바이오인

핵심내용

- 미국립과학원회보 발표,“가뭄이나 병충해 스스로 이겨내는 벼 재배 가능성 열어”-

 □ 세계 4대 식량작물인 벼의 유전자 소셜네트워크가 국내 연구진의 주도로 규명되었다.

 ○ 이인석 교수(연세대)가 주도하고 로날드 교수(미국 캘리포니아대, Ronald), 마콧 교수(미국 텍사스주립대, Marcotte) 및 서영수 교수(부산대)가 참여한 이번 연구는 교육과학기술부(장관 이주호)와 한국연구재단(이사장 오세정)이 추진하는 중견연구자지원사업(도약연구)의 지원을 받아 수행되었고, 연구결과는 세계적으로 권위 있는 과학전문지인 ‘미국립과학원회보(PNAS)’에 온라인(10월 31일)으로 게재되었다.

     (논문명 : Genetic dissection of the biotic stress response using a genome-scale gene network for rice.)

□ 이인석 교수 연구팀은 세계 식량의 26%를 차지하는 벼의 유전자들 간의 기능적 상관관계를 지도화한 유전자네트워크를 규명하는데 성공하였다.

○ 우리는 잘 모르는 사람을 추측할 때 종종 ‘유유상종’의 가정을 이용한다. 이는 대개 취향이나 직업이 비슷한 사람들끼리 소셜네트워크에서 가까운 관계를 보이는 사회학적 현상에 근거한 것이다. 이러한 소셜네트워크를 이용해 개별 사회구성원을 연구하는 방법은 생물체 내에 존재하는 유전자의 기능연구에도 활용될 수 있다.

 ○ 유전자는 생물체의 기능을 담당하는 단백질의 고유정보를 포함하고 있는데, 사람은 대략 2만여 개, 식물은 3~5만개이다. 만일 유전자들 간의 기능적인 상관관계를 밝혀 지도화한다면, 우리는 이것을 유전자들의 소셜네트워크라고 할 수 있다. 즉, 이 유전자네트워크를 이용하면 유유상종의 가정을 통해 사람의 성향을 추측할 수 있는 것처럼, 새로운 유전자의 기능도 예측할 수 있다.

□ 이인석 교수팀은 벼의 총 유전자의 절반에 달하는 2만개에 가까운 유전자를 모두 연결한 유전자 소셜네트워크를 경제작물 중에서 처음으로 구축하고, 이를 이용해 병충해 저항성에 중요한 3개의 새로운 유전자(록스 1, 2, 3)를 발굴하였다.

 ○ 이 교수는 지금까지 △미생물인 효모(Science 2004) △동물모델인 선충(Nature Genetics 2008) △식물모델인 애기장대(Nature Biotechnology 2010) △인간(Genome Research 2011)의 유전자 소셜네트워크를 구축하여, 사람의 질병과 식물의 환경저항성에 중요한 새로운 유전자들을 효과적으로 예측하여 발굴할 수 있음을 증명해왔다.

○ 특히 이번에는 경제작물인 벼의 유전자네트워크를 구축하여, 네트워크 기반의 유전자 연구법이 미래 지구촌의 식량, 에너지 및 환경문제를 해결하는 중요한 열쇠가 될 수 있음을 보여주었다.

 ○ 또한 연구팀은 이 네트워크를 이용해 겨우 5개의 후보 유전자들만을 테스트하여, 병충해의 저항성을 증진하는데 핵심적인 3개의 록스(rox) 유전자를 발굴해내는 데에도 성공하였다. 이는 기존의 무작위탐색기반의 유전학적 연구법에 비해 새로운 유전자의 기능을 최소 수십 배 이상 효율적으로 발굴할 수 있는 방법이다. 향후 경제적으로 중요한 작물의 형질을 조절하는 유전자들을 효과적으로 발굴하는데 크게 기여할 것으로 기대된다.

□ 이인석 교수는 “21세기 식량, 에너지 및 환경문제가 글로벌 이슈로 대두됨에 따라, 식물연구의 중요성은 점차 증대되고 있다. 이번 연구는 아시아 최대 작물인 벼의 유전자 소셜네트워크를 완성하여, 이것을 통해 가뭄이나 병충해 같은 유해환경에 저항하는 유전자를 발굴하고, 형질전환 작물을 개발할 수 있는 가능성을 증명한 성공사례이다. 이러한 유전자네트워크는 향후 농업과 바이오 에너지 연구 등에 획기적인 발전을 가져올 것으로 기대한다”고 연구의의를 밝혔다.

상세내용

용   어   설   명

1. 유전자네트워크

 ○ 사람들이 서로 연결되어 “사회”라는 휴먼네트워크를 이루고, 컴퓨터들이 서로 연결되어 “인터넷”이라는 컴퓨터네트워크를 구성 하듯이, 생물체 안에 존재하는 유전자들도 기능적으로 서로 연결되어 “유전자네트워크”를 형성한다.

 ○ 성격이 비슷한 사람들이 더욱 가깝게 지내듯이 기능이 유사한 유전자들도 보다 밀접하게 관련되어 있으므로, 이들 관련성을 지도화한 유전자네트워크를 이용하면, 미지의 유전자기능을 밀접하게 연관된 이웃 유전자들의 이미 잘 알려진 기능을 근거로 예측하는 것이 가능하다.

 ○ 현대 생물학의 화두로 떠오르고 있는 시스템생물학에서 유전자 네트워크는 매우 중요한 연구 목표이자 수단이 되고 있다.  

2. 록스(rox) 1, 2, 3

 ○ 벼에 병원세균이 침입하면 이를 가장 먼저 감지해 벼의 면역시스템을 가동하게 하는 단백질이 XA21이라는 단백질이다. 이 XA21의 활성을 조절하는 많은 다른 유전자들이 있는데 이들 단백질 모두가 벼의 병원균에 대한 저항성에 매우 중요한 역할들을 한다. 이러한 유전자들 중 이번 연구에서 새로이 발굴된 세 유전자들을 Regulator Of XA21 (ROX) 1, 2, 3 라고 명명하였다.

사   진   설   명

벼의 유전자네트워크 이미지. 총 18,377개의 벼 유전자가 588,221개의 기능적 상관관계로 연결되어있다.

[연세대학교 네트워크생명공학 연구실 연구원들의 모습]

이번 연구에 참여한 (왼쪽부터) 이인석 교수, 오태윤 박사 (박사후 연구원), 황소현 박사 (박사후 연구원)