인공 동면에 의한 청개구리의 생리적 변화 및 동면 기작에 대한 연구

Abstract

양서류는 동면 시 활동성 감소, 세포막의 삼투압 감소, 세포막 이온 구배 유지를 위한 에너지 소모 감소, 신진대사와 심박수 감소, 혈장 포도당 증가, 요소 증가 등 다양한 생리적 변화가 나타난다. 양서류는 동면 시 극저온 환경으로부터 몸을 보호하기 위해 혈중 포도당, 글리세롤, 요소, 중성지방 농도를 높여 동결보호제(cryoprotectant)로써 사용한다. 현재까지 보고된 양서류의 동면기작에 대한 연구는 매우 제한적이며, 일부 종에 대해서만 연구가 이루어져 있다. 또한 이에 대한 연구는 주로 생리학적 측면에서 연구가 이루어져 왔으며, 동면의 분자생물학적 기작에 대한 연구가 부족하다. 본 연구에서는 비동면, 동면준비기, 인공동면이 유도된 청개구리의 간에서 혈중 포도당, 글리세롤, 요소, 중성지방 농도 변화를 분석하였으며 RNA-seq을 수행하여 glycolysis, gluconeogenesis, glycogen synthesis, glycogenolysis, urea cycle, triglyceride synthesis, glycerol synthesis, glucose transporter(GLUT), aquaporin(AQP) 관련유전자의 발현 변화를 확인하였다. RNA-seq 결과 총 127,464개의 contig를 확보하였으며, 동면 특이적으로 억제 또는 유도되는 특이발현유전자 4,516개를 확인하였다. 인공 동면 유도에 의해 청개구리의 혈중 포도당 농도가 증가하였으며, 이와 관련하여 glycolysis와 gluconeogenesis 관여 유전자들의 발현 변화를 mRNA 수준에서 확인하였다. 동면 시 Hexokinase-2 (HK2), Phosphofructokinase (PFK), Phosphoenolpyruvate carboxykinase-1 (PCK1) 유전자 발현이 감소한 것으로 보아 glycolysis와 gluconeogenesis는 억제되는 것으로 사료된다. 다음으로 glycogen synthesis, glycogenolysis 관련 유전자들을 mRNA 수준에서 확인하였다. UDP-glucose pyrophosphorylase (UGPase) 유전자 발현은 동면준비기에 증가하였고 Glycogen phosphorylase (PYGL) 유전자 발현은 동면기에 증가하는 것으로 보아 glycogenolysis를 통해 포도당을 합성하여 동결보호제로 사용되는 것으로 사료된다. 또 다른 동결보호제인 글리세롤 농도를 간에서 측정한 결과에서 동면기에 글리세롤 농도가 증가하는 것을 확인하였다. 요소와 중성지방 농도를 간과 혈청에서 농도를 측정하였다. 요소의 경우에는 동면 시 간과 혈청에서 요소 농도를 측정한 결과 유의적인 변화를 확인 할 수 없었지만, 중성지방은 혈청에서 유의적인 변화를 확인 할 수 있었다. 포도당 수송에 관여하는 GLUTs 유전자를 mRNA 수준에서 확인하였다. 동면 시 GLUT1, 6 유전자 발현이 증가하였고 GLUT5, 8 유전자 발현은 감소하였다. 이러한 결과로부터 청개구리의 동면 시 GLUT1, 6가 세포 내외 포도당 수송의 중요한 역할을 할 것으로 생각된다. 물 분자 수송에 관여하는 AQPs 유전자들에 대한 발현 분석에서 AQP3 발현이 동면준비기에 증가하였다. AQP4는 동면준비기, 동면 시 유전자 발현이 증가하였지만 AQP10 유전자 발현은 감소하였다. 이상의 결과를 통해 동면 시 발현이 증가한 주요 유전자들이 공통적으로 관여하는 pathway를 분석하였고, GLUT1 (SLC2A)이 동면 시 신호 전달 체계의 중추적 역할을 하는 것으로 확인되었다. 또한, GLUT1과 상호작용하는 GLUT6 역시 신호전달 중심부에서 확인되었다. 결론적으로, 청개구리는 동면 시 체내 기관들을 보호하기 위해 glycogenolysis와 glycerol synthesis을 통해 동면 시 동결보호제인 포도당과 글리세롤은 간에서 합성되고 GLUT1과 GLUT6을 통해 간세포 외부로 포도당을 이동시켜주며 혈관을 통해 기관으로 이동하며 AQP3, 4을 통해 간세포 밖으로 수분을 배출 시키고 글리세롤을 축적하여 동면 시 청개구리의 생존에 중요한 역할을 하는 것으로 생각된다.