뇌 시신경교차상핵의 일주기 유전자 진동에 미치는 세포간 연접 억제제의 영향

Abstract

포유류를 포함한 지구상에 존재하는 대부분의 생명체들은 시상하부에 위치하는 한 쌍의 구조로 이루어진 시신경교차상핵 (suprachiasmatic nuceleus, SCN)이 중추적인 일주기 페이스메이커 (pacemaker)이다. 많은 일련의 연구들은 뇌 시신경교차상핵을 형성하는 단일 세포들은 효율적인 신호전달을 위해 구조적으로 연결되어 있으며 이러한 세포간 결합은 말초시계와는 구별되는 즉, 국부시계로써 자발적인 일주기 리듬을 생성하는 뇌 시신경교차상핵만의 고유한 특성이라 보고하고 있다. 세포들간의 신호 전달 회로망을 조절하는 대표 기작으로 세포간 연접을 통한 전기적 결합이 알려져 있다. 본 연구는 신경세포간 연접 억제제로 알려진 mefloquine이 일주기성을 지니는 Per2 유전자 진동에 미치는 영향을 Per2::luciferase (PER2::LUC) 형질전환 생쥐에서 얻은 뇌시신경교차상핵 절편과 생물학적 발광을 실시간으로 측정하는 시스템을 가용하여 규명하였다. Mefloquine을 처리시 주기적으로 발현되는 PER2::LUC의 진폭이 감소되었고, 뿐만 아니라 불안정한 일주기성이 야기되었다. 흥미롭게도 세포간 연접을 저해 시, PER2::LUC 유전자를 발현하는 개별 세포들간 형성되는 신호전달의 분열이 야기되었고 결과적으로 개별 세포들이 보이는 통일된 리듬이 약화되었음을 생물발광 이미지를 통해 관찰하였다. 내용을 요약하면 본 연구결과는 신경 세포간 연접을 통해 이루어지는 신호 전달은 중추 생체시계를 구성하는 SCN 페이스메이커 (pacemaker) 세포들 간의 통일된 동기화에 핵심적인 역할을 하며 이로 인해 국부 생체시계인 뇌 시신경교차상핵의 자발적이고 자립적인 일주기 리듬 형성에 기여한다.

In mammals, the master circadian pacemaker is localized in a pair of structures in the ventral hypothalamus known as the suprachiasmatic nucleus (SCN). Numerous studies have shown that pacemaker neurons forming the SCN are highly coupled with each other, and such coupling is crucial for intrinsic self-sustainability of the SCN central clock, which is distinguished from ubiquitous peripheral oscillators. One plausible mechanism underlying the intercellular communication can be direct electrical connections mediated by gap junctions. In the present study, I examined the effects of mefloquine, a neuronal gap junction blocker, on the circadian Period2 (Per2) gene oscillation in the SCN slice cultures prepared from the Per2::luciferase (PER2::LUC) knock-in mice, using real-time bioluminescence measurement systems. The administration of mefloquine causes the unstability in periodicity as well as reduction of amplitude in cyclic PER2::LUC expression. Interestingly, bioluminescence imaging demonstrates that blockade of gap junctions uncouples PER2::LUC-expressing cells in terms of phase transition, and thus weakens synchrony among individual cellular rhythms. In conclusion, these findings suggest that the neuronal gap junctions play a key role in synchronizing central pacemaker neurons, and thereby contribute to a distinct self-sustainability of the SCN master clock.