동면하는 곰은 근육 관리를 어떻게 할까?

그리즐리 곰(Grizzly bear)은 수개월 동안 겨울잠에 들어간다. 운동 부족인데 근육은 어떻게 유지될까? 연구원들이 이 효과의 비밀을 밝혀냈다. 곰은 동면 상태에서 특정 아미노산을 조금씩 생산하고 있으며, 이 물질들은 근육 세포의 성장을 자극한다. 앞으로 인간의 근육 손실을 막을 수 있는 새로운 가능성을 알려 준다. 

▲  겨울이 다가 오면 그리즐리 베어가 긴 휴식을 준비한다. © Michel VIARD / istock

고슴도치, 산 쥐과 동물들과 그리즐리 곰도 긴 겨울잠을 잔다. 그들은 완전히 포식하고 안전한 은신처에서 추운 계절을 수면 혹은 비정상적인 휴식 상태로 지낸다. 소위 최대 절전모드 다. 체온은 떨어지고 심장 박동 과 호흡수는 줄어든다.

사람들은 수개월 동안 이런 상태로 결코 건강하게 휴식을 취하지 못할 것이다. 혈전증이나 심리적 변화로 어려움을 겪을 수도 있다. 무엇보다도 근육은 오랜 휴식으로 고통받을 것이다.
몇 주 동안 팔이나 다리에 깁스한 상태로 침대에 누워있는 사람은 그것을 알고 있다.
베를린의 막스 델브뤼크 분자의학센터 (Max Delbrück Center of Molecular Medicine)의 두오아 무가히드(Douaa Mugahid)는 “근육 손실은 많은 상황에서 발생하는 인간의 실제 문제이다”고 설명한다.

최대 절전모드에서 근육

그리즐리 베어와 다른 동면동물들은 이런 문제가 없다.
그들이 봄에 일어날 때, 처음에는 조금 느리지만 괜찮다. 과학자들은 오랫동안 겨울 잠을 자는 동물들이 어떻게 다시 살아나 건강하게 생활하는 지 동물들의 전략에 관심을 가져 왔다. 무가히드Mugahid와 그녀의 동료들은 이 현상을 좀 더 자세히 조사했다.
실제로 근육이 겨울 동안 실제로 손상되지 않은 상태에서 생존 할 수 있는 방법은 무엇일까?

이 비밀을 밝혀 인간의 근육 소실을 예방하고 치료하는 방법을 찾기 위해 연구자들은 동면 중일 때와 아닐 때 곰의 근육 샘플을 분석했다. 그녀는 근육 세포에서 있는 어떤 유전자가 읽히고 단백질로 변환되고 이것이 세포에 어떤 영향을 미치는지에 초점을 맞추었다. Mugahid의 동료 미샤엘 고트하르트(Michael Gotthardt)는 “우리는 현대 시퀀싱 방법과 질량 분석법을 조합해 어떤 유전자와 단백질이 상향 조절되거나 셧다운 되었는지를 결정하고 싶었다”고 설명했다.

그들의 실험에서 과학자들은 겨울 휴식 동안 곰의 아미노산 대사에 큰 영향을 미치는 단백질을 발견했다. 근육 세포에는 특정 비 필수 아미노산인 NEAA 의 양이 증가한다. 고트하르트는“근육 손실이 있는 인간과 생쥐에서 분리된 근육세포 대상 실험에서 NEAA는 이들이 근육세포가 자라도록 자극 할 수 있다”고 말한다.

이전의 임상 연구로부터 노약자 또는 침대에 오래 누워있는 환자들의 근육 쇠약을 예방하기 위해 정제 혹은 분말 형태의 아미노산 투여는 충분하지 않다고 알려져 있다. 고트하르트는 “근육이 이러한 아미노산 자체를 생산하는 것이 중요하다. 그렇지 않으면 필요한 곳에 도달하지 못할 수 있다”고 설명한다.

그러나 어떻게 근육을 자극하여 NEAA의 양을 증가시킬 수 있을까?
어떤 신호 경로를 켜야 하는지 알아내기 위해 연구자들은 회색 곰, 인간 및 생쥐에서 유전자의 활동을 비교했다. 이를 위해 필요한 데이터는 예를 들어 노인 또는 장기 와상 환자 그리고 근육 손실로 고통받는 마우스에서 나온 것이다 (예 : 석고 캐스트 적용 후 움직임이 감소한 결과).

"이러한 방식으로, 우리는 동면하는 생물과 그렇지 않은 생물에서 어떤 유전자가 다르게 조절되는지 알아내고 싶었다"고 Gotthardt는 설명했다. 실제로, 연구자들은 그러한 많은 유전자를 발견했다. 근육 손실에 대한 치료의 출발점이 될 수 있는 가능한 후보들을 찾아내기 위해 그들은 회충 실험을 수행했다. Gotthardt 박사는 “벌레의 경우에 개별 유전자를 쉽게 단절하고 근육 성장에 어떤 영향을 미치는지 빠르게 확인할 수 있다” 고 설명한다

환자를 위한 새로운 요법?

이 실험의 도움으로, 연구원과 그의 동료들은 현재 소수의 유전자를 발견했으며, 그 영향은 향후 연구에서 더 조사할 계획이다. 예를 들어 포도당 및 아미노산 대사에 관여하는 유전자 Pdk4 및 Serpinf1 및 일주기 리듬의 발달에 기여하는 유전자 Rora가 포함된다.

장기적으로 과학자팀은 예민한 사람들을 돕기 위해 새로운 가능성을 기대하고 있다.
Mugahid는 “우리 연구의 장점은 저에게 있어서도 자연이 거친 동면 상태에서 근육을 유지하는 방법을 어떻게 완벽하게 했는지 배웠다.” 며 "이러한 전략을 더 잘 이해하면 환자의 근육 손실을 예방하고 치료할 수 있는 새로운 방법을 개발할 수 있다."고 맺음말을 했다.

(Scientific Reports, 2019; doi : 10.1038 / s41598-019-56007-8)

출처 : Max-Delbrück-Centrum für Molekulare Medizin

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