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학술웨비나 - 연구성과
수리 모델을 이용한 초파리 생체시계 뉴런의 역설적 성질 규명 [Proc. Natl. Acad. Sci. USA.]
정의민
 일시 
   2022년 7월 6일 (수) 오후 2시 (한국시간)
 연사 
   정의민 (KAIST)
세미나 개요
생체시계(Circadian clock)는 생명체가 하루 24시간 주기로 살아가도록 행동과 생리작용을 조절한다. 2017년 노벨생리의학상을 수상한 마이클 영, 제프리 홀 그리고 마이클 로스바쉬 교수는 생체 시계를 구성하는 핵심 단백질인 PERIOD (PER)이 24시간 주기의 리듬을 생성하는 원리를 밝혀냈다. 즉, PER의 유전자에 CLOCK (CLK) 단백질이 붙어 PER 유전자를 전사 (Transcription)하면 PER 단백질이 세포질에서 축적되다가 세포 핵 안으로 들어가 스스로 PER 유전자의 전사를 방해함으로써 PER 단백질의 양을 감소 시킨다.

초파리의 생체시계 뉴런들 역시 이런 방식으로 동일하게 생체리듬을 조절하는 것으로 알려져 왔다. 그러나 초파리의 생체시계 뉴런들은 서로 다른 역할을 하는 마스터 뉴런과 슬레이브 뉴런으로 구성되어있고 이러한 뉴런 간의 역할 차이는 뉴런 간의 이질성이 있음을 암시한다.

본 연구에서는 초파리의 CLK 단백질에 변이가 생겼을 때, 마스터 뉴런과 슬레이브 뉴런의 PER 단백질 양이 다르게 변화하는 점에 착안하였고 이러한 변화양상을 분석하여 1000개의 수리 모델을 개발하였다. 또한, 이 모델들의 공통 패턴을 분석하여 슬레이브 뉴런에 비해 마스터 뉴런의 CLK 단백질 양이 적고 PER 단백질의 합성과 분해 속도가 빠름을 보였다.

이런 독특한 분자적 성질 덕분에 마스터 뉴런은 평소에 강한 PER 리듬을 생성해서 안정적인 시계 역할을 할 수 있고, 그러다 시차와 같은 외부 환경 변화가 일어났을 때는 빠르게 적응할 수 있음을 가상 시뮬레이션을 통해 예측하였다. 이러한 마스터 뉴런의 성질에 관한 수리 모델링 예측은 아주대학교 김은영 교수 팀과의 협업을 통해 초파리 생체 실험으로 검증되었다. 이는 생체시계가 어떻게 안정성과 유연성이라는 역설적인 두가지 성질을 가질 수 있는지를 규명한다.

생체시계, 수리 모델링, 초파리
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관련논문 보기
Systematic modeling-driven experiments identify distinct molecular clockworks underlying hierarchically organized pacemaker neurons
Proc. Natl. Acad. Sci. USA, February 22, 2022, 119 (8) e2113403119 | https://doi.org/10.1073/pnas.2113403119
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