 연구 결과가 보고되었다.
미국 과학자들은 엔지오텐신-변환 효소인 ACE(Angiotensin-Converting Eenzyme) 저해제로 분류되는 의약품 중 몇 가지 약제가, 치매의 주요 원인인 알츠하이머 질환의 발달과 관련이 있는 염증을 줄일 수 있음을 발견했다. 연구팀이 사용한 ACE 저해제들은 뇌혈류장벽(BBB)을 통과해 뇌에 영향을 줄 수 있는 것들이다. 이번 연구 결과는 Archives of Internal Medicine에 보고되었다.
“고혈압은 알츠하이머 질환과 혈관성 치매에 중요한 위험 인자다”며 이번 연구의 교신 저자인 Kaycee Sink 박사는 말한다. “이번 연구 결과는 모든 혈액제제들이 고혈압이 있는 환자의 치매 위험성을 줄일 때 똑같은 효과를 보이는 것은 아니다”고 박사는 덧붙인다.
치매(dementia)라는 용어는 일반적으로 뇌 기능을 상실한 뇌 상태를 기술하는데 사용한다. 치매가 일어나는 원인은 여러 가지가 있지만, 알츠하이머 질환과 뇌졸증이 가장 일반적이다. 치매에 걸린 사람들은 기억력을 잃어버리며 정상적인 활동을 하는데 필요한 사고를 할 수 없는데 문제가 있다. 미국의 경우 2050년까지 치매에 걸릴 사람은 1천 3백만 명으로 늘어날 것으로 추정된다.
고혈압은 모든 형태의 치매로 발전하는데 주요하게 기여한다. 고혈압이 있는 미국 성인 3명 중 1명이 ACE 저해제를 사용한다. ACE 저해제 중에 뇌혈관장벽을 통과할 수 있는 약제를 ‘”centrally-acting”이라고 알려져 있으며, captropril(Capoten), fosinopril(Monopril), Lisinopril(Prinivil or Zestri), perindopril(Aceon), ramipril(Altace), trandolapril(Mavik)들이 이에 속한다.
연구팀은 미국 4개 주의 65세 이상 노인을 대상으로, 심장 혈관에 위험 가능성이 있는 5,888명을 장기간 연구한 결과를 분석했다. 연구팀은 일반적으로 ACE 저해제을 사용했을 때 치매 발전과 인식 감소 정도를 조사했다. 또한 고혈압 치료를 받았지만, 치매가 없는 1,074명의 사례도 함께 조사했다. 연구팀은 다른 종류의 항-고혈압제제를 사용한 것과 비교해서, ACE 저해제 사용과 치매 위험성과는 아무런 관련이 없다는 것을 발견했다. 하지만 centrally-active ACE 저해제를 사용했을 때는 상당한 효과가 있음을 발견했다.
연구팀은 centrally-active ACE 저해제 사용이 기억력 감소를 줄일 수 있음을 ‘기억, 언어, 축약된 사고 및 인식 기능을 평가하는 시험’을 통해 확인했다고 말한다. 연구팀은 centrally-active ACE 저해제를 사용한 경우는 다른 고혈압제를 사용했을 때와 비교할 때, 평균 65%가 인식 기능 저하가 줄었다고 보고했다.
연구팀은 또한 centrally-active ACE 저해제가 아닌 의약품을 사용한 경우는 치매 위험성이 높아졌고, 일상 생활을 하는데 더욱 어렵게 된다는 것을 발견했다. 특히 뇌혈관장벽을 통과하지 못하는 ACE 저해제를 3년동안 사용했던 사람의 경우, 다른 고혈압제제를 사용했던 것보다 73% 더 치매로 발전할 가능성이 높았다고 말했다.
아침 식사의 종류에 따라 학생들의 집중도, 기억력이 달라진다는 연구 결과가 나왔다. 잡곡밥이나 보리밥, 또는 설탕이 적은 시리얼처럼 당지수가 낮은 음식을 먹은 학생들은 당지수가 높은 흰 쌀밥이나 흰 빵을 먹은 학생보다 공부를 더 잘하게 된다는 연구 결과다.
영국 런던킹스칼리지 영양과학부 카트리나 캠벨 박사 팀은 아침 식사로 당지수가 낮은 시리얼을 먹는 학생과, 당지수가 높은 흰 빵 또는 포도당 음료를 먹은 학생, 그리고 아침을 거르는 학생 세 그룹을 4일 동안 비교했다.
그 결과, 통밀빵, 시리얼 등을 먹은 학생은 흰빵을 먹은 학생보다 집중력과 기억력이 더 좋았다. 당지수 낮은 아침이 학생들에게 도움을 주는 것은 뇌의 연료 역할을 하는 당분의 지속적으로 천천히 공급되기 때문이다. 당지수가 높은 음식은 혈당을 급히 올리기 때문에 뇌에 지속적으로 에너지를 공급하는 능력이 떨어진다.
아침을 먹지 않는 학생은 단어를 외우는 능력이 떨어졌고, 심지어 큰 소리로 책 읽는 능력도 부족했다. 이 밖에 시지각 능력, 공간 기억력, 언어적 유창함, 학업 수행능력이 모두 뒤쳐졌다.
당지수는 음식을 먹은 뒤 혈당이 올라가는 정도를 수치화 한 것으로, 55 이하면 당지수가 낮고, 56~69이면 중간, 70 이상이면 높다고 분류된다.
학생이 무언가를 배우면서 정확하게 답을 맞췄을 때 “잘했다”고 칭찬해 주면 더욱 학습 효과가 올라가는 것으로 확인돼 있다. 그간 이러한 ‘당근 전략’이 효과를 내는 과정은 정확히 알려지지 않았지만 독일 막스플랑크 연구소의 뇌 실험을 통해 그 과정이 일부 밝혀졌다.
이 연구소의 부르크하르트 플레거 박사 팀은 보상 효과가 정말로 학습 효과를 올려 주는지를 실험하기 위해 사람들의 집게 손가락에 전극을 부착하고 앞뒤로 각기 다른 전압의 전기를 흘려 주면서 “어느 쪽의 전압이 더 높으냐”고 물었다. 실험 참여자가 정답을 맞추면 참여자 앞에 설치된 컴퓨터 화면에는 상금이 표시됐으며, 상금 액수는 그때그때 달라졌다.
그러자 성공했을 때 보상을 받은 사람일수록 더욱 정확하게 전압 차이를 알아맞혔다. 연구진은 이런 결과를 “학습 능력뿐 아니라 몸을 통한 감각정보의 획득 능력도 보상을 해 주면 더 좋아진다”고 정리했다.
연구진은 이러한 ‘당근 효과’가 뇌의 보상 담당 부위의 정부가 뇌 속의 신경전달물질 도파민을 통해 뇌의 인식 담당 부위로 전달되기 때문이라는 가설을 세우고 두 번째 실험을 했다. 이번에는 실험 참여자를 세 그룹으로 나눠 첫 그룹은 도파민을 늘리는 ‘레보도파’ 주사를, 두 번째 그룹은 도파민 활동을 방해하는 주사를, 그리고 세 번째 그룹은 가짜약을 각각 주사 맞았다.
그리고 앞서와 동일한 전압 차이 발견 실험을 한 결과 도파민 증진 그룹은 성적이 아주 좋아졌고 가짜약 그룹도 어느 정도 좋아졌지만, 도파민 방해 주사를 맞은 두 번째 그룹은 성적이 전혀 나아지지 않았다. 도파민 활동이 방해를 받으면 당근 전략의 효과가 나타나지 않는다는 결과였다.
이런 연구 결과는 앞으로 뇌중풍 환자의 뇌기능 개선 치료과정에서 도파민을 늘리는 약물이 활용될 수 있는 가능성은 물론, 도파민을 이용해 ‘공부 잘 하는 약’이 개발될 수 있는 가능성을 연 것으로 평가된다.
이 연구 결과는 ‘공공과학도서관 생물학 저널(PLoS Biology)’ 최신호에 소개됐으며 미국 온라인 과학뉴스 사이언스 데일리, 이사이언스 뉴스 등이 27일 보도했다.학생이 무언가를 배우면서 정확하게 답을 맞췄을 때 “잘했다”고 칭찬해 주면 더욱 학습 효과가 올라가는 것으로 확인돼 있다. 그간 이러한 ‘당근 전략’이 효과를 내는 과정은 정확히 알려지지 않았지만 독일 막스플랑크 연구소의 뇌 실험을 통해 그 과정이 일부 밝혀졌다.
이 연구소의 부르크하르트 플레거 박사 팀은 보상 효과가 정말로 학습 효과를 올려 주는지를 실험하기 위해 사람들의 집게 손가락에 전극을 부착하고 앞뒤로 각기 다른 전압의 전기를 흘려 주면서 “어느 쪽의 전압이 더 높으냐”고 물었다. 실험 참여자가 정답을 맞추면 참여자 앞에 설치된 컴퓨터 화면에는 상금이 표시됐으며, 상금 액수는 그때그때 달라졌다.
그러자 성공했을 때 보상을 받은 사람일수록 더욱 정확하게 전압 차이를 알아맞혔다. 연구진은 이런 결과를 “학습 능력뿐 아니라 몸을 통한 감각정보의 획득 능력도 보상을 해 주면 더 좋아진다”고 정리했다.
연구진은 이러한 ‘당근 효과’가 뇌의 보상 담당 부위의 정부가 뇌 속의 신경전달물질 도파민을 통해 뇌의 인식 담당 부위로 전달되기 때문이라는 가설을 세우고 두 번째 실험을 했다. 이번에는 실험 참여자를 세 그룹으로 나눠 첫 그룹은 도파민을 늘리는 ‘레보도파’ 주사를, 두 번째 그룹은 도파민 활동을 방해하는 주사를, 그리고 세 번째 그룹은 가짜약을 각각 주사 맞았다.
그리고 앞서와 동일한 전압 차이 발견 실험을 한 결과 도파민 증진 그룹은 성적이 아주 좋아졌고 가짜약 그룹도 어느 정도 좋아졌지만, 도파민 방해 주사를 맞은 두 번째 그룹은 성적이 전혀 나아지지 않았다. 도파민 활동이 방해를 받으면 당근 전략의 효과가 나타나지 않는다는 결과였다.
이런 연구 결과는 앞으로 뇌중풍 환자의 뇌기능 개선 치료과정에서 도파민을 늘리는 약물이 활용될 수 있는 가능성은 물론, 도파민을 이용해 ‘공부 잘 하는 약’이 개발될 수 있는 가능성을 연 것으로 평가된다.
이 연구 결과는 ‘공공과학도서관 생물학 저널(PLoS Biology)’ 최신호에 소개됐으며 미국 온라인 과학뉴스 사이언스 데일리, 이사이언스 뉴스 등이 27일 보도했다.
잠을 자야 두뇌 능력이 좋아진다는 사실은 이미 알려졌지만, 특히 창의적 문제 해결을 위해서는 꿈을 꿀 정도로 깊은 잠을 자야 한다는 연구 결과가 나왔다.
미국 캘리포니아주립대 사라 메드닉 교수 팀은 잠과 창의성 사이의 관계를 확인하기 위해 사람들이 얕은 잠을 잔 뒤, 깊은 잠을 잔 뒤, 오전에 깨어 있을 때, 잠을 자지 않고 잠시 휴식을 취한 뒤 등 네 단계에서 각기 어느 정도의 능력을 보이는지를 실험했다.
실험 방법은 서로 연관성이 없는 듯 보이는 세 단어를 주면 그 연관성을 찾는 ‘연상 단어 찾기’ 게임이었다. 예컨대 쿠키, 하트, 열 여섯 살이란 세 단어를 주면 ‘달콤하다’란 단어를 연상해 내는 능력을 측정하는 방법이다.
REM 수면 때만 창의성 40% 높아져
연구진은 실험 참가자들에게 연상 단어 찾기 게임을 시킨 뒤 잠을 재우거나 휴식을 취하도록 했다. 그리고 다시 게임을 해 수면 또는 휴식이 문제 푸는 능력을 얼마나 향상시키는지 측정했다. 그 결과 오직 깊은 잠을 잔 그룹만이 성적이 40%나 향상되는 놀라운 결과를 보여 줬다. 다른 세 그룹은 잠을 자거나 휴식을 취한 뒤 전혀 능력이 나아지지 않았다.
이런 결과에 대해 연구진은 “깊은 잠을 자야 뇌의 각 부분이 연결되면서 기존에 입력된 여러 정보를 토대로 전혀 새로운 해답을 내놓은 창의성이 발휘되는 것 같다”는 해석을 내렸다. 깊은 잠이 주는 이러한 ‘뇌 여러 부위의 연결 능력’은 단순히 휴식을 취하거나 얕은 잠을 자는 것으로는 주어지지 않는다는 결론이다. 이 실험에서 깊은 잠이란 ‘렘(REM) 수면’이라 불리는 단계로, 눈동자가 빠르게 움직이면서 주로 꿈을 꾸는 단계다.
연구진은 잠을 자지 않고도 단지 조용한 상태에서 완전한 휴식을 취하는 것만으로 창의성이 높아지는지를 확인하기 위해 한 그룹을 조용한 방에서 말 없이 쉬도록 했다. 그러나 창의성은 전혀 나아지지 않았다.
이 연구 결과는 미국 ‘국립과학원 회보(PNAS)’ 온라인 판 6월호에 게재됐으며 과학 논문 소개 사이트 유레칼러트 등이 8일 보도했다.
잠이 정서 및 감정에 대한 기억을 조절하는데 중요한 역할을 한다는 연구결과가 나왔다. 잠은 감정적인 기억들을 선택해 기억 보호자 역할을 수행하며 어떤 경험 후 바로 잠을 자면 그 효과가 두드러져 4개월 동안 기억이 지속될 수 있다는 결론이다.
미국 하버드대의대 제시카 페인 박사 팀은 18~22세 대학생 44명을 대상으로 특색이 없는 배경에 아무런 감정이 들지 않은 대상이나 부정적인 감정이 드는 대상이 나오는 장면을 보게 했다. 24시간이 지난 후 장면과 대상에 대한 기억을 테스트 했다.
연구진은 임의로 두 그룹으로 나누어 절반은 ‘자기 전 테스트’ 그룹으로 오후 7~9시 사이에 장면 기억 훈련과 테스트를 받게 했고, 나머지 절반은 ‘일어난 후 테스트’ 그룹으로 아침 9~11시에 장면 기억 훈련과 테스트를 받게 했다. 그리고 대상자들은 4개월이 지난 후 다시 기억 테스트를 받았다.
그 결과 ‘자기 전 테스트’ 그룹이 ‘일어난 후 테스트’ 그룹보다 부정적인 대상을 더 잘 기억했다. 부정적인 것과 관련된 배경은 ‘자기 전 테스트’ 그룹이 기억을 더 못했다. 부정적인 대상에 대한 기억은 ‘자기 전 테스트’ 그룹이 더 잘 기억했고, 배경은 ‘일어난 후 테스트’ 그룹이 더 잘 기억한 것. 잠자기 전에는 전체 배경보다는 대상에 대한 구체적인 기억을 더 잘 한다는 것을 의미한다.
이러한 현상은 4개월이 지나서도 이어졌는데 ‘잠자기 전 테스트’ 그룹에서만 대상에 대한 정서적 기억을 비교적 상세히 유지하고 있었다. 이는 무언가를 알아낸 뒤에 바로 잠을 자는 것이 24시간 혹은 3~4개월이 지나도 대상에 대한 기억을 유지 할 수 있음을 가리킨다.
페인 박사는 “잠자는 동안 뇌는 경험에서 가장 중요한 것이 무엇인지 선택해서 오랜 시간 저장한다”며 “화학 및 생리심리학적인 관점에서 잠은 자기 직전에 일어난 짧은 경험적 인식을 더욱 잘 기억하게 만든다”고 설명했다. 그는 또 “우리가 시간이 지날수록 습득되는 일련의 사건들에 대해 잘 기억해내지 못하고 애매모호해질 때 잠을 잘 잠으로써 최고의 기억을 유지할 수 있을 것”이라고 말했다.
이 연구결과는 미국 시애틀에서 열린 ‘제 23회 2009 수면(SLEEP) 학술대회’에서 최근 발표됐으며, 미국 과학논문소개 사이트 유레칼러트, 온라인과학뉴스 사이언스데일리 등이 12일 소개했다.
사람들 머리 속에는 미국의 유명한 여성 방송인 오프라 윈프리를 기억하는 신경세포(뉴런)가 따로 있다는 연구 결과가 나왔다. 영국인을 대상으로 한 이 연구에서 사람들은 오프라뿐 아니라 제니퍼 애니스톤, 할리 베리, 사담 후세인 같은 유명 인사들을 기억하는 각기 다른 뉴런을 갖고 있는 것으로 밝혀졌다. 한국인으로 치자면 김태희 담당 뉴런, 송혜교 담당 뉴런이 따로 있다는 것이다.
영국 레스터대학 생물공학과의 로드리고 쿼로가 교수 팀은 실험 참여자들에게 유명인사에 대한 정보를 세 가지 방식으로 전달하면서 뇌 반응을 관찰했다. 세 방식은 연예인 사진 보여 주기(이미지), 이름 글자를 보여 주기(언어), 이름을 소리로 들려 주기(청각)였다.
각기 다른 자극이기 때문에 뇌의 시각 또는 청각 담당 부위가 먼저 활성화됐지만 곧 이어 뇌 속 한 뉴런에 ‘불이 켜지는’ 모습이 관찰됐다. 전달되는 정보 형태는 달라도 오프라 윈프리에 대한 정보는 뇌 속 한 뉴런으로 모인다는 증거였다.
이번 발견은 사람이 추상적 정보를 기억하는 방식을 밝혔다는 데 의미가 있다. 예컨대 연예인 송혜교라면 그녀의 사진이나 동영상의 세세한 내용은 곧 잊어버려도 그녀와 비슷한 사진만 봐도 “어, 송혜교”라고 알아차린다는 것이다.
사람뿐 아니라 추상적 기억도 이런 식으로 저장되는 것으로 보인다고 연구진은 밝혔다. 어떤 사상이나 주장에 대해 문구 하나하나는 잊어버려도 주요 내용은 머리 속에 추상적 형태로 남기 때문이다.
쿼로가 교수는 실험 참가자들의 뇌에서 그를 담당하는 뉴런이 생기는 모습도 관찰했다고 밝혔다. 실험 참가자들은 그를 몰랐기 때문에 처음에 “쿼로가”라는 이름을 불러줘도 활성화되는 뉴런이 없었지만 2, 3일이 지나면서 서로 알게 되자 “쿼로가”라고 불러 주면 뇌 속 한 뉴런이 활성화됐다는 것이다.
쿼로가 교수는 “각 개인에 대한 추상적 기억은 뇌 해마(Hippocampus)의 한 뉴런이 담당하는 것으로 확인됐다”고 말했다.
이 연구 결과는 14일 ‘현대 생물학(Current Biology)’ 온라인 판에 실렸으며 미국 과학논문 소개사이트 유레칼러트, 온라인 과학신문 사이언스데일리 등이 26일 보도했다.
생체 내에서 일어나고 있는 생명 현상을 정확하게 이해하기 위해 형광 단백질을 이용한 형광 표지 기술이 진보하고 있다. 세포에 형광 단백질 자체를 도입하거나 형광 단백질을 발현하는 유전자를 DNA에 도입하여, 암 등의 질병이나 뇌신경의 활동을 확인함으로써 병의 치료나 예방 등 임상 현장에도 성과를 가져오기 시작했다. 그러나, 생명의 설계도로 기능하는 DNA나 생명 현상에 대해 중요한 역할을 담당하는 RNA의 기능을 직접 관찰하는 것은 아직도 실현되지 못한 큰 과제가 되고 있다.
이에, 일본 이화학연구소 기간 연구소 오카모토 독립 주간 연구단(基幹?究所岡本?立主幹?究ユニット)은 특정 배열을 가지는 핵산(DNA나 RNA)을 인식하고 결합했을 경우에 한해, 형광을 발하는 인공 핵산을 개발해, 살아있는 세포 안에서의 RNA의 행동을 실시간으로 관찰하는 것에 성공했다.
세포 기능을 알기 위해서, 지금까지 수많은 형광 단백질이 개발되어 왔다. 이러한 형광 단백질은 관찰하고 싶은 세포 내 분자와 융합해, 그 분자가 산 세포 내에서의 거동을 형광 신호로서 나타내는 것으로, 세포내의 다양한 생명 현상의 해명에 공헌해 왔다. 그러나, 분자 사이즈가 작은 RNA를 형광 단백질로 형광 표지 하는 것은 어려운 일이었다. 연구팀은 여기자 상호작용(?起子相互作用)이라고 하는 색소 회합체 특유의 기능을 가지고 있는 유기 형광 분자에 주목하고, 그 기능을 가지는 인공 핵산을 제작했다. 이 인공 핵산은 표적으로 하는 RNA 등의 핵산을 인식하고 결합했을 경우 형광을 발해, 단일 사슬 DNA나 mRNA 뿐만 아니라, 약 20개의 염기로 이루어진 마이크로 RNA의 형광 검출도 가능하다. 인공 핵산은 결합이 이루어지지 않으면 형광이 사라지기 때문에, 형광의 on/off 를 자유자재로 제어할 수 있다. 또한, 표적으로 하는 핵산 배열을 자유롭게 선택해 인공 핵산을 설계, 제작할 수 있기에, 복수의 형광색 활용이 가능하기 때문에, 복수의 핵산의 움직임을 동시에 관찰할 수 있다. 연구팀은 12색의 형광 색소를 도입하여 청색에서 적색에 이르는 12 종류의 인공 핵산을 제작해, 사람 자궁경부암 유래의 배양 세포 안에 있는 RNA의 움직임을 실시간 관찰하는 것에 성공했으며, 초록이나 노랑, 빨강 등의 형광을 발하는 복수의 형광 분자를 사용해, 복수의 RNA를 동시에 관찰할 수 있었다.
이 연구 성과는 시험관 내에서의 핵산의 해석에 유용할 뿐만이 아니라, 세포의 분화 등 세포 기능을 결정하는 역할을 가진다고 여겨지는 RNA의 움직임을 살아있는 세포를 사용해 관찰할 수가 있기 때문에, 폭넓은 분야에의 파급효과가 기대된다.
본 연구의 성과는 독일의 과학 잡지인 「Angewandte Chemie International Edition」온라인판(7월 22일자)에 게재된다.
※ 여기자상호작용(?起子相互作用) 몇 개의 형광 색소로 복수의 분자가 집합해 평행형 회합체(H 회합체)를 형성하면 작은 빛을 나타내는 현상. 이것은, 색소의 쌍극자의 배향에 근거하는 여기 궤도의 분열에 기인한다. H 회합체의 경우, 분열한 여기 궤도 중 상위가 허용 천이, 하위가 금제 천이가 된다. 색소는 상위 궤도에의 보고 여기(?起)되므로, 흡수스펙트럼의 단파장 이동이 관찰된다. 그 여기 상 태는 에너지적으로 안정인 하위 궤도에 신속하게 천이한 후, 거기로부터 기저 상태에 돌아 온다. 그러나, 그 과정은 형광을 수반하지 않는 방열계(放熱系)이므로, 형광 발광은 생기지 않는다.
※ 그림 1) 표적 핵산과 결합하면 형광을 발하는 인공 핵산 그림 4) 세포 내 RNA의 멀티 칼라 라이브 셀 이메징 (a) 세포에 인공적으로 도입한 3 종류의 마이크로 RNA. (b) 혼합 용액으로서 세포에 현미경하주사법 한, 다른 표적을 인식하는 3 종류의 형광 인공 핵산. (c)(a)의 마이크로 RNA를 도입한 각 세포의 핵에, (b)의 3 종류의 인공 핵산을 현미경하주사법 했다. 무슨 색의 형광을 발하고 있을까를 보고 헤아리는 것에 의해, 그 세포가 가지는 마이크로 RNA의 종류를 식별할 수가 있다. (i) 컨트롤의 세포, (ii) miR-20을 많이 포함한 세포, (iii) miR-17을 많이 포함한 세포, (iv) miR-30을 많이 포함한 세포, (v) miR-17, 20,30의 3 종류 모든 것을 많이 포함한 세포.
미국 과학자들이 사람의 폐 세포 같은 생물 시료나 공기 중에 노출된 아주 적은 양의 오존과 반응해서 밝은 녹색을 발하는 형광 물질을 개발했다. Nature Chemistry에 보고된 이번 연구 결과는 오존이 인체에 미치는 효과나 사람의 면역 시스템에서의 역할을 밝히는데 사용될 수 있을 것으로 기대된다. 현재 사용되고 있는 탐침은 습도, 반응성 있는 산소 물질, 납이나 팔라듐, 백금 같은 대기 물질에 잘못 반응할 수 있다.
연구 책임자인 Kazunori Koide (Pitt’s School of Arts and Sciences) 교수는 “우리가 공기를 들어 마실 때, 오존도 들어 마시는데, 폐에 얼마나 깊이 오존이 침투하는지 몸에 어떤 효과를 주는지 알지 못한다”고 말한다. “오존에 민감한 호흡기 질환을 앓고 있는 환자들이나 오존에 노출되는 작업장에서 일하는 사람들을 모니터링 할 때 이번에 개발된 방법은 빠르게, 그리고 사람들에게 안정한 정도가 얼마 만큼인지 알 수 있다. 특히 이번에 개발한 물질은 특히 오존에 민감해서 잘못된 결론을 얻을 가능성이 희박하다”고 덧붙였다.
연구팀의 탐지 방법은 작은 분자를 기반으로 한 것으로 보통 증류한 물에 첨가한 것이다. 오존은 오존화라고 불리는 과정을 통해 탐침과 반응하고, 유기 물질인 알데히드를 만들어 낸다. 알데히드는 베타 제거라고 알려진 또 다른 반응이 일어나는데, 이것을 통해 밝은 녹색의 형광 빛을 발한다. 연구팀은 형광 용액은 오존과 접촉이 일어나면 30분 안에 빛을 발한다고 말한다.
실내와 실외 오염물질인 오전은 폐를 자극할 수 있는 데, 천식이나 기관지염, 또는 낭포성 섬유증으로 고생하는 사람들에게 특히 그렇다. 오존은 특정한 전기 기기나 농도가 높은 오염 물질과 반응하면서 생성된다. Koide 박사팀은 실내와 실외 환경의 오존 수준을 쉽게 측정할 수 있는 방법을 찾았다. 연구팀은 사람들이 탐침을 포함하고 있는 배지를 착용할 수 있다고 말한다. 오존을 방출하는 복사기와 레이저 프린터가 놓인 밀폐된 사무실에서 형광 물질을 코팅한 스트립(strip)을 8시간 동안 놓아두거나, 자외선 빛에 노출했을 때 방에 있는 오존 농도를 밝힐 수 있다고 말한다. 연구팀은 교통량이 많은 지역에 8시간을 놓아두면, 실외의 오존을 탐지할 수 있다고 말한다.
탐침은 사람의 폐 유동체와 혈청에 오존의 생의학 가능성을 조사하는데도 사용될 수 있다. 오존에 노출된 시료에 레이저 빛을 조사하면 밝게 빛나는데, 이것은 이번에 개발한 형광 탐침이 생물 시료에도 사용될 수 있음을 보여주는 것이다. 연구팀은 오존이 풍부한 공기 속에서 5분 동안 처리한 폐 세포에서 형광을 관찰할 수 있었다며, 이것은 오존이 세포막을 투과할 수 있음을 보여주는 것이라고 말했다.
생물 시스템에서 탐침을 성공적으로 사용할 수 있으면 오존과 관련된 의학 질문을 밝혀내는데 도움이 될 수 있다고 연구팀은 말했다. 예를 들면 백혈구 세포가 염증이나 박테리아 감염과 싸울 때 오존을 내놓느냐 하는 것이 그것이다. 기존 방법들은 감도가 좋지 못해 이런 질문에 답을 하지 못했다.
또 다른 문제는 오존의 몸에 침투했을 때와 그것의 부수 효과에 대한 것이다. 연구팀은 오존이 세포에 영향을 미친다는 것을 관찰했지만, 다른 연구에서는 오존의 반감기가 너무 짧아 세포에 영향을 미치지 못한다고 보고된 바 있다. 연구팀은 오존이 세포를 따라 오존이 움직이는 것을 추적할 수 있음을 보였고, 이것은 세포 내에서의 분자 활성에 대한 통찰을 제공할 것이라고 말했다.
[그림] 오존과 반응하면 형광을 발하는 물질
원문정보: Garner et al. Nature Chemistry, 2009, 1, pp. 316-321 “Specific fluorogenic probes for ozone in biological and atmospheric samples.”
비만은 인슐린저항성을 유발하는 가장 중요한 인자로 알려져 있지만, 비만과 인슐린저항성을 연결짓는 메커니즘은 아직 명확하게 밝혀져 있지 않다. 소크 생물학연구(Salk Institute for Biological Studies)의 연구진은 Nature 6월 21일호(온라인판)에 기고한 논문에서, 양자(兩者) 사이에 존재하는 갭(gap)을 메꿀 수 있는 연구결과를 발표하였다. 연구진에 의하면, 고지방식으로 인하여 유도되는 ER 스트레스(endoplasmic reticulum stress)가 간의 당신생(gluconeogenesis) 기능을 교란하고, 이것이 인슐린저항성 발생의 중요한 원인으로 작용하게 된다고 한다. 이는 비만과 인슐린저항성 간의 연결고리를 확립함으로써 2형당뇨의 예방 및 치료법을 개발하는 데 기여할 것으로 보인다.
건강한 사람의 경우 공복시에 혈당수준이 떨어지면 췌장의 글루카곤이 `공복스위치`(fasting switch)를 작동시켜 간에서 포도당 생성을 시작하게 된다. 이에 반하여 비만은 당신생작용을 부적절하게 불활성화시켜 인슐린저항성을 촉진하는 것으로 알려져 있다. 그러나 모든 비만 환자가 인슐린저항성으로 이행하는 것은 아니며, 날씬한 사람들 가운데서도 인슐린저항성이 발생할 수 있다. 따라서 연구진은 `공복으로 인해 유도되는 당신생`(fasting-induced glucose production)이 인슐린저항성의 발생과정을 모두 설명해 주는 것이 아니라는 생각을 갖게 되었다.
세포가 스트레스를 느끼면 빨간 신호등이 켜져 단백질의 생성을 지연시키게 되는데, 이것을 ER 스트레스라고 한다. 비만 환자의 경우 ER 스트레스가 비정상적으로 활성화되어 있기 때문에, 의학자들은 ER 스트레스가 인슐린저항성을 초래한다고 생각하고 있다. 그러나 ER 스트레스가 직접적으로 당신생프로그램을 조절하는지는 분명치 않다. 연구진은 "비만환자의 만성 ER 스트레스가 `공복스위치`를 비정상적으로 작동시킬 것"이라는 가설을 설정하였다. 연구진은 이 가설을 검증하기 위하여, 야윈 마우스를 대상으로 하여 ER 스트레스가 당신생을 유도하는지를 테스트하였다.
연구진이 마우스에게 ER 스트레스를 유발한 결과, CRTC2(CREB regulated transcription coactivator 2)가 핵 안으로 이동하더라도 당신생작용을 활성화시키지 못하는 것으로 나타났다. 오히려 CRTC2는 스트레스에 대항하는 유전자를 활성화시켜 세포를 건강한 상태로 회복시키는 것으로 나타났다. [포도당 생성은 CRTC2라는 스위치(전사인자)에 의해 시작된다. CRTC2는 평소에는 핵 외부에 존재하면서, `핵 안으로 들어가 작업을 시작하라`는 신호를 기다리고 있다. 일단 핵 안으로 들어간 CRTC2는 CREB라는 단백질과 팀을 이루어 포도당 생성을 증가시키는 데 필요한 유전자를 활성화시킨다. 그러나 인슐린저항성 모델마우스의 경우 CRTC2 스위치가 항상 ON 위치에 고정되어 포도당을 과잉생성하게 된다.]
심층분석 결과, CRTC2는 CREB에 결합하는 것이 아니라, ATF6α(activating transcription factor 6α)에 결합하며, 더욱이 CREB와 ATF6α는 CRTC2와 결합하기 위해 서로 경쟁을 벌이는 것으로 확인되었다. 이상의 연구결과를 종합하면, 급성 ER 스트레스는 세포를 생존모드(survival mode)에 들어가게 하고, 생존모드에 있는 세포는 포도당 생성을 자동으로 중단시킴으로써 에너지를 절약하는 것으로 보인다. 연구진은 한 걸음 더 나아가, "비만에 의해 발생하는 만성적 ER 스트레스가 ATF6α에 어떠한 영향을 미칠까?"라는 의문을 갖게 되었다. 후속연구 결과 ER 스트레스가 만성적으로 활성화되면 ATF6α의 수준이 떨어지고, 이것이 세포의 생존경로를 저해하여 포도당생성 경로를 활성화시키는 것으로 밝혀졌다. 연구진이 RNAi를 이용하여 간의 ATF6α를 감소시킨 결과 간의 포도당 생성이 증가하는 것으로 확인되었다.
연구진은 이상의 연구결과를 종합하여 다음과 같은 결론을 내렸다: "CRCT2는 「ER 스트레스」와 「공복신호」를 감지하는 이중 센서(dual sensor)이다. 급성 ER 스트레스는 CRCT2의 탈인산화와 핵내 이동(nuclear entry)을 초래하고, 이는 ATF6α와 합세하여 - 非폴딩 단백질반응(UPR: unfolded protein response)의 일환으로서 - ER 품질관리유전자(ER quality control genes)의 발현을 촉진한다. ATF6α는 그밖에도 CREB-CRCT2의 상호작용을 방해하여 간의 포도당 생성을 감소시키는 역할을 한다. 그러나 만성 ER 스트레스는 ATF6α의 발현을 감소시켜 간의 포도당 생성을 증가시킨다."고 연구진은 말했다.
이번 연구는 ER 스트레스와 공복경로가 전사보조인자의 수준에서 상호작용함으로써 당의 항상성에 기여한다는 것을 의미하며, 비만 환자가 당뇨병에 걸릴 위험이 높은 이유를 설명해 준다. 즉, 비만으로 인하여 ER 스트레스가 만성화되면 당신생경로가 활성화되어 고혈당을 초래한다는 것이다. 이는 비만과 인슐린저항성 간의 연결고리를 확립함으로써 2형당뇨의 예방 및 치료법을 개발하는 데 기여할 것으로 보인다.
SOURCE: The CREB coactivator CRTC2 links hepatic ER stress and fasting gluconeogenesis, Nature advance online publication 21 June 2009.
그간 컴퓨터와의 얄팍한 관계 속에서 느낀바 있어
이제 진짜 블로거로써도 한번 살아보고 싶은 네오
하지만 딱히 글쓰는 재주는 없고
그렇다고 박학다식하지도 않으며,
또 주관이 뚜렷한 것도 아니라서
줄 곧 불펌 나르기만 해왔기에..
할 줄 아는 거라곤 그나마 전공이지 않을까
전공으로 뭐 하나 해 볼 순 없을까
결국 얄팍한 지식의 깊이도 들어나겠지만..
한번 건들여 봐?
