바이오인

MEDEA 유전자 조절하는 상위유전자 DEMETER 발견
Imprinting조절 분자적인 메커니즘  밝혀

Dept. of Plant and Microbial Biology  Univ. of California, Berkeley,
최연희박사

캘리포니아대학 최연희 박사의 논문이 Cell지에 실렸다. Cell(110 : 33-42)지에 실린 최 박사의 논문은 그리이스 여신(Greek Godess of Fertility, Roman Version is Ceres)의 이름을 따서 DEMETER라는 유전자에 대한 연구이다. 

최 박사는 Arabidopsis(애기장대; 십자화과에 속하는 조그마한 식물체로서 현재 모든genome sequence가 밝혀져 있으며, 식물에서 주요 연구대상으로 쓰이는 식물)에서 50%의 씨가 돌연변이를 일으켜 발달이 되지 않고 나머지 50%의 씨만 정상적으로 성장을 하는 개체를 Screen 하여 얻었고, 이 개체에서 어떤 유전자가 돌연변이를 일으켜 이러한 현상이 일어나는 지 그 원인이 되는 유전자를 Cloning한 결과 DEMETER 유전자를 얻게 되었다고 한다.

DEMETER 유전자는 glycosylase 도메인을 갖고 있는 1,729개의 아미노산으로 구성되어 있는 거대한 단백질을 만들어내는 유전자로, 이 유전자에 이상이 생기면 배(embryo)는 heart stage에서 성장을 멈추고, 배에 영양을 공급하는 역할을 하는 배젖(endosperm)은 마치 암세포와 마찬가지로 비정상적인 세포분열을 거듭하다가 배젖이 과대생산(endosperm over-production)되어 결국 정상적인 씨를 형성하지 못하고 발달이 정지된다.

DEMETER 유전자는 극히 짧은 시간에 제한적으로 발현이 되는데, 꽃이 피어 수정이 되기 바로 직전 암술에 있는 생식세포 중의 하나인 central cell(수술에서 오는 sperm cell과 결합하여 배젖을 형성하며, 또 다른 생식세포인 egg cell은 또 다른 sperm cell과 결합하여 배를 형성하는 중복수정을 한다)에서만 발현을 하고 수정 후는 발현이 되지 않는다.

재미있는 사실은, 돌연변이 표현형질이 어머니에게서 오는 DEMETER 유전자가 정상인가 비정상인가에 따라 전적으로 결정이 되며, 아버지에게서 오는 DEMETER 유전자는 아무런 영향을 미치지 못한다는 것이다. 즉, 아무리 아버지에게서 받은 DEMETER 유전자가 정상이라도 어머니에게서 받은 DEMETER 유전자가 비정상이면 자식인 씨앗은 정상적인 발달을 하지 못하고 결국 돌연변이 형질이 나타나게 되는 것이다.

고등 생물체의 경우, 어머니 쪽에서 받은 유전자 set와 아버지 쪽에서 받은 유전자 set가 있어서 이 중 하나가 돌연변이가 생겨도 나머지 하나가 정상이면 돌연변이 표현형질이 나타나지 않으나, 몇몇 유전자의 경우, 한쪽에서만 발현이 되며 다른 한쪽에서는 발현이 되지 않도록 조절이 되어있기 때문에(gene silending), 발현이 되어야 하는 쪽에서 돌연변이가 생기면 그대로 표현형질이 나타나게 된다.

이러한 현상을 Genomic Imprinting이라고 하는데 주로 동물의 경우, 태아의 발달에 관련되어 있는 유전자들과 식물에서는 배젖 발달에 관계되어 있는 유전자에서 이런 현상을 찾아볼 수 있다.

Imprinting 현상은 양쪽 부모의 태아에 대한 관심이 서로 달라서 생긴 결과라는 이론(Parent-conflict theory)이 지배적인데, 어머니의 경우는 다음에도 생길 수 있는 자기 자신의 모든 자식에게 골고루 영양분을 나누어야 하기 때문에, 개개의 자식의 과대한 성장을 최대한 방지하려고 하는 전략을 쓰는 반면, 아버지의 경우는 오로지 지금 수정하는 나의 자식이 어머니의 몸체 안에서 살아남는 것에 전략을 두어서 될 수 있는 대로 모체로부터 영양분을 많이 섭취하여 태아의 성장을 도모함으로써 생존시키려는 데 관심이 있다.

그 결과, 태아나 배젖의 발달을 억제하는 유전자는 어머니 쪽에서 발현이 되며, 아버지 쪽에서는 발현이 안 되고, 반대로 태아나 배젖의 발달을 촉진하는 데 관련되는 유전자들은 어머니 쪽에서 발현이 안 되고 아버지 쪽에서만 발현이 되도록 진화적으로 조절되어 있다.

생물체는 Imprinting되어 있는 여러 유전자들의 균형이 이뤄져야 정상적인 태아와 배젖 형성이 이뤄진다. 식물체에서 Imprinting되어 있는 유전자로 최근에 관심의 대상이 되고 있는 MEDEA 유전자 역시 어머니 쪽에서만 발현을 하며 DEMETER 유전자의 돌연변이 형질과 거의 비슷한데, 그 이유는 DEMETER 유전자가 MEDEA 유전자의 발현을 조절하기 때문이다.

DEMETER 유전자가 오로지 암술의 central cell에서 발현이 되어 MEDEA 유전자의 프로모터(Promoter)를 작동시키는 반면, 수술 쪽에서는 DEMETER가 발현이 되지 않으므로 MEDEA는 아버지 쪽에서는 발현이 되지 못한다. 특히 DEMETER는 자신의 glycosylase 도메인을 이용하여 MEDEA 유전자의 프로모터에 Nicking을 유도하여 DNA구조를 변하게 함으로써 MEDEA 발현을 유도하는 것을 밝혀냈다.

지금까지 Genomic Imprinting에 대한 연구는 최근 10여년간 활발히, 집중적으로 연구가 되어왔는데, 아직까지 동물의 경우 태아발달이나, 식물의 경우 배젖 형성에 중요한 역할을 하는 Imprinting된 유전자들이 어떻게 발현이 조절되는지 밝혀지진 않았다.

이번 최 박사의 논문은 Imprinting된 유전자인 MEDEA 유전자를 조절하는 상위유전자인 DEMETER 유전자를 발견하고 어떤 메커니즘에 의해 Imprinting을 조절하는 지 그 분자적인 메커니즘을 밝혔다는 데 의의가 있다고 하겠다.