3종 해산 어류의 분자내분비 조절에 미치는 발광다이오드(LED) 파장의 영향

Abstract

1. 넙치 Paralichthys olivaceus의 망막과 송과체에서 로돕신 및 엑소 로돕신 유전자 발현

넙치의 광수용체의 일종인 로돕신 유전자 family의 분자적 메커니즘을 파악하기 위하여 로돕신과 엑소로돕신 mRNA의 발현량 변화를 관찰하였다. 넙치의 망막과 송과체에서 로돕신과 엑소로돕신 cDNA를 각각 분리하였으며, 28 시간 동안 명·암기(LD), 명기(LL) 및 암기(DD) 조건에서 넙치의 다양한 조직을 대상으로 이들 유전자의 발현량 변화를 분석하였다. 로돕신은 LD 광 조건의 ZT4와 28 시간대에서 높은 발현량이 관찰되었으나, ZT16 시간대에서는 가장 낮은 발현량이 관찰되었다. 엑소로돕신의 발현량은 로돕신과 반대의 경향을 보였으며, LD 광 조건에서는 밤 시간대인 ZT20에서 높은 발현량이 관찰되었다. 또한, 송과체 배양 실험(in vitro)에서도 비슷한 경향이 관찰되었다. LL과 DD 광 조건에서 로돕신과 엑소로돕신의 발현 경향은 LD 광 조건에서와 유사하게 나타났다. 이는 일반적(대조구)인 LD 광 조건에서 유지되고 있었던 생체리듬이 LL과 DD 광 조건에서도 어느 정도 지속되기 때문에 로돕신과 엑소로돕신의 발현 경향이 유사한 것으로 보인다. 그러나 LD 광 조건의 경우와 비교해 본 결과, LL과 DD 광 조건에서는 엑소로돕신의 발현량 및 발현 폭이 약하게 관찰되었다. 더욱이 멜라토닌을 송과체에 처리한 in vitro 실험의 경우, 멜라토닌을 처리하지 않은 실험구에 비하여 LD 광 조건에서는 100 배, LL 광 조건에서는 10 배 그리고 DD 광 조건에서는 30,000 배 정도 발현량이 낮게 관찰되었다. 또한, 혈장 내 멜라토닌의 농도 변화를 관찰한 결과에서도 LD, LL 및 DD 광 조건 실험구 모두에서 엑소로돕신 유전자의 발현량 변화와 유사한 경향을 보였다. 따라서 넙치의 생체리듬은 외부 광주기 환경에 의해 광수용체의 일종인 로돕신과 엑소로돕신 유전자 그리고 혈액 내에서 멜라토닌의 분비를 통하여 빛의 정보를 전달함으로써 조절되고 있는 것으로 사료된다.

2. 멜라토닌 주입에 따른 넙치의 뇌와 망막에서 멜라토닌 수용체 유전자 발현

넙치의 생체리듬을 파악하기 위하여 3가지 타입 멜라토닌 수용체 mRNA의 조직별 발현 양상 및 멜라토닌 주입에 따른 멜라토닌 수용체 mRNA의 발현량 변화를 관찰하였다. 우선, 넙치의 다양한 조직별로 3가지 타입의 멜라토닌 수용체 발현량을 관찰한 결과, 모든 타입의 멜라토닌 수용체가 신경조직에서 높은 발현량을 나타내었다. 그러나 말초조직의 경우, 멜라토닌 수용체 1은 높은 발현량을 보였으나, 멜라토닌 수용체 2와 3은 낮은 발현량을 보이거나 발현이 거의 검출되지 않았다. 또한, 3가지 타입 멜라토닌 수용체의 발현량 변화를 낮과 밤(LD) 그리고 지속적으로 야간 환경으로만 설정한 실험구(DD)별로 관찰한 결과, 멜라토닌 수용체는 낮 시간대 보다는 밤 시간대에 주로 증가하는 경향을 보였다. DD 실험구에서도 LD 실험구에서의 멜라토닌 수용체 발현량의 경향과 유사하게 나타났으나, 멜라토닌 수용체의 발현량이 매우 낮은 점으로 보아, 낮과 밤에 따른 일주기 경향이 약화된 것을 알 수 있었다. 또한, 멜라토닌을 처리한 송과체 배양 실험(in vitro) 결과, 멜라토닌 수용체의 발현량이 매우 높게 증가한 것으로 보아, 멜라토닌이 멜라토닌 수용체와 결합함으로 인하여 멜라토닌 수용체의 발현량이 높게 증가한 것으로 판단된다. 따라서 멜라토닌 수용체는 넙치의 뇌와 망막에서 광주기에 따른 생체리듬 조절에 중요한 역할을 수행하는 것으로 사료된다.

3. LED 파장별 흰동가리 Amphiprion clarkii의 생체리듬 관련 유전자 발현

적색, 녹색 및 청색 LED 파장이 흰동가리의 생체리듬에 미치는 영향을 파악하기 위하여, 시계 유전자(Per2 및 Cry1) mRNA의 발현량 변화를 관찰하였다. 다양한 LED 파장에 따른 흰동가리의 생체리듬 차이를 분석하기 위하여 멜라토닌 수용체 1, Per2 및 Cry1의 발현량 변화와 혈장 내 멜라토닌의 농도 변화를 분석하였다. 적색 LED 파장에서는 멜라토닌 수용체 1의 발현량이 다른 LED 파장 실험구에 비하여 유의적으로 높게 나타났으나, Per2 및 Cry1의 발현량은 다른 LED 파장 실험구에 비하여 유의하게 낮은 결과를 보였다. 또한, 혈장 내 glucose 농도는 적색 LED 파장 실험구에서 유의하게 높게 나타났는데, 이러한 결과는 적색 LED 파장이 물 분자에 빠르게 흡수되어 사라짐으로써 어류가 빛을 감지하기가 어렵게 되어, 결국 이는 어류에게 스트레스 요인으로 작용할 가능성이 있는 것으로 사료된다. 더욱이, 멜라토닌은 시계 유전자를 통해 생체리듬을 조절하며, 수중에서는 녹색 및 청색 LED 파장의 빛이 적색 LED 파장의 빛에 비하여 효과적으로 투과할 수 있는 것으로 보인다. 따라서 녹색 및 청색 LED 파장이 흰동가리의 생체리듬 조절에 적합한 파장인 것으로 사료된다.

4. LED 파장별 흰동가리 Amphiprion clarkii의 산화스트레스 유발 및 멜라토닌에 의한 스트레스 억제

청색, 녹색 및 적색 LED 파장이 흰동가리의 산화스트레스 유발에 미치는 영향 및 멜라토닌의 산화스트레스 억제 효과에 대하여 조사하였다.

각각의 LED 파장이 산화스트레스에 미치는 영향을 확인하기 위하여 멜라토닌의 합성을 좌우하는 시계 유전자인 AANAT2 및 항산화 효소(SOD 및 CAT) mRNA의 발현과 혈장 H2O2 및 멜라토닌의 농도를 측정하였다. 적색 LED 파장에서 AANAT2, SOD 및 CAT mRNA는 다른 LED 파장에 비해 유의하게 높은 발현량이 관찰되었으며, SOD, CAT 활성, 혈장 H2O2 및 멜라토닌의 농도 또한 적색 LED 파장에서 유의적으로 높은 결과 값을 보였다. 이러한 연구 결과는 적색 LED 파장이 산화스트레스를 유도한다는 것을 시사한다. 또한, 본 연구에서는 산화스트레스에 대한 멜라토닌의 영향을 확인하기 위하여, 흰동가리에 멜라토닌을 주입(in vivo)하거나 송과체에 멜라토닌을 처리한 배양 실험(in vitro) 결과, AANAT2, SOD 및 CAT mRNA의 발현량, SOD, CAT 효소의 활성, 혈장 H2O2 그리고 지질과산화(LPO) 정도가 멜라토닌을 처리하지 않은 실험구에 비하여 유의하게 낮은 결과 값을 보였다. 이러한 연구 결과는 적색 LED 파장이 산화스트레스를 유도하고, 유도된 산화스트레스에 대하여 멜라토닌이 강력한 항산화제 역할을 수행한다는 것을 의미한다.

5. LED 파장별 흰동가리 Amphiprion clarkii의 성장호르몬 유전자 발현 및 성장 촉진 효과

성장호르몬은 척추동물의 성장과 발달에 필수적인 폴리펩타이드 호르몬이다. 흰동가리의 뇌하수체에서 전장의 성장호르몬 cDNA를 클로닝하였으며, 적색, 녹색 및 청색 LED 파장의 조명으로 흰동가리를 사육하면서 각각의 실험구별 흰동가리에서 성장호르몬 mRNA의 발현량 변화를 조사하였다. 성장호르몬의 발현량은 적색 LED 파장 실험구보다 녹색 및 청색 LED 파장 실험구에서 유의적으로 높은 값을 확인할 수 있었다. 이러한 결과는 장파장인 적색 LED 파장에 비하여 단파장인 녹색 및 청색 LED 파장이 흰동가리의 성장을 촉진시키는 것으로 보이며, 일반 형광등보다 LED 광원이 흰동가리의 성장을 촉진시키는데 효과적인 것으로 사료된다. 또한, 멜라토닌을 주입한 경우, 성장호르몬의 발현량이 대조구보다 유의하게 높은 값을 나타내었다. 이러한 연구 결과는 녹색 및 청색 LED 파장이 흰동가리 성장호르몬의 활성을 증진시키는 동시에, 멜라토닌 또한 흰동가리의 성장을 촉진시키는 요인인 것으로 사료된다.

6. LED 파장별 파랑돔 Chrysiptera parasema의 성숙 관련 호르몬 유전자 발현 및 성숙 촉진효과

형광등, 3가지의 LED 파장(적색, 630 nm

청색, 450 nm) 및 3가지의 세기(0.3, 0.6, 및 0.9 W/m2)로 설정된 사육수조에서 파랑돔을 4개월 동안 사육하면서 각각의 실험구별 LED 파장 및 세기가 파랑돔의 성 성숙에 미치는 영향을 조사하였다. 각각의 조명에 의한 파랑돔의 성 성숙 여부 및 정도의 파악은 GSI, VTG, ER mRNA 및 단백질 발현량 그리고 혈장 E2 농도를 측정하여 조사하였다. 그 결과, 녹색 및 청색 LED 실험구에서 VTG와 ER mRNA 발현량이 유의적으로 높게 나타났으며, GSI 수치 및 혈장 E2 농도 또한 다른 LED 파장 실험구에 비하여 녹색 및 청색 LED 실험구에서 유의하게 높게 나타났다. 또한, 난소의 조직학적 관찰 결과에서도 단파장(녹색 및 청색 LED) 실험구에서 사육된 파랑돔에서 성숙한 난모세포가 다수 관찰되었다. 더욱이, 0.3과 0.6 W/m2 세기의 LED 실험구에서 사육된 파랑돔에서 성숙한 난모세포를 다수 확인할 수 있었다. 이러한 연구 결과는 낮은 세기(0.3 W/m2)의 녹색 LED 파장이 파랑돔의 성숙을 촉진시키는 데 효과적임을 확인할 수 있었으며, 또한 에너지 효율 측면에서 긍정적인 효과로 사료된다.

녹색, 530 nm