[Chronobiology] 일주기 리듬 (Circadian Rhythmicity) (2)

일주기 리듬의 적응적 이점

 

써카디안 (circadian)이라는 용어는 circa (근방)와 dies or dian (일)에서 유래했으며, 대략 매일 일어나는 행동이나 생리의 주기적인 변화를 가리킨다. 일주기 리듬은 진화 역사 초기에 밝고 어두운, 온도, 습도의 강력한 환경 주기에 반응하여 발생한 것으로 추정된다. 일주기 시계를 가진 유기체는 정기적으로 발생하는 사건에 대해 "예측"하고 준비할 수 있기 때문에 일주기 시계를 가진 유기체는 적응적 이점을 가져야 한다. 실제로, 식물과 곤충 모두에서 이 개념을 뒷받침하는 실험적 증거가 있다.

 

기능적인 일주기 심장박동기를 갖는 이점은 포유류에서도 입증되었다. 초기 연구에서, DeCoursey는 야생 다람쥐를 포획하여 그들 중 일부를 수술했다. 그는 그들의 초열상핵 (SCN; 중심 일주기 심장박동기)을 제거한 반면, 다른 동물들은 가짜 수술을 하거나 수술을 하지 않았다. 모든 동물들은 무선 송신 장치를 받았고 수술 후 회복된 후 그들이 포획되었던 곳으로 다시 재배치되었다. 이 동물들은 최대 2년 동안 규칙적으로 추적되었고, 일주기 시계가 제대로 작동하는 동물들은 훨씬 더 생존할 가능성이 높았다. SCN 병변이 있는 동물들은 밤에 굴 밖에서 종종 발견되었기 때문에 포식의 희생자일 가능성이 더 높았다.

 

생물학적 리듬이 일주기적인 것으로 간주되려면, 그 리듬은 다음의 세 가지 기준을 모두 충족해야 한다.

 

그것은 내생적이어야 하며 (일정한 조건에서 자생적이어야 하며) 일정한 조건에서 거의 24시간의 주기 (주기 길이)를 나타내야 한다. 빛과 같은 외부 자극에 의해 갇힐 수 있어야 한다 (동기화될 수 있어야 한다). 생리적 온도의 변화에도 불구하고 동일한 기간 동안 지속되어야 하며, 이 효과는 온도 보상으로 알려져 있다.

 

첫째, 일주기 체계의 거의 24시간 주기를 주기라고 한다. 어떤 날에서 다른 날, 또는 한 개인과 다른 개인 사이의 리듬의 타이밍을 비교할 때, 리듬을 따라 편리한 기준점이 사용되고 위상이라고 불린다. 위상 기준점은 리듬의 peak, trough (또는 nadir), 시작 또는 오프셋일 수 있다. 가장 일반적으로 연구된 인간의 일주기 리듬은 일반적으로 나디르가 위상 기준으로 사용되는 핵심 체온과 분비의 시작이 일반적으로 위상 기준으로 사용되는 멜라토닌 분비이다. 일주기 리듬의 또 다른 특징은 진폭이다.

 

가상의 일주기 리듬

일정한 어두운 빛 조건에서 36시간 동안 깨어있던 건강한 24세 여성의 혈장 멜라토닌 수치의 리듬

 

해부학적 일주기 타이밍 시스템 구조

 

포유류의 일주기 타이밍 시스템은 시상하부의 SCN에 위치한 중앙 심장박동기에 의해 동기화된다. SCN은 1970년대 설치류의 외과적 병변 연구에 기초하여 포유류의 중심 심장 박동기로 인식되었으며, SCN의 절제가 휴식-활동 리듬의 패턴을 방해한다는 것을 입증했다. 후속 연구는 SCN에서 대사 주기 리듬과 전기 활동이 있으며, 이는 네트워크 특성이 아니라 개별 SCN 뉴런에서 발생한다는 것을 입증했다. SCN이 중심 심장 박동기라는 최종 증거는 호모 접합 돌연변이 동물에서 일주기를 20시간으로 줄인 햄스터에서 자발적 돌연변이가 발견된 후 확립되었다. 돌연변이에서 야생형 (또는 그 반대)으로 태아 SCN 조직을 이식한 후 SCN 절제는 휴식-활동 리듬이 회복될 수 있으며 회복된 활동 리듬의 기간은 기증자 SCN의 기간임을 보여주었다. 다른 뇌 조직을 이식해도 리듬이 회복되지 않았다.

 

빛 정보를 환경에서 초열핵 (SCN)으로 전송하고, 다시 멜라토닌이 생성되는 송과샘으로 전송하는 신경 회로

 

SCN 활동은 생체 신호를 전달하여 신체 전체의 생리적, 행동적 활동을 조정한다. 본질적인 일주기는 정확히 24시간이 아니기 때문에, 일주기 시스템은 외부 환경과 동기화된 상태를 유지하기 위해 재설정될 필요가 있다. 명암 주기에 노출되는 것은 인간을 포함한 많은 유기체의 일주기 타이밍 시스템이 자리잡는 주요 수단이다. 망막에 위치한, 본질적으로 감광성인 망막 신경절 세포가 빛에 노출될 때, 망막 시상하부를 통해 SCN으로 신호를 보낸다.

 

따라서, SCN 내의 타이밍은 외부 환경과의 동기를 유지하기 위해 약간 조정될 수 있으며, 이는 신체의 나머지 부분으로 전송된다. 이것이 일어나는 한 가지 방법은 송과샘에서 생성되는 야간 활성 호르몬인 멜라토닌의 합성을 조절하는 것이다. SCN은 척수를 통해 유도되는 간접 경로를 통해 송과샘에 침투한다. SCN은 척수의 외측 중간 세포열에 있는 전신경절 뉴런에 투영을 보내고, 이는 상경신경절의 세포와 연결된다. 거기서 세포는 송과샘에 직접 돌출된다. 이 경로를 사용하여 SCN은 속도 제한 효소인 알카일아민 N-아세틸 전이효소의 생성을 조절함으로써 멜라토닌의 합성을 조절할 수 있다. 이 시스템은 SCN에 멜라토닌 수용체의 존재에 의한 피드백 메커니즘을 포함하고 있으며, 멜라토닌 수용체의 활성을 억제한다. 본질적으로 멜라토닌의 생성은 빛에 노출됨으로써 억제된다. SCN은 또한 시상하부의 주요 수면 촉진 영역인 복측전안핵과 상호 연결되어 있다. 복측 전방 광핵의 뉴런 활동은 수면을 촉진하는 각성 시스템의 여러 구조의 활동을 억제한다.