시교차상핵 (suprachiasmatic nucleus, SCN)
시교차상핵 視交差上核
(suprachiasmatic nucleus, SCN)
뇌의 중심부의 작은 부위인 시상하부의 영역에서 시신경이 교차하는 영역인 시각교차 구역 바로 윗부분에 위치해 있다. 외부로부터 빛 정보를 받아 신경과 호르몬의 활동을 조절하여 인간의 24시간 주기의 다양한 기능들을 조절한다. 제대로 기능하지 않으면 불면증, 수면장애, 우울증 등이 발생할 수 있다.
시교차상핵이 하는 일
1.수면-각성 주기 조절
망막이 외부로부터 들어오는 빛을 감지하고 SCN으로 전달하면 SCN은 이 정보로 낮과 밤을 인식하고 필요한 호르몬 분비를 조절한다. 밤이 되면 멜라토닌 분비를 증가시켜 졸음을 유도하고, 부신(Adrenal Gland)에 신호를 보내 코르티솔(각성 호르몬) 분비는 감소시킨다. 반대로 아침에는 멜라토닌 분비는 억제시키고 코르티솔 분비를 증가시켜 에너지를 활성화한다.
2.체온과 신진대사 조절
체온과 신진대사 등 신체 기능을 조절해 우리 몸이 낮에는 활발하게 활동하고 밤에는 휴식을 취하도록 유도한다.
3.다른 장기의 분자 시계와 리듬 동기화한다.
각 세포에 존재하는 분자시계와 상호작용하여 인체의 리듬을 조절한다.
매커니즘
1.빛 정보 수신
망막에 있는 ipRGC(감광세포)가 외부로부터 들어오는 빛을 감지하여 시신경 경로(Retinohypothalamic Tract, RHT)를 통해 SCN으로 전달
2.시계 유전자 작동
CLOCK / BMAL1 / PER / CRY 유전자가 작동되고 유전자 간 피드백 루프(Feedback Loop)로 24시간 주기를 생성
3.신호 전달
신경 신호로 뇌의 다른 부위 리듬 조율, 신경전달물질(VIP, 바소프레신 등) 분비, 호르몬 조절 (멜라토닌 분비 명령), 신호를 보내 생체 리듬을 동기화
리듬을 조절하는 기준
1. 빛(광주기, Light Cycle)
가장 중요한 기준
망막 → 시교차상핵 → 송과선으로 이어지는 신경 경로를 통해 빛의 유무를 감지
낮(빛 O) → 멜라토닌 억제 → 깨어 있음 유지
밤(빛 X) → 멜라토닌 분비 → 수면 유도
2. 내부 생체 리듬(유전자 시계, Molecular Clock)
PER, CLOCK, BMAL1 같은 생체 리듬 유전자가 특정 시간에 따라 발현되면서 SCN이 자동으로 24시간 주기를 생성한다. 외부 빛이 없어도 일정한 리듬을 유지하지만, 시간이 지나면 조금씩 어긋기 시작한다.
3. 생활습관
SCN은 식사 시간, 운동, 생활 패턴 등 생활 습관에도 영향을 받는다. 운동은 SCN의 신호를 강화하여 리듬을 더 정확하게 맞추는 역할을 하고 스트레스는 SCN의 조절 기능을 방해하여 수면 장애, 피로 누적을 유발시킨다. 또 밤늦게까지 활동하거나 밤늦게 먹는 습관은 SCN의 신호와 충돌하여 생체 리듬을 깨뜨릴 수 있다.
분자 시계(Molecular Clock)
분자 시계는 세포 안에 존재하는 작은 생체 시계이다. 하루 약 24시간 주기로 유전자와 단백질이 반복적으로 활성화되고 억제되며 생체 시간을 조절한다.
분자 시계는 생체 리듬 유전자들이 만들어내는 단백질 간의 음성 피드백 루프(Negative Feedback Loop)를 통해 작동한다. SCN이 전체 리듬을 조율하는 ‘마스터 시계’라고 한다면 분자 시계는 개별 세포가 가진 각각의 시계라고 할 수 있다. SCN이 빛에 맞춰 리듬을 조정하면, 다른 기관의 분자 시계도 이에 동기화된다.
PER, CRY, CLOCK, BMAL1 네 가지는 분자 시계의 핵심 유전자로 이 유전자들이 만들어내는 단백질들이 서로 협력하고 억제하면서, 24시간 주기를 형성한다. 서로 주고받으며 생체 시계를 '틱톡틱톡' 돌리는 시계부품이라고 할 수 있다. 하루 24시간 동안 아래와 같은 흐름이 반복된다.
CLOCK/BMAL1 단백질 복합체가 PER, CRY 유전자를 활성화 → PER, CRY 단백질이 축적되면 다시 CLOCK/BMAL1을 억제 → 억제되면서 PER, CRY의 생성도 감소 → 분해됨 → PER, CRY가 줄어들면 다시 CLOCK/BMAL1이 활성화되어 루프 반복 → 이 과정이 약 24시간 주기로 반복
핵심 유전자
CLOCK (Circadian Locomotor Output Cycles Kaput)
리듬을 시작하는 전사 인자 시계를 돌리는 스위치 역할 BMAL1과 짝을 이뤄서 작동함. PER, CRY 같은 유전자가 켜지도록 도와주고 (전사 촉진) 생체 시계를 시작하게 만드는 기본 틀을 제공
비유: 생체 시계를 켜주는 ‘키’ 역할
BMAL1 (Brain and Muscle ARNT-Like 1)
CLOCK의 파트너 CLOCK과 함께 복합체를 이루어 PER, CRY 유전자 켜기 리듬이 시작되도록 만드는 핵심 요소
비유: CLOCK이 자동차 키라면, BMAL1은 연료 같은 존재 둘이 함께 있어야 시계가 제대로 작동함
PER (Period)
피드백 억제 단백질 시간이 흐르면서 점점 쌓이는 억제자.CLOCK/BMAL1에 의해 만들어짐 단백질이 쌓이면 CRY와 함께 복합체를 이뤄 다시 CLOCK/BMAL1을 억제함 이로써 시계의 ‘리셋’ 역할을 함
비유: 시계가 너무 빨리 가지 않도록 브레이크를 거는 기능
CRY (Cryptochrome)
PER과 함께 억제 복합체 형성 PER의 짝꿍이자 억제자 PER과 같이 만들어지고 함께 쌓임. CLOCK/BMAL1 복합체를 억제하여 시계를 끄는 역할 PER이 혼자서는 억제 못 하고 CRY와 팀을 이뤄야만 억제 가능
비유: PER이 브레이크 페달이면, CRY는 브레이크 오일
SCN과 분자시계의 관계
SCN은 마스터 시계로 사령탑 같은 역할이라고 할 수 있다. 분자시계는 각 세포 안에 있는 개인 시계이다. 위성에서 쏘아 주는 시간을 휴대폰이 받아서 시간을 동기화시키는 것과 비슷하다.
SCN은 오케스트라의 지휘자이고, 분자 시계는 악기들이라고 할 수 있다. 혼자서도 연주할 수 있지만 SCN이 전체 리듬을 맞춰야 음악이 조화를 이룰 수 있다.
상호작용 방식은?
1. 분자 시계의 작동 원리 (세포 내부)
유전자와 단백질의 피드백 루프로 작동. 스스로 24시간 주기를 만들어냄 (하지만 약간 부정확함)
2. SCN의 역할
눈에서 들어온 빛 정보를 받아, ‘지금이 낮인지 밤인지’를 판단하여 그 정보를 바탕으로 다른 세포나 장기의 분자 시계에 시간 정보를 전달
÷ SCN은 어떻게 분자 시계를 조율할까?
신경 신호
SCN은 뇌 안의 다른 영역에 전기적 신호를 보내 리듬을 전달합니다.
예: 각성 상태, 식욕, 체온 등을 조절하는 뇌 부위
신경전달물질
SCN은 바소프레신(vasopressin), VIP(vasoactive intestinal peptide) 같은 신경전달물질을 분비해 주변 뉴런과 세포들의 분자 시계를 동기화합니다.
호르몬 신호
SCN은 송과선에 명령을 내려 멜라토닌 분비를 조절 → 밤에는 멜라토닌 증가 → 수면 유도 → 이 호르몬이 전신의 분자 시계에 "지금은 밤이야!"라고 알려줍니다.