2017년 노벨 생리의학상(Physiology and Medicine)은 사람과 동·식물의 생체 주기인 ‘서캐디안 리듬(circadian rhythm)을 연구한 미국의 제프리 홀(Jeffrey C. Hall), 마이클 로스바쉬(Michael Rosbash) 마이클 영(Michael W. Young) 박사가 수상했다. 이 학자들은 생체시계를 통제하는 분자 메커니즘을 발견해 공동 수상했다. 이들 수상자는 과일 파리를 모델 유기체로 상용해 일상적인 생물학적 리듬을 조절하는 유전자를 분리했다.

그들은 이 유전자가 밤 동안 세포에 축적되는 단백질(PER 단백질)을 암호화하고, 낮 동안에 분해된다는 사실을 규명했다. 이후 이들은 추가 단백질 구성 요소를 확인해 세포 내부의 자기 유지 시계(self-sustaining clockwork)를 지배하는 메커니즘을 노출시켰다.

대부분의 살아있는 생물들은 하루 중의 환경변화를 예상하고 그에 적응한다. 18세기의 천문학자 장 자크 도르투 드 메랑(Jean Jacques d'Ortous de Mairan)은 미모사를 관찰하던 중, 잎이 낮에는 태양을 향해 열리고 밤에는 닫힌다는 사실을 알게 되었다. 그는 "미모사를 하루 종일 깜깜한 곳에 두면 무슨 일이 일어날까?"라는 의문을 품고 실험에 착수했다.

그 결과, 미모사는 햇빛을 받든 말든 일상적인 잎의 개폐운동을 계속하는 것으로 밝혀졌다. 식물들은 자신만의 생체시계를 갖고 있는 것처럼 보였다. 다른 연구자들은, 식물뿐만 아니라 동물과 인간도 생체시계를 갖고 있어서 하루의 변화에 대응하여 생리작용을 준비하는 데 도움을 받는다는 사실을 발견했다.

그러나 생체시계가 작동하는 메커니즘은 여전히 미스터리로 남았다. 올해의 노벨상 수상자들 역시 생체시계의 작동 메커니즘을 알아낼 요량으로 초파리를 연구하고 있었다. 1984년 브랜다이스 대학교의 제프리 홀과 마이클 로스바쉬, 그리고 록펠러 대학교의 마이클 영은 period 유전자를 분리해 내는 데 성공했다.

뒤이어, 제프리 홀과 마이클 로스바쉬는 period 유전자가 코딩하는 PER 단백질을 발견하고, 그것이 밤에는 축적되고 낮에는 붕괴된다는 사실을 알아냈다. 즉, PER 단백질의 농도는 생체리듬(일주리듬)에 맞춰 24시간마다 한 번씩 주기적으로 변화하는 것으로 밝혀진 것이다.

연구진의 다음 목표는 일주진동(circadian oscillation)이 발생하고 유지되는 과정을 이해하는 것이었다. 제프리 홀과 마이클 로스바쉬는 'PER 단백질이 period 유전자의 활성을 차단한다'는 가설을 세웠다. 그리고 "PER 단백질이 억제피드백 고리(inhibitory feedback loop)를 통해 자신의 합성을 억제함으로써, 자신의 농도를 지속적·주기적으로 조절한다"고 추론했다.

그들의 모델은 멋졌지만, 퍼즐 조각이 몇 개 누락되어 있었다. (세포질에서 생성되는) PER 단백질이 period 유전자의 활성을 차단하려면, 유전자가 자리 잡고 있는 핵 속으로 진입해야 했다. 제프리 홀과 마이클 로스바쉬는 'PER 단백질이 야간에 핵 속에 축적된다'는 사실을 증명했지만, 그게 핵 속으로 들어가는 방법은 알아내지 못했다.

1994년 마이클 영은 제2의 유전자를 발견했는데, 그 이름은 timeless로서 TIM이라는 단백질(정상적인 생체리듬에 필요한 단백질)을 코딩하는 유전자였다. 그는 우아한 연구를 통해, "TIM이 PER에 결합한 다음, 두 단백질이 핵 속으로 들어가 period 유전자의 활성을 차단함으로써 억제피드백 고리를 마무리한다"는 사실을 증명했다. 마이클 영이 밝혀낸 조절피드백 메커니즘은 '세포 단백질의 농도가 주기적으로 진동하는 과정'을 설명했지만, 몇 가지 문제들이 여전히 남아있었다.

진동의 빈도를 제어하는 것은 무엇일까? 마이클은 이와 관련된 제3의 유전자를 추가로 발견했다.

그 유전자의 이름은 doubletime으로, DBT 유전자를 코딩하여 PER 단백질의 축적을 지연시키는 역할을 수행하는 것으로 밝혀졌다. DBT는 'PER의 진동이 24시간 주기에 더욱 근사(近似)하도록 조절되는 과정'에 대한 통찰력을 제공했다.

세 수상자의 발견은 패러다임을 전환시키는(paradigm-shifting) 것으로, 생체시계의 핵심적인 작동원리를 확립하는 데 크게 기여했다. 그 후 몇 년 동안 시계장치의 작동에 관여하는 다른 분자요소들이 발견되어, 생체시계의 안정성과 기능을 더욱 자세히 설명했다. 예컨대, 이번 수상자들은 period 유전자의 활성화에 필요한 단백질들을 추가로 발견하고, 빛이 생체시계와 동기화(synchronization)되는 데 필요한 단백질도 발견했다.

생체시계는 복잡한 인간 생리의 다양한 측면에 관여한다. 이제 우리는 모든 다세포생물들(인간 포함)이 유사한 메커니즘을 이용하여 생체리듬을 조절한다는 사실을 알고 있다. 우리 유전자 중 많은 부분이 생체시계에 의해 조절되므로, 생체리듬을 잘 파악해야만 우리의 생리를 하루 중 다양한 국면에 잘 적응시킬 수 있다(그림 3). 세 수상자의 중요한 발견 덕분에 일주생물학(circadian biology)이라는 광대하고 매우 역동적인 분야가 탄생하여, 우리의 건강과 웰빙에 많은 시사점을 던지고 있다.