빛의 자극에 의해 멜라토닌 농도가 조절되는데 빛이 있으면 멜라토닌의 농도가 낮아진다. 속도 제한 효소로 알려진 AANAT는 cAMP의 인산화 작용에 의해 활성화되고 멜라토닌의 합성이 증가한다. 또한 CREB과 ICER가 인산화되면 AANAT 촉진자의 전사가 활성화되고 AANAT 단백질 합성 조절에 mRNA의 주기적 번역이 주요 역할을 하는데 IRES과 hnRNP Q가 관여한다. AANAT mRNA의 분해에는 RNAi와 hnRNP R, hnRNP Q, hnRNP L가 함께 작용한다.
<h1>멜라토닌의 생합성 조절</h1> <h2>멜라토닌의 빛/어둠에 따른 주기적 생합성 조절</h2> <p>송과체에서 멜라토닌을 생성할 때 중요한 조절 인자들은 하루 주기 동안 밝고 어둠에 따라 변화한다. 대부분의 연구에서 멜라토닌의 합성은 낮보다 어두운 밤에 높으며 일반적으로 건강한 성인 어른에서 멜라토닌의 농도를 측정한 결과, 오후부터 그 농도가 증가하기 시작하여 측정 최저치인 \( 5 \mathrm{pg} / \mathrm{ml} \)를 넘어서게 되고, 자정에 그 수치가 최고치에 도달하였다가 잠에서 깨어나기 직전부터 감소하기 시작하였다. 이러한 수치의 변화는 주야의 밝기 변화가 정상적인 상태에서 일주기 동안 매우 안정적으로 유지된다. 그러므로 야간의 멜라토닌 농도는 내인성 시간 조절 체계에서의 중요한 시점 표지자 역할을 하게 된다. 따라서 빛의 자극은 야간의 멜라토닌 농도를 급격히 낮출 수 있으며, 이러한 제한은 빛의 노출 양에 비례하고 더불어 자극되는 빛의 스펙트럼의 위치에 따라 달라지게 된다. 일반적으로 높은 세기의 빛에 의해 멜라토닌의 생성은 강하게 억제되었으며, 또한 낮은 빛의 세기에서도 멜라토닌의 생성은 억제되었다. 반면, 시각적인 자극 없이 멜라토닌의 농도는 24시간 주기와 약간 차이 나는 주기성을 보인다. 또한 멜라토닌의 일주기성 변화는 지속적인 암흑 상태에서도 일부 주기성을 보이는 것으로 보아 내인성 인자들의 작용으로 주기성이 유지된다는 사실을 알 수 있다. 이러한 주기성은 좌우 눈의 신경이 교차하는 곳의 위쪽에 위치한 신경핵인 suprachiasmatic nucleus SCN을 통해 조절되고 신호가 전달되는 것으로 알려졌으며, 주기성을 유지하고 빛/어둠의 주기적 변화를 감지하여 동조화시키는 역할을 한다. SCN으로 가는 신호는 눈의 망막에서 하나의 시냅스만을 가지는 retino hypothalamic tract (RHT)를 통해 전달되며 전달된 신호는 gamma-aminobutyric acid (GABA) 신호 형태로 paraventricular nucleus (PVN)의 자율신경계 영역으로 전달된다. 최종적으로 송과체에 신호가 도달하게 되어 norepinephrine (NE)을 분비하게 된다.</p> <h2>멜라토닌의 분자생물학적 생합성 조절</h2> <p>멜라토닌 생합성은 송과체 내에서의 효소적 조절에 의해 이루어진다. 그 전구체라 할 수 있는 트립토판이 혈액으로부터 얻어지고 세로토닌으로 전환된 후, 속도 제한 효소로 알려진 AANAT에 의해 N-아세틸세로토닌으로 바뀌게 된다. 최종적으로 N-아세틸세로토닌이 hydroxyindole O-methyltransferase의 작용에 의해 멜라토닌으로 전환되게 된다. 이러한 멜라토닌의 생합성 조절에는 송과체에 신호전달 과정에서 증가하는 것으로 알려진 NE도 관여를 한다. NE의 분비가 신경절 말단에서 야간에 주로 증가하게 되고 베타-아드레날린성 수용체에 결합하여 cyclic adenosine monophosphate (cAMP)의 증가를 유도한다. 이렇게 증가된 cAMP에 의해 멜라토닌 합성 단계에 관여하는 효소 단백질의 형성이 촉진된다. 여기에는 앞서 속도 제한 효소로 알려진 AANAT가 대표적인 예라 할 수 있다. 따라서 이를 정리해 보면 cAMP의 인산화 작용에 의한 AANAT 번역 증가 및 활성화에 따른 멜라토닌의 합성 증가가 가장 주된 분자생물학적 생합성 조절 기전이다. 최근 들어 멜라토닌 합성의 주기성에 대한 접근에 있어서 송과체 내의 신경학적 조절과 더불어 AANAT 단백질의 합성의 주기적 조절 기전을 통해 이해하려는 노력이 시도되고 있다. 과거에는 주로 앞서 언급된 cAMP에 의한 AANA DNA의 전사 단계에서의 조절 및 AANAT 단백질 분해를 주된 조절 기전으로 이해되어왔다. 그러나 최근에는 분자생물학적 기법의 발달을 통해 특정 번역 인자들에 의해 AANAT mRNA의 번역이 촉진되거나 오히려 불안정화를 유발시켜 mRNA의 분해가 유도되어 AANAT 단백질 합성이 조절되는 기전의 연구가 활발히 진행되고 있다.</p> <h2>AANAT 주기적 전사 조절 기전</h2> <p>멜라토닌의 주기적 합성에서 분자 수준 조절은 cAMP 신호 전달 체계에 의해 활성화되는 대표적 전사 인자인 cAMP response element-binding protein (CREB) 유전자에 의해서 나타난다. CREB 유전자에 의한 피드백 순환 과정은 일정한 주기성을 나타내어 주기적으로 분비되는 호르몬 합성의 조절 작용을 담당한다. 조절 기전을 자세히 살펴보면, 야간 시간대에 아드레날린성 신호가 증가하게 되고 이에 따라 protein kinase A (PKA)의 활성화가 우선적으로 나타나게 된다. PKA에 의해 CREB 산물에 인산화가 이루어져 전사 촉진인자로 작용을 하게 되고 AANAT 전사를 촉진시키는 것과 더불어 CREB 유전자의 P2 촉진자에도 결합을 하여 inducible cAMP early repressor (ICER) 합성을 유도하게 된다. 이렇게 합성된 ICER는 AANAT 전사 인자의 기능을 억제하며, 피드백 작용을 통해 자신의 합성을 억제하기도 한다. 특히 ICER의 경우 수면이 거의 종료되는 시점에서 그 분비가 매우 증가한다는 사실도 알려졌다. 따라서 인산화된 CREB과 ICER의 단백질 농도에 따라서 AANAT 촉진자의 전사 활성화를 결정하게 된다. 최근에는 이와 더불어 Aurora C 단백질이 노르에피네프린의 자극에 의해 송과체에서 증가하는 점을 밝히고, Aurora C에 의해서 히스톤의 인산화가 유도되어 히스톤 변형이 나타나 AANAT 전사 기전이 시작되는 것으로 밝혀졌다. 또한 다양한 전사 조절 복합체들이 밝혀졌는데 그 예로 Transducer of regulated CREB protein 2 (TORC2)가 인산화된 CREB의 전사를 촉진하는 활성인자의 역할을 하며, CREB에 의해 전사가 촉진되는 새로운 산물인 salt-inducible kin-ase-1 (SIK1)이 활성인자 작용을 억제한다는 것이다.</p> <h2>단백질의 주기적 분해 기전</h2> <p>멜라토닌의 증가는 AANAT의 단백질 활성에 따라 결정된다고 알려졌다. 빛에 노출되거나 베타-아드레날린성 수용체 차단제에 의해서 AANAT의 활성이 감소하게 되는데, mRNA의 감소가 나타나지 않는 상황에서도 AANAT의 활성이 감소하는 양상을 보여 단백질의 발현 수준에서의 조절이 아닌 단백질 활성 수준에서 조절된다고 볼 수 있다. 이러한 조절은 cAMP에 의해 AANAT 단백질이 안정화되었다가 그 활성이 감소하면서 AANAT 단백 분해가 촉진되는 것으로 나타났다. 따라서 cAMP는 전사를 촉진하는 것과 더불어 AANAT 활성을 유지하는 데에도 관여하는 것으로 알려졌다.</p> <h2>AANAT mRNA 주기적 번역 조절 기전</h2> <p>AANAT 단백질 합성 정도를 조절하는 데에는 mRNA의 주기적 번역이 중요한 역할을 하고, 이러한 조절은 AANAT의 5' untranslated region (UTR)에 존재하는 internal ribosome entry site (IRES) 및 그 짝인 heterogenous nuclear ribonucleoprotein (hnRNP) Q에 의해서 나타난다. IRES는 mRNA에 리보솜의 결합을 유도하여 번역을 조절한다. 송과체에서 hnRNP Q는 자정에 매우 증가하여 번역을 유도하게 되는데, 임의로 hnRNP Q의 작용을 차단시킨 결과 IRES 영역의 활성도가 감소하여 AANAT 단백질 합성이 감소하게 되었다. 따라서 AANAT mRNA \( 5^{\prime} \) UTR 영역의 IRES와 hnRNP Q와의 상호작용에 따라 야간의 단백질 발현 유도 작용이 멜라토닌의 주기적 합성에 영향을 준다는 사실이 밝혀졌다.</p> <h2>AANAT mRNA의 주기적 분해 기전</h2> <p>일반적으로 mRNA의 분해는 3' UTR 영역에 작용하는 RNA interference (RNAi)에 의해 나타나고, 송과체 내의 AANAT mRNA의 분해에는 이와 더불어 hnRNP R, hnRNP Q, hnRNP L가 함께 작용하여 일어난다. AANAT mRNA의 양은 자정을 넘어서면서 감소하고 위 인자들은 반대로 증가하게 되는데, 위 인자들을 임의로 증가시킨 후 AANAT의 mRNA 양의 반감기를 확인한 결과 빠른 속도로 분해되어 반감기가 크게 감소하였다. 따라서 위의 세 인자들이 주기적인 멜라토닌의 생합성을 조절하여 발현 양을 감소시키는 데 주된 역할을 하는 것으로 밝혀졌다.</p>