활동일 주기
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1. 개요
활동일 주기는 약 24시간을 주기로 반복되는 생체 리듬을 의미하며, 다양한 생명체의 생리적, 행동적 활동에 관여한다. 4세기부터 관찰된 일주기 리듬은 외부 자극과 독립적인 내재적 현상으로, 빛, 온도, 유전자 등의 영향을 받으며, 식물, 동물 모두에게 나타난다. 일주기 리듬은 수면, 섭식, 호르몬 분비 등 다양한 생체 활동을 조절하며, 유전자 및 분자 메커니즘 연구를 통해 그 중요성이 밝혀졌다. 일주기 리듬의 교란은 건강에 부정적인 영향을 미칠 수 있으며, 교대 근무, 시차 부적응, 실내 조명 등이 주요 원인으로 작용한다. 일주기 의학은 질병 치료에 일주기 리듬을 활용하며, 사회적으로도 수면 건강에 대한 관심이 높아지고 있다.
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| 활동일 주기 | |
|---|---|
| 개요 | |
| 이름 | 활동일 주기 |
| 설명 | 대략 24시간마다 반복되는 자연적인 내부 과정으로, 수면-각성 주기를 조절한다. |
| 어원 | 라틴어 'circa' (대략) 라틴어 'dies' (날) |
| 상세 정보 | |
| 특징 | 생체 시계와 밀접하게 연관됨. 동물, 식물, 균류, 시아노박테리아 등 대부분의 생명체에서 관찰됨. |
| 주요 영향 요인 | 빛 온도 |
| Zeitgeber (차이트게버, 시간 제공자) | 생체 시계를 환경적 신호와 동기화시키는 외부 신호 (예: 빛, 온도) |
| 관련 연구 | 대사 과정의 시간적 구조 연구 질병 및 건강에 미치는 영향 연구 |
| 관련 용어 | |
| 생체 시계 | 생체 내에서 주기적인 생리적 변화를 조절하는 내부 시계 |
| 수면-각성 주기 | 하루 동안의 수면과 각성 패턴 |
2. 역사
기원전 4세기경, 알렉산드로스 대왕 휘하의 선장이었던 안드로스테네스와 테오프라스토스는 타마린드 나무의 잎이 낮 동안 움직이는 것을 관찰했다.[5][6]
일주기 리듬은 다음 세 가지 기준으로 정의할 수 있다.[164]
일주기 리듬은 진화상 가장 오래된 세포에 기원을 두며, 낮 동안의 유해한 자외선으로부터 DNA 복제를 보호하기 위해 획득한 기능으로 추정된다.[165] 그 결과, 복제는 밤에 이루어지게 되었다. 현존하는 붉은빵 곰팡이는 이러한 시계 제어된 복제 기구를 유지하고 있다.
식물의 일주기 리듬은 식물에게 계절과 꽃가루받이를 위해 곤충을 유인할 수 있는 최적의 시기를 알려준다. 일주기 리듬을 보이는 행동에는 잎의 움직임(야행성 굴성), 성장, 발아, 기공을 통한 기체 교환, 효소 활성, 광합성 작용, 향기 방출 등이 있다.[58] 이러한 생체 리듬은 주로 빛을 이용하며, 식물 내부에서 발생하고, 독립적이며, 주변 온도에 관계없이 일정하다. 식물의 생체 리듬은 전사 과정에서의 피드백 루프, PAS 단백질의 존재, 서로 다른 빛 조건에서 시계를 미세하게 조절하는 광수용기로 특징지어진다. 환경 변화를 예측하는 것은 식물이 생리적 상태를 변화시켜 적응하는 데 유리하게 작용한다.[59]
인간을 포함한 동물에서 24시간 주기의 생체 리듬은 수면과 섭식에 관여하며, 체온, 뇌파 활동, 호르몬 생성, 세포 재생 등 다양한 생물학적 활동 패턴에도 영향을 미친다. 광주기성은 동물의 생리적 반응에 중요한 역할을 하며, 생체 시계 시스템은 낮의 길이를 측정하고 해석하는 데 중요한 기능을 한다.
18세기 프랑스 과학자 장 자크 도르투 드 메이랑은 미모사 푸디카라는 식물이 지속적인 어둠 속에서도 24시간 주기로 잎이 움직이는 것을 발견했다.[173][8][9] 이는 일주기 리듬이 외부 자극과 독립적인 내재적 현상임을 처음으로 제시한 것이다.
19세기 후반, 오귀스탱 피라뮈 드 캉돌은 미모사의 잎 움직임 주기가 불규칙한 조명 조건에서 20-28시간으로 변화함을 관찰하였다.[174]
20세기 초, 꿀벌의 규칙적인 먹이 활동 시간에 대한 관찰이 이루어졌고,[12] 1935년에는 한스 칼무스와 에르빈 뷔닝이 초파리에서 일주기 리듬의 존재를 독립적으로 발견하였다.[13][14]
1954년, 콜린 피텐드리는 초파리의 우화 ( 번데기가 성충으로 변하는 과정)가 일주기 리듬을 따르며, 온도가 낮아지면 우화 주기가 지연됨을 입증하였다.[15][14]
1959년, 프란츠 할버그가 "circadian rhythm(일주기 리듬)"이라는 용어를 처음으로 사용하였다.[16]
1971년, 론 코놉카와 세이모어 벤저는 초파리에서 최초의 시계 돌연변이를 확인하고, 행동 리듬의 최초 유전자 결정인자인 "period" (''per'') 유전자를 명명했다.[20]
1994년, 조셉 타카하시는 쥐를 사용하여 최초의 포유류 일주기 시계 돌연변이 (''clockΔ19'')를 발견하였다.[26][27]
2017년, 제프리 C. 홀, 마이클 W. 영, 마이클 로스바쉬는 "일주기 리듬을 제어하는 분자 메커니즘 발견"으로 노벨 생리학·의학상을 수상하였다.[25]
3. 정의
# 그 리듬이 항상성 상태(예: 지속적인 암흑 상태)에서도 약 24시간의 주기를 지속한다.
# 그 리듬의 주기가 빛 펄스나 어둠 펄스에 의해 재설정된다.
# 그 리듬이 온도 보상성을 가지고 있다. 즉, 일정 범위 내의 온도에서 주기가 변하지 않는다.
생체 리듬이 일주기성이라고 불리기 위해서는 다음 세 가지 일반적인 기준을 충족해야 한다:[32]
# '''리듬은 약 24시간 지속되는 내인성 자유 주기 시간을 갖는다.''' 리듬은 일정 조건, 즉, 지속적인 암흑 상태에서 약 24시간 주기로 지속된다. 일정 조건에서의 리듬 주기는 자유 주기라고 하며 그리스 문자 τ(타우)로 표시한다. 이 기준의 근거는 일주기 리듬을 일상적인 외부 신호에 대한 단순한 반응과 구별하기 위한 것이다. 리듬은 외부의 주기적인 입력이 없는 조건에서 테스트되고 지속되지 않는다면 내인성이라고 할 수 없다. 주행성 동물(낮 시간에 활동)의 경우 일반적으로 τ는 24시간보다 약간 더 크며, 야행성 동물(밤에 활동)의 경우 일반적으로 τ는 24시간보다 짧다.
# '''리듬은 동조 가능하다.''' 리듬은 외부 자극(빛과 열 등)에 노출되어 재설정될 수 있으며, 이 과정을 동조라고 한다. 리듬을 동조하는 데 사용되는 외부 자극을 자이트게버, 즉 "시간 제공자"라고 한다. 시간대를 이동하는 것은 인간 생체 시계가 현지 시간에 적응하는 능력을 보여준다. 사람은 일반적으로 일주기 시계가 현지 시간과 동기화되기 전까지 시차를 경험하게 된다.
# '''리듬은 온도 보상을 나타낸다.''' 다시 말해, 생리적 온도 범위 내에서 일주기적 주기를 유지한다. 많은 유기체는 광범위한 온도에서 살아가며, 열 에너지의 차이는 그들의 세포 내 모든 분자 과정의 동역학에 영향을 미친다. 시간을 추적하기 위해, 유기체의 일주기 시계는 변화하는 동역학에도 불구하고 대략 24시간의 주기를 유지해야 하는데, 이를 온도 보상이라고 한다. Q10 온도 계수는 이러한 보상 효과를 측정하는 척도이다. Q10 계수가 온도가 증가함에 따라 약 1을 유지한다면, 리듬은 온도 보상된 것으로 간주된다.
"일주기"라는 용어는 1959년 프란츠 할버그에 의해 만들어졌다.[16] 영어의 circadian rhythm은 라틴어의 "약, 대략"을 의미하는 circala와 "날"을 의미하는 diesla에서 유래했다. 즉, "대략 하루"라는 의미이다.
1977년, 국제 연대기 학회의 명명법에 관한 국제 위원회는 공식적으로 다음과 같은 정의를 채택했다.
4. 기원
현재 알려진 가장 단순한 일주기 리듬을 가진 생물은 진정세균의 시아노박테리아(cyanobacteria)이다. 최근 연구에서는 시아노박테리아(''Synechococcus elongatus'')의 일주기 리듬이 핵심 단백질(KaiA, KaiB, KaiC)만으로 시험관 내에서 재구성될 수 있음이 증명되었다.[165] 이 시계는 ATP를 공급하면 22시간 리듬을 며칠 동안 지속할 수 있다. 이전에는 일주기 리듬이 DNA의 전사 번역 피드백 루프 기구에 기반한다고 여겨졌지만, 이 연구를 통해 반드시 그렇지는 않다는 것이 밝혀졌다. 그러나 이 가설은 진핵생물에서는 여전히 유효하다고 여겨진다. 진정세균과 진핵생물의 일주기 리듬은 유사한 기본 구조(입력 - 중심 진동체 - 출력)를 가지고 있지만, 이것들을 구성하는 단백질에는 상동성이 전혀 없다. 이는 각각 독립적인 기원을 가지고 있음을 시사한다.
5. 식물의 일주기 리듬
생체 시계는 빛, 온도, 영양 상태와 같은 외부 요인에 의해 조절된다. 빛은 다양한 광수용기에 의해 인식된다. 붉은빛이나 푸른빛은 각각 피토크롬과 크립토크롬을 통해 흡수된다. 특히 크립토크롬(cry) 유전자는 빛에 의해 일주기 리듬에 관여하는 중요한 요인 중 하나이다. 크립토크롬 1-2는 모든 빛에 대해 시계의 주기를 유지시켜준다.[58][59]
일주기 리듬이 독립적으로 일어나는데 주로 작용하는 요인은 CCA1, LHY, 그리고 TOC1이라는 유전자들이다. 일반적으로 CCA1과 LHY가 아침에 작용한다면, TOC1은 이른 저녁에 작용한다. CCA1과 LHY의 발현과 TOC1의 발현은 서로 음성적인 피드백 관계에 있다.[59]
6. 동물의 일주기 리듬
리듬은 명암 주기에 연결되어 있으며, 장기간 완전한 암흑 상태에 놓인 동물들은 결국 자유 주행 리듬으로 기능하게 된다. 이때 수면 주기는 내인성 주기에 따라 매일 뒤로 또는 앞으로 밀려난다. 환경적 단서는 매일 리듬을 재설정하는 역할을 하며, 이를 자이트게버(Zeitgebers)라고 부른다.[49] 시각을 잃은 지하 포유류도 외부 자극 없이 내인성 시계를 유지할 수 있다.[50]
최근 연구는 우주선 환경 설계에도 영향을 미쳤는데, 명암 주기를 모방하는 시스템이 우주 비행사에게 유익한 것으로 밝혀졌다.[52] 광선 요법은 수면 장애 치료법으로 시도되기도 한다.
1962년 독일의 위르겐 아쇼프(Jürgen Aschoff)는 스스로 빛을 차단한 상태에서 약 1주일을 보냈는데, 인간의 일주기 리듬은 수면-각성, 심부 체온, 요중 스테로이드 호르몬 등이 모두 24시간보다 주기가 길고 25시간에 가까운 것으로 나타났다.[161] 그러나 이후의 연구에서 다양한 실험 조건이 시도되었고, 인간 각자의 일주기 리듬은 다르지만, 평균적으로 24시간 10분으로 나타났다.[162][163]
1970년 아서 T. 윈프리(Arthur T. Winfree)는 초파리에서 "싱귤래리티 현상"(강한 빛으로 일주기 리듬이 일시적으로 흐트러지는 현상)을 확인한 이후, 다양한 생물에서 일주기 리듬의 이상이 관찰되고 있다. 밤샘으로 인한 불면이나 항공기 이동으로 생기는 시차 증후군 완화에 "강한 빛이 효과적"이라는 것은 널리 알려져 있는데, 이러한 발생 메커니즘을 세포 수준의 실증 실험으로 증명했다.[166]
6. 1. 극지방 동물
트롬쇠 대학교의 노르웨이 연구원들은 일부 북극 동물(흰꼬리수리, 순록 등)이 매일 해가 뜨고 지는 시기에는 일주기 리듬을 보인다는 것을 밝혀냈다. 북위 70도에 위치한 순록에 대한 한 연구에서, 가을, 겨울, 봄에는 일주기 리듬을 보였지만 여름에는 그렇지 않았다. 스발바르 제도의 북위 78도에 있는 순록은 가을과 봄에만 그러한 리듬을 보였다. 연구원들은 다른 북극 동물들도 여름의 백야와 겨울의 영구적인 어둠 속에서는 일주기 리듬을 보이지 않을 수 있다고 추측한다.[53]
2006년 알래스카 북부의 연구에서는 낮에 활동하는 땅다람쥐와 야행성 호저가 82일 밤낮으로 햇빛이 내리쬐는 동안에도 일주기 리듬을 엄격하게 유지하는 것으로 나타났다. 연구원들은 이 두 설치류가 하루에 한 번씩 태양과 지평선 사이의 겉보기 거리가 가장 짧다는 것을 알아차리고, 이를 통해 조절하는 충분한 신호를 얻는다고 추측한다.[54]
6. 2. 나비와 나방
북미 동부 제왕나비(*Danaus plexippus*)의 가을 이동은 멕시코 중부의 월동지로 이동하는데, 이는 안테나의 일주기 시계에 의존하는 시간 보상형 태양 나침반을 사용한다.[55][56] 일주기 리듬은 또한 ''Spodoptera littoralis''와 같은 특정 나방 종의 짝짓기 행동을 제어하는 것으로 알려져 있는데, 암컷이 밤에 짝짓기를 유도하기 위해 수컷의 일주기 리듬을 유인하고 재설정하는 특정 페로몬을 생성한다.[57]
6. 3. 생체 리듬의 기작 (포유류)
포유류에서 생체 시계 유지에 가장 중요한 역할을 하는 것은 시상하부에 위치한 시각교차 위핵(SCN)이다.[181] 1990년에 햄스터를 이용한 실험에서 SCN에 일간 주기를 조절하는 인자가 있다는 사실이 입증되었다.[182] SCN이 제 기능을 하지 못하면 규칙적인 수면과 기상에 관련된 리듬이 완전히 사라진다.
SCN은 눈을 통해 빛에 대한 정보를 받는다. 망막은 시각에 관여하는 일반적인 광수용기뿐만 아니라 광 민감성을 가지는 신경절 세포(photosensitive ganglion cells)를 포함한다. 이 세포들은 멜라놉신이라는 광수용체를 포함하고 있으며 이를 통해 빛을 인지한다. 인지된 빛은 망막시상하부로를 통해 SCN으로 전달되어 생체 리듬에 영향을 미친다. 즉, SCN은 망막으로부터 낮과 밤의 길이에 대한 정보를 받아들이며 이를 해석하고 시상하부에 있는 송과선으로 신호를 보낸다. 송과샘에서는 멜라토닌을 분비하는데 밤에는 최고에 도달하고 낮에는 분비량이 감소한다. 즉, 멜라토닌이 밤의 길이에 대한 정보를 제공한다고 할 수 있다.
6. 4. 일주기 생체 주기 측정 상태 지표
일반적인 생체 리듬의 주기를 측정하기 위한 상태 지표는 다음과 같다.[183]
멜라토닌은 낮 시간 동안에는 거의 나타나지 않는다. 저녁 9시경에 멜라토닌 분비가 시작되는데(dim-light melatonin onset, DLMO), 이는 혈액이나 침에서 측정할 수 있으며, 생체 리듬의 지표로 사용되어 왔다. 하지만 최근 연구에서는 멜라토닌이 사라지는 시점을 측정하는 것이 더 신뢰할 만한 지표로 제시되고 있다. 한 연구에서는 멜라토닌 상태 지표가 체온보다 수면 시기와 더 안정적인 상관관계를 가진다고 밝혀졌다. 수면에서 깨어나는 것과 멜라토닌 분비가 멈추는 것이 잠드는 것을 측정하는 것보다 다양한 상태 지표들과 더 높은 상관관계를 보였다. 또한 멜라토닌 수치가 감소하는 상태는 멜라토닌 생성이 중지되는 것을 측정하는 것보다 더 안정적인 지표가 될 수 있다.[184] 멜라토닌 생성이 제거되는 것을 측정하는 또 다른 방법은 아침 소변에서 멜라토닌 대사 작용으로 생성된 aMT6s (melationin metabolite 6-sulphatoxymelatonin)를 측정하는 것이다. 이 방법을 통해 건강한 청소년에게서 생체 리듬 주기가 늦춰지는 현상이 종종 발견되었다.[185]
멜라토닌 외에 정상적인 사람의 체내 일간 주기는 범위가 넓은데, 성인을 기준으로 보통 습관적으로 깨어나기 2시간 전인 새벽 5시경에 체온이 가장 낮아지는 것을 이용하여 생체 시간을 측정한다. 부신피질의 혈장 수준이 최대가 되는 시기를 측정하는 것 또한 생체 시간 측정의 지표로 이용된다. 하지만 위의 세 가지 방식으로 생체 주기를 측정하여 비교한 연구 결과에서는 멜라토닌 측정이 다른 두 가지 지표보다 상당히 신뢰할 수 있다고 보았다.[183]
7. 빛과 생체 리듬
빛은 활동일 주기 리듬에 가장 큰 영향을 주는 자이트게버(Zeitgeber)이다. 동물들은 외부의 영향을 받지 않고 자체 내에서 생기는 리듬을 유지하는데, 이를 자유가동(free-running)이라고 한다. 빛은 위상 반응 곡선(PRC)에 따라 생체 시계를 재조정한다. 시점에 따라 빛은 생체 주기를 더 빠르게 하거나 늦춤으로써 24시간의 주기를 맞출 수 있다.[187]
빛의 세기뿐만 아니라 빛의 파장(색)도 체내 시계의 동조에 영향을 미친다. 멜라놉신은 연구에 따라 조금씩 다르지만 푸른빛의 일부인 420-440nm의 빛에서 가장 효과적으로 자극을 받는다.[190]
8. 생체 시계의 분자 요인
시아노박테리아에서 발견된 kai 유전자(kaiA, kaiB, kaiC)는 생체 리듬에 관여하는 핵심 유전자이다. kaiA는 아침에 발현되어 다른 두 유전자의 발현을 유도하며, 이들 유전자 간의 피드백 모델을 통해 생체 리듬을 유지한다.[192]
초파리에서는 ''period'' (''per'') 유전자가 최초로 발견되었는데, 이 유전자의 변이가 일주기 리듬에 이상을 초래한다는 사실이 밝혀졌다.[193] 햄스터에서는 ''tau'' 유전자가 발견되었는데, 이 유전자에 변이가 생기면 일주기 리듬이 짧아진다.[194]
Period(PER) 유전자와 그 단백질의 역할에 대한 연구가 계속되었고, 쥐에서는 ''clock'' 유전자가 발견되었다. clock(CLK)은 '일간주기 운동 출력 체계가 파손된 유전자(Circadian Locomotor Output Cycles Kaput)'라는 의미이다.[195] 포유류에서는 ''cry'' 유전자와 ''per'' 유전자가 다이머(dimer)를 형성하고 분해됨으로써 분자 시계의 자동 조절 음성 피드백 회로를 구성하여 일주기 리듬을 유지한다.[197]
9. 사람의 일주기 리듬
인간의 실제 생체 리듬은 지구의 24시간보다 미세하게 짧거나 길 수 있다. 최근 연구에 따르면 평균적으로 성인의 생체 주기는 24시간보다 약간 더 긴 것으로 나타났다. 하버드 대학교 연구진은 인간이 최소 23.5시간에서 최대 24.65시간 주기를 가질 수 있음을 밝혀냈다.[198] 1999년 하버드 대학교의 연구에서는 인간의 자연적인 리듬이 24시간 11분에 더 가깝다고 추정했다.[87] 2010년의 연구에서는 여성의 생체 리듬 주기가 남성보다 약간 짧은 것으로 나타났지만, 이러한 차이의 근본적인 생물학적 메커니즘은 알려지지 않았다.[88]
1729년 프랑스 과학자 장 자크 도르투 드 메이랑은 식물 미모사의 잎이 외부 자극이 없는 상태에서도 약 24시간 주기로 움직이는 것을 관찰했다. 1962년 독일의 위르겐 아쇼프는 인간의 일주기 리듬이 수면-각성, 심부 체온, 요중 스테로이드 호르몬 등에서 모두 25시간에 가까운 주기를 보인다는 것을 발견했다. 그러나 이후 연구에서는 인간의 일주기 리듬이 평균적으로 24시간 10분으로 나타났다.
생체 리듬과 관련된 유전적 질병으로는 가족성 수면 위상 전진 증후군(FASPS)과 지연성 수면위상 증후군(DSPS)이 언급된다. (하위 섹션에서 더 자세히 다룬다.)
9. 1. 생체 리듬 이상에 의한 유전적 질병
가족성 전진성 수면위상 증후군(FASPS)은 일반적인 수면/기상 사이클이 정상인보다 3~4시간 짧게 나타나는 유전성 질환이다. 따라서 FASPS 환자는 저녁 7시 이후에 잠이 들고 새벽에 기상하게 된다. 이 장애는 대체로 2번 염색체 상의 ''Per2'' 유전자에 돌연변이가 발견된다.[199] 이 유전자에서 발현되는 hPer2 단백질의 이상은 일간주기 리듬의 길이를 유지하는 과정을 방해한다. 그러나 FASPS를 앓는 사람들이 모두 이 유전자에 이상을 가진 것은 아니며, 나머지 사람들의 경우에는 멜라토닌 리듬과 관계 있는 유전자들이 관여했을 수도 있는 것으로 보인다.[199]불면증으로 인해 원하는 시간에 잠들거나 깨어나지 못하고 항상 과도한 졸음에 시달리는 사람들도 있는데, 이는 지연성 수면위상 증후군 (DSPS)이다.[200] 이 증후군의 원인은 정확히 알려진 것은 없으나 FASPS와 같이 일간주기 리듬 위상이 지속적으로 이상이 생겨 나타나는 것으로 보인다. 그러나 청소년기에 DSPS가 나타나는 경우 10대를 벗어나면서 자연스럽게 극복되는 경우도 있으므로,[201] 유전적인 원인에 의한 FASPS와는 다르게 접근해야 한다.
10. 일주기 리듬과 건강
계절성 정서 장애(SAD)는 가을이나 겨울에 우울증 증상이 나타났다가 봄이 되면 호전되는 질환이다. 이는 인간의 일간주기 속도조정자가 계절에 따른 낮 길이 변화를 감지하는 능력을 보존하고 있음을 보여준다.
시차증은 시차가 큰 지역으로 여행할 때 생체 리듬이 현지와 동조하지 못해 발생하는 혼란 상태이다. 시차증은 판단 능력, 의사소통 능력, 기억력, 주의력 등에 큰 영향을 미칠 수 있다. 일반적으로 동쪽에서 서쪽으로 이동할 때보다 서쪽에서 동쪽으로 이동할 때 시차증이 더 심하게 나타난다.[202] 시교차상핵(SCN)은 비교적 빨리 적응하지만, 다른 기관들은 더 오래 걸리기 때문에 시차증이 위험할 수 있다. 특히 간은 주기가 변화하기까지 2주 가까운 시간이 걸린다.[203]
빛에 동조하지 못하거나 일주기 생체 리듬을 맞추지 못하는 경우 멜라토닌을 이용하기도 한다. 그러나 멜라토닌을 부적절한 시간에 투여하면 오히려 생체 리듬이 더 파괴될 수 있다.[204]
심박수 및 산화 스트레스, 세포 대사, 면역 및 염증 반응,[92] 후성 유전 변형, 저산소증/고산소증 반응 경로, 소포체 스트레스, 자가 포식 및 줄기 세포 환경 조절을 포함한 많은 세포 과정[93]이 일주기 리듬에 따라 발생한다.
장기적인 리듬의 혼란은 신체 건강을 심각하게 악화시킨다. 특히 심혈관 질환을 발생시키거나 악화시킨다. 세계보건기구(WHO)의 국제 암 연구소는 시차 증후군을 포함하여 일주기 리듬을 교란하는 교대 근무・심야 근무 등을 "사람에게 발암성이 있을 가능성이 있음"으로 분류했다.[171] 일주기 리듬 교란은 전립선암, 유방암, 폐암, 대장암, 간암, 췌장암, 난소암 등의 암 발생 위험 증가와 관련이 있다는 연구 결과가 발표되었다.[172]
10. 1. 일주기 리듬 교란의 원인
실내 조명의 경우, 생체 리듬 조절에 필요한 조건은 시각을 위한 조건과 동일하지 않으며, 사무실 및 기관의 실내 조명 계획은 이를 고려하기 시작했다.[121] 특히 파란색 LED 조명은 오렌지-노란색 고압 나트륨(HPS) 조명보다 멜라토닌 생성을 5배 더 억제하며, 백색광인 메탈 할라이드 램프는 HPS보다 3배 이상 멜라토닌을 억제한다.[123] 장기간 야간 조명 노출로 인한 우울증 증상은 정상적인 수면 주기로 돌아가면 회복될 수 있다.[124]미국 교통 안전 위원회(NTSB)는 항공기 조종사의 업무 특성상, 하루에 여러 시간대와 햇빛과 어둠이 교차하는 지역을 넘나들며, 낮과 밤 모두 깨어 있는 시간을 많이 보내기 때문에 자연적인 인간의 생체 시계에 해당하는 수면 패턴을 유지하기 어려워 피로로 이어질 수 있다고 지적했다.[125]
동물과 인간을 대상으로 한 연구에 따르면, 일주기 시스템과 약물 남용 사이에는 주요한 양방향 관계가 있으며, 약물 남용은 중추 일주기 조율기에 영향을 미치는 것으로 나타났다. 약물 사용 장애가 있는 개인은 리듬이 파괴된 모습을 보이며, 이러한 파괴된 리듬은 약물 남용 및 재발 위험을 증가시킬 수 있다. 정상적인 수면-각성 주기에 대한 유전적 및/또는 환경적 교란은 중독에 대한 감수성을 증가시킬 수 있다.[127]
알코올 섭취는 일주기 리듬을 방해한다. 급성 알코올 섭취는 멜라토닌과 코르티솔 수치, 핵심 체온에 용량 의존적인 변화를 일으키며 다음날 아침에 정상화되지만, 만성 알코올 사용은 알코올 사용 장애(AUD) 및 금단 증상과 관련된 더 심각하고 지속적인 교란을 유발한다.[128]
시계 유전자와 시교차상핵 외부의 뇌 영역에서 발현되는 일주기 리듬은 코카인과 같은 약물이 생성하는 효과에 상당한 영향을 미칠 수 있다. 또한 시계 유전자를 유전자적으로 조작하면 코카인의 작용에 심각한 영향을 미친다.[129]
최근에는 도심의 아파트 등에서 아침에 일어나 지하도로 연결된 사무실에서 근무하여 전혀 태양광과 단절된 생활을 하는 경우가 적지 않아 생체 시계가 망가져 수면 장애나 우울증 등을 발생시키기 쉬운 경향이 있다.
10. 2. 일주기 리듬 교란의 결과
일주기 리듬의 교란은 다양한 부정적인 결과를 초래한다. 흔히 겪는 시차증은 피로, 방향 감각 상실, 불면증 등의 증상을 동반한다.[130]양극성 장애, 우울증과 같은 정신 질환과 수면 장애도 일주기 리듬의 불규칙한 기능과 관련이 있는 것으로 알려져 있다.[131][132][133][134]
장기간의 리듬 교란은 특히 심혈관 질환의 발병 또는 악화에 심각한 영향을 미칠 수 있다.[135][136] 예를 들어, 교대 근무로 인한 일주기 리듬 불일치는 고혈압과 관련이 있으며,[151] 죽상동맥경화증의 바이오마커인 레지스틴 및 트리글리세리드 수치를 높여 동맥 경화, 심장 마비, 뇌졸중 등의 위험을 증가시킨다.[148][149]
비만과 당뇨병 역시 생활 습관 및 유전적 요인 외에 생체 시계의 붕괴 또는 생체 시계와 외부 환경(예: 명암 주기)의 부조화와 관련될 수 있다.[135] 불규칙한 식사 시간은 인슐린 민감성을 변화시키고 당뇨병 및 체중 증가를 유발할 수 있다.[151][149][152]
생체 리듬 불일치는 인지 기능 저하와도 관련이 있다. 만성 교대 근무자는 작업 오류율 증가, 시각-운동 수행 능력 및 처리 효율성 저하를 보이며, 이는 수행 능력 저하와 안전 문제로 이어질 수 있다.[153] 만성 야간 근무는 특히 50세 이상에서 치매 위험을 증가시킨다.[154][155][156]
세계보건기구(WHO) 산하 국제 암 연구소는 2007년 시차 증후군을 포함하여 일주기 리듬을 교란하는 교대 근무 및 심야 근무를 "사람에게 발암성이 있을 가능성이 있음(2a)"으로 분류했다.[171] 일주기 리듬 교란은 전립선암, 유방암, 폐암, 대장암 등의 암 발생 위험을 높일 수 있다는 연구 결과도 발표되었다.[172]
11. 일주기 의학의 기초
포유류의 주요 생체 시계는 시상하부에 위치한 별개의 세포 집합인 시교차상핵(SCN)에 있다. SCN이 파괴되면 규칙적인 수면-각성 리듬이 완전히 사라진다. SCN은 눈을 통해 조명에 대한 정보를 받는다. 눈의 망막에는 일반적인 시각에 사용되는 "전형적인" 광수용체 세포 ("간상체"와 "원추 세포") 외에도, 직접 광선에 민감하고 SCN으로 직접 투사되어 이 주 생체 시계의 동조(동기화)에 도움이 되는 특수 광과민성 신경절 세포가 포함되어 있다. SCN 시계와 관련된 단백질은 초파리에서 발견되는 단백질과 상동성을 갖는다.[80]
이 세포는 광색소 멜라놉신을 포함하며, 신호는 망막시상하부로를 따라 SCN으로 이어진다. SCN에서 세포를 제거하여 배양하면 외부 신호가 없는 상태에서도 자체적인 리듬을 유지한다.[81]
SCN은 망막에서 낮과 밤의 길이에 대한 정보를 가져와 해석한 다음, 상시상부에 위치한 솔방울 모양의 작은 구조인 송과체에 전달한다. 이에 대한 반응으로 송과체는 호르몬 멜라토닌을 분비한다.[82] 멜라토닌 분비는 밤에 최고조에 달하고 낮에는 줄어들며, 그 존재는 밤의 길이에 대한 정보를 제공한다.
몇몇 연구에 따르면 송과체 멜라토닌은 SCN 리듬에 되먹임되어 활동 및 기타 과정의 일주기 패턴을 조절한다. 그러나 이러한 되먹임의 본질과 시스템 수준의 중요성은 알려져 있지 않다.[83]
인간의 일주기 리듬은 지구의 24시간보다 약간 짧거나 긴 주기에 동조될 수 있다. 하버드 대학교 연구원들은 인간 피험자가 최소한 23.5시간 주기와 24.65시간 주기에 동조될 수 있음을 보여주었다.[84]
생체 시계 생물학 연구는 기본적인 신체 시계 메커니즘을 임상 도구로 변환하는 것을 목표로 하며, 특히 심혈관 질환 치료와 관련이 있다.[111][112][113][114] 신체 시계에 맞춰 의료 치료 시기를 조절하는 시간 치료법은 효과를 크게 높이고 약물 독성 또는 부작용을 줄여 고혈압 환자에게도 도움이 될 수 있다.[115] 생체 시계 메커니즘을 표적으로 하는 약물인 "생체 시계 약리학"은 설치류 모델 실험에서 심장 마비로 인한 손상을 크게 줄이고 심부전을 예방하는 것으로 나타났다.[116] 중요하게도, 가장 유망한 생체 시계 의학 치료법을 임상 실습에 합리적으로 적용하기 위해서는 생물학적 성별 모두에서 질병을 치료하는 데 어떻게 도움이 되는지 이해하는 것이 필수적이다.[117][118][119][120]
12. 사회와 문화
제프리 C. 홀, 마이클 W. 영, 마이클 로스바쉬는 "일주기 리듬을 제어하는 분자 메커니즘 발견"으로 노벨 생리의학상을 수상하였다.(2017년)[157][158] 일주기 리듬은 과학적 지식이 공공 영역으로 이전되는 사례로 여겨진다.[159]
한국에서는 수면 건강에 대한 관심이 높아짐에 따라, 일주기 리듬을 고려한 생활 습관 개선, 수면 환경 조성, 광 치료 등의 방법이 제안되고 있다.
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