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세포신호전달연구실

연구실 홈페이지 :
https://djyun2.wixsite.com/cslyun
실험실 소개

이동할 수 없는 식물은 주어진 외부 환경으로부터 끊임없이 스트레스(병충해, 건조, 고온, 냉해, 염해, 중금속, 양분결핍 등)를 받고 있으며, 이들 스트레스는 식물의 성장, 발육, 수확에 이러기까지 많은 영향을 미친다. 또한 이로 인한 식물세포의 손상 및 죽음은 농작물의 상품성과 생산성에 직결된다. 최근의 연구에 의하면, 식물은 외부 스트레스를 감지할 수 있을 뿐만이 아니라 일련의 신호전달체계를 가동시켜 스트레스관련 방어 유전자들을 활성화하는 정교한 환경 스트레스적응 메커니즘을 갖고 있음이 알려져 있다. 본 연구실의 연구목표는 식물의 스트레스 적응에 관여하는 핵심 신호전달 유전자를 확보하고, 이를 이용하여 궁극적으로는 환경재해에 저항성을 가지는 식물체를 개발하는데 있다.

주요연구분야
활성산소 신호전달 유전자의 기능규명

식물이 고온이나 저온, 강한 빛, 가뭄, 오존, 이산화황 등의 대기오염물질, 자외선, 제초제 등의 환경적인 스트레스를 받게되면 superoxide, hydrogen peroxide와 hydroxyl radicals등과 같은 과도한 활성산소 (Active Oxygen Species)가 생성되게 된다. 이렇게 생성된 과도한 활성산소군은 세포 내에서 독성을 나타내게 되며, 단백질, 막 지질, DNA 및 다른 세포구성성분에 oxidative damage를 일으키게 되며, 식물의 경우는 특히, 엽록체에서의 광합성 율을 저하시키게 된다. 보고에 의하며 식물체는 이러한 환경스트레스에 의하여 발생하는 활성산소의 생성을 인지할 뿐만이 아니라 정교한 신호전달체계를 통하여 이러한 활성산소의 양을 조절하는 방어체계를 구축하고 있는 것으로 알려져 있다. 그러나 식물이 어떻게 활성산소의 생성을 인식하고, 어떠한 신호전달경로를 거쳐서, 외부 환경재해에 대응하는지에 관한 분자수준에 관한 연구는 초기단계이다. 본 연구팀은 NDP kinase가 환경 스트레스 신호전달에 핵심적인 역할을 하는 유전자임을 규명하였다. NDP kinase 유전자는 가뭄, 저온, 고온, 수분결핍, 병원균 등의 환경 스트레스에 의하여 발생되어지는 활성산소에 의하여 발현이 유도되어지며, MAP kinase라고 하는 인산화 단백질과 결합하여 이들 단백질을 활성화시키며, 이들 MAP kinase단백질의 활성화는 세포내에 존재하는 항산화 유전자들의 발현을 증가시키게 되고, 최종적으로는 이들 유전자들의 발현조절을 통하여 세포내의 활성산소의 양을 조절하게 됨을 밝혔다. 또한, 이러한 NDP kinase 유전자의 기능해석을 바탕으로 NDP kinase를 식물체에 도입하여 대량발현 시켰고, 그 결과 NDP kinase를 대량 발현하고 있는 식물체는 그렇지 않은 식물체에 비하여 가뭄, 냉해, 염해 등의 모든 환경스트레스에 대해서 저항성을 가지는 복합재해 저항성 형질을 가짐을 확인할 수가 있었다 [Proc. Natl. Acad. Sci. USA (2003)100:358-363]

식물생체방어 단백질의 기능해석

식물 생체 방어 단백질 중 오스모친 (osmotin)이라고 하는 단백질은 식물이 병원균의 침임을 받거나, 환경 스트레스를 받게 되면 대량으로 축척되는 단백질이다. 또한 이 단백질은 성숙한 과일에 다량으로 함유되어 있다. 이 단백질은 약 30년 전에 식물에서 발견되었으나, 그 기능에 관한 연구는 전무한 상태이다. 본 연구팀은 오스모친의 생리활성 기전을 연구하기 위하여, 여러 생물학적 연구시스템을 조사한 결과 오스모친이 효모세포에 활성을 가지고 있다는 사실을 발견하였다. 효모는 단세포생물로서 분자유전학적인 연구를 수행하기가 용이한 모델 세포이다. 따라서 분자유전학적인 방법으로 오스모친의 활성에 영향을 받지 않는 효모돌연변이체들을 대량으로 분리하고, 해당 유전자를 찾은 다음, 오스모친의 생리활성기작에 관한 분자생화학적인 연구를 수행하였다. 연구팀은 오스모친을 효모세포에 투여하면 오스모친은 세포막에 존재하며, 7개의 세포막 통과구조를 가지고 있는 포쓸티식스 (pho36)라고 하는 수용체 (receptor)에 결합하게 되고, 오스모친-pho36의 결합은 생체내의 신호전달 경로를 활성화하여 지방대사기능을 조절한다는 사실을 발견하였다. 그리고 Bioinforamtics을 이용하여 pho36의 구조를 분석해 본 결과, 흥미롭게도 pho36가 동물세포에 당뇨 및 지방대사를 조절하는 에디포넥틴 (adiponectin)이라고 하는 호르몬이 결합하는 에디포넥틴 수용체 (adiponectin receptor)와 그 구조가 유사함을 알 수가 있었다. 또한, 오스모틴이 동물의 에디포넥틴과 유사한 구조를 가지고 있다는 사실도 확인할 수가 있었다. 에디포넥틴이 에디포넥틴의 수용체에 결합하면 에이엠피 인산화효소 (AMP kinase)를 활성화하여 지방산의 산화 (fatty acid oxidation)와 당 흡수 (glucose uptake)를 조절하는 것으로 알려져 있다. 따라서 위와 같은 결과를 바탕으로 본 연구팀은 동물세포에 오스모틴을 투여한 실험을 행한 결과 오스모틴은 에디포넥틴에 의하여 활성화되어 지는 에이엠피 인산화 효소 (AMP kinase)를 활성한다는 사실도 발견 하였다[Molecular Cell (2005)17:171-180].

애기장대 유전학 시스템을 이용한 스트레스 신호전달 연구

본 연구팀은 환경스트레스 신호전달 체계에 관여하는 핵심유전자들을 확보하기 위하여 애기장대 (Arabidopsis)유전학 시스템을 사용하였다. 애기장대는 전체 유전체의 size가 적고, 세대간격이 짧을 뿐만이 아니라, 형질전환이 간편하기 때문에 식물연구자들이 널리 이용하고 있는 모델 식물체이다. 우선 고유의 돌연변이체들을 대량으로 확보하기 위하여, Activation tagging법을 사용하여 T-DNA가 삽입된 돌연변이체를 대량으로 작성하였다. 이렇게 확보된 돌연변이체들을 환경스트레스가 가해진 식물배지에 파종하여, 스트레스 하에서 잘 자랄 수 없는 돌연변이체를 선발하였다. 이렇게 확보된 돌연변이체 중 하나는 정상적인 상태에서는 대조군(wild-type)식물체와 구별 없이 잘 자라지만 식물의 필수 영양소인 인산이온 (phosphate)이 결핍된 상태에서는 생육에 이상을 초래하는 표현형을 보였다. 이와 같은 결과로, 본 연구자들이 확보한 돌연변이체가 식물의 인산흡수신호전달에 핵심적인 역할을 하는 유전자가 결핍된 돌연변이체라는 것을 추정할 수가 있다. 인산은 식물체에 있어서 가장 중요한 영양소원의 하나이기 때문에 많은 연구자들이 인산에 표현형을 보이는 돌연변이체를 확보하고자 하였으나, 성공하지 못하고 있었다. 이러한 점을 생각할 때 본 연구팀이 확보한 돌연변이체는 식물의 인산결핍에 관한 유전자에 관한 최초의 분자수준의 연구를 할 수가 있는 재료가 될 것으로 생각하고 연구를 수행하였으며, 그 결과 돌연변이체로부터 해당 유전자의 분리할 수가 있었으며, 이 돌연변이체는 SUMO(small ubiquitin-like modifer) ligase 유전자에 T-DNA가 표식 되어져 SUMO ligase가 그 기능을 수행할 수 없음을 알 수가 있었다. 본 연구팀은 이렇게 식물에서 최초로 분리한 SUMO ligase를 SIZ1으로 명명하였으며, 계속 연구를 수행한 결과 SIZ1은 세포의 핵에 존재하면서, 인산흡수에 관여하는 유전자들의 발현을 활성화하는 transcription factor인 PHR1에 SUMO를 붙혀 줌 (ligation)으로서 인산흡수신호전달 조절에 핵심적인 기능을 수행 하고 있음을 알 수가 있었다. 또한 SIZ1은 식물의 innate immunity, cold stress response에 핵심적인 역할을 수행함을 알 수가 있었다 [Proc. Natl. Acad. Sci. USA (2005)102:7760-7765; Plant Journal (2007)49:79-90; Plant Cell (2007) 19:1403-1414].

Halophyte식물체 (Thellungiella halophila)를 이용한 스트레스 신호전달 연구

현재까지 식물환경스트레스에 관한 연구는 애기장대를 중심으로 한 연구였다. 그러나 애기장대는 glycophyte(스트레스 감수성식물)이기 때문에 애기장대를 모델식물로 이용하여 얻은 유전정보만으로 식물의 스트레스 저항성기작을 설명할 수 없다는 것이 일반적인 생각이다. 환경스트레스 저항성은 多遺傳形質(multigenic trait)이므로, 식물에 스트레스저항성을 부여하는 산물들을 만드는 생화학적 경로나, 스트레스 신호전달 경로는 서로 복잡하게 작용하고 있다. 환경스트레스에 대해서 훨씬 강한 표현형을 보이는 halophyte는 glycophyte보다 훨씬 더 효율적으로 스트레스 적응 (stress adaptation)에 필요한 component들을 이용할 수 있을 뿐만이 아니라 진화학적으로 다양한 스트레스 저항성 mechanism을 가질 것으로 생각되어진다. 따라서 halophyte를 모델식물로 이용하여 연구하면 이렇게 부족한 정보를 보충할 수 있을 뿐만이 아니라 salt stress저항성에 관여하는 중요한 component 유전자를 발견할 수 있을 것이라 기대되어 진다. 본 연구팀은 최근 Purdue대학과의 국제공동연구를 통하여 애기장대와 life cycle이 매우 유사하며, cDNA level에서 90%이상의 相同性 (identity)을 보일 뿐만이 아니라, 형태학적으로나 표현형적인 속성이 매우 비슷하고, 형질전환이 가능하면서 유전학적인 분석이 가능한 내염성 식물인 Thellungiella hallophila를 사용한 연구를 수행하고 있다. 따라서 앞으로의 T. hallophila를 모델식물로 한 연구가 진행되어지면 T. hallophila가 애기장대 보다도 스트레스에 대해서 훨씬 증가된 저항성을 가지는 이유가 (1) 신호전달 경로의 차이에 의한 것 인지, (2) 기능이 훨씬 강한 유전자에 의한 것인지, (3) 아니면 스트레스저항성을 부여하는 새로운 유전자에 의한 것인지를 알 수가 있을 것으로 기대된다.

(그림1) Luciferase image을 이용한 스트레스반응 돌연변이체의 선발. ssm1 mutant는 스트레스 반응 promoter에 luciferase가 연결된 유전자를 도입한 형질전환체를 back ground로 하여 pSKI015 vector로 T-DNA activation tagging된 mutant이다.

(그림2) 선발된 돌연변이체의 스트레스 표현형 검정. HOS15유전자가 파괴된 돌연변이체는 저온스트레스에 감수성을 보인다.

(그림3) 애기장대(A. thaliana)와 salt cress(T. thellungiella)식물체의 NaCl저항성 비교.