Sleep is a very dramatic and important phenomenon in human life. Most of mammal and non-mammal also need sufficient sleep in daily life. However, identification of sleep and wake mechanism is an unsolved problem. Mammal and insects share many character like decreased activity and response, increased sleep amount after disrupted sleep and prolonged inactivity. Fruit fly, Drosophila melanogaster, is a good model organism for clarifying sleep and wake mechanisms because this model system is easy to perform genetic experiment and huge size screening. In addition, many studies reveal that fruit fly has a similar molecular and neuronal sleep mechanism with mammalian organism. With Drosophila as a model, we identified a novel sleep and circadian regulating gene, the rogdi. We performed a forward genetic screening via NIG(National Institute of Genetics) P-element inserted library to find a novel sleep mutant. Through this screening, some short sleeping mutants were discovered and one of them had P-element near rogdi gene region. rogdi was reported previously as a learning and memory related gene. However, it was just mentioned briefly and wasn’t researched intensively. Hypomorphic rogdi mutant flies by P-element showed reduced sleep length especially in the nighttime. This mutant also had an arrhythmic circadian rhythm in DD condition, the short sleep phenotype is persisted in a period mutant background. An enhancer trap line in rogdi gene region showed its expression in sleep regulatory neurons in fly brains, like mushroom body, dopaminergic neurons and Pigment-dispersing factor (Pdf) expressing neurons. Furthermore, we overexpressed wild-type ROGDI via UAS-ROGDI with several Gal4 lines to narrow down sleep regulating neuron mediated by Rogdi. We found that expression of wild-type ROGDI in circadian neurons was not sufficient to recover their short sleep behavior in rogdi mutant background. Otherwise, overexpression in dopaminergic neuron by tyrosine hydroxylase (TH)-expressing Gal4 successfully rescued nighttime sleep in rogdi mutant. In addition, overexpression in octopaminergic neuron via tyrosine dehydroxylase2 (TDC2)-expressing Gal4 also restored sleep. TH is the enzyme responsible for converting L-tyrosine to L-3,4 dihydroxyphenylalanine ( L-DOPA). TH is known as rate-limiting enzyme for catalyzing dopamine (DA) from L-tyrosine. In rogdi mutant, TH expression level was elevated, especially in nighttime. Consequently, dopamine level is also increased. We also check mRNA level of several gene related with dopamine regulation and octopamine regulation. Interestingly, we found TH level and oamb mRNA level is increased in rogdi mutant. We clarified that ROGDI protein associates with RNA-binding proteins in a RNA-dependent manner. These data proposed that ROGDI is a novel regulator in dopamine signaling to promote sleep through TH translation interuption. Human has a rogdi homolog reported due to Kohlsch"utter-Tonz syndrome (KTS). KTS show mental retardation, epilepsy, amelogenesis imperfecta and developmental delay. Short sleep phenotype of rogdi mutant is restored via overexpression of human-ROGDI in adult brain. This result provides that fly can be a KTS model organism for studying.
수면은 사람의 삶에 있어서 매우 극적이고 중요한 현상이며 이는 포유동물과 무척추동물들에게도 동일하기 나타나는 현상이다. 하지만 수면과 각성을 조절하는 기작은 잘 알려져 있지 않다. 이들은 행동성 및 반응성 감소, 수면 항상성등 수면을 정의하는 다양한 생리현상들을 공유하기에 수면의 조절기전을 밝혀내기 위해 포유동물과 곤충에서 활발한 연구가 이루어지고 있다. 우리는 초파리를 이용하여 대량의 스크리닝을 수행하였고 rogdi 라고 명명된 수면과 생체리듬을 조절하는 새로운 유전자를 발굴하였다. rogdi 는 사람에서 Kohlschutter-Tonz 증후군 이라고 명명된 질병과 관련된 유전자임이 보고된 바 있으며 초파리에서는 학습 및 기억에 관여하는 유전자임이 밝혀졌다. 하지만 ROGDI 를 조절하는 분자적 기전에 대해서는 밝혀지지 않은 상태였다. 유전자 발현이 저해된 $rogdi^{P1}$ 과 4,5번 exon 이 제거된 $rogdi^{Del}$ 돌연변이 초파리의 수면양상을 확인한 결과 수면의 길이가 감소함을 확인했다. 주행성 행동양식을 보이는 야생초파리와 달리 돌연변이 초파리는 야행성 행동양상을 나타내는 것 또한 관찰하였다. 짧아진 초파리의 수면은 전체뉴런 혹은 TH 와 tdc2 뉴런에서 ROGDI 를 발현시키는 방법으로 회복시킬 수 있었다. ROGDI 가 부족한 상황에서 tdc2 뉴런을 활성화 시켰을 때에 아무런 효과가 나타나지 않는 현상을 관찰함으로써 tdc2 뉴런이 ROGDI 단백질이 수면을 조절하는 데에 중요한 역할을 함을 알 수 있었다. TH 신경에서 dopamine 수용체를 막았을 때에도 rogdi 돌연변이에서 아무런 양상이 나타나지 않는 것으로 보아 rogdi 돌연변이에서는 dopamine 으로 인한 수면조절 기작도 망가져있음을 확인하였다. $ROGDI^{Human}$ 을 초파리에서 과발현시켰을 때에도 수면이 회복되는 것을 관찰함으로써 초파리가 사람의 Kohlschutter-Tonz 증후군을 연구하는 데에 있어 모델동물이 될 수 있는 가능성을 제시하였다.
두 번째로 밝혀낸 ROGDI 의 새로운 기능은 생체리듬 조절이다. 저발현 돌연변이와 삭제 돌연변이는 특이적인 생체리듬 행동양상을 보였다. 무너진 생체리듬은 tim 뉴런에서 ROGDI 를 발현시켰을 때 회복되었다. 하지만 같은 조건에서 야행성 행동양식은 주행성으로 돌아오지 않음을 관찰할 수 있었다. 이를 통해 rogdi 유전자가 수면과 생체리듬을 조절하는데 다른 분자적 기작 및 신경회로를 사용하고 있음을 알 수 있었다. ROGDI는 생체리듬을 조절하는 중요인자인 CLK 단백질과 결합함을 관찰하였다. 또한 ROGDI는 유전자의 전사가 아닌 생성된 mRNA 로부터 단백질을 만드는 번역과정에서 특이적 역할을 하고 있음을 알 수 있었다.
이러한 결과들은 ROGDI 가 수면과 생체리듬을 아우르는 중요한 단백질임을 밝힘으로써 수면과 생체리듬간의 연결고리를 찾을 수 있는 중요한 단초를 제공하였다. 또한 사람과 초파리를 아우르는 유전자의 발굴을 통해 사람의 질병을 이해하는데 있어 초파리를 적합한 모델동물로 사용할 수 있는 새로운 가능성을 제시하였다.
