바이오인

핵심내용

이상기후에 대응한 단백질 품질제어 유전자 규명

- 환경 스트레스를 이겨내는 신기능 작물 개발 기대 -

□ 한국연구재단(이사장 조무제)은 “김우택·양성욱 교수(연세대학교) 공동 연구팀이 다양한 이상기후 스트레스를 감지하여 식물의 단백질 품질제어*를 조절하는 유전자를 규명했다”고 알렸다.

    * 단백질 품질제어(Protein Quality Control) : 생물체가 외부 스트레스로 인해서 변성된 단백질을 제거하거나 원상태로 돌리는 메커니즘

□ 가뭄, 고온, 냉해, 홍수와 같은 이상기후 재해는 식량작물에 심각한 악영향을 주기 때문에 열악한 환경에서도 잘 자라는 신기능 작물의 개발은 세계적인 연구과제로 대두되고 있다. 기존 연구들은 저온에 강한 유전자 등 특정 기후환경에 대한 적응을 주로 다루고 있을 뿐, 여러 환경 재해에 종합적으로 대응하는 방법에 대해서는 알려진 바가 거의 없다.

□ 연구팀은 세포 내 기능이 상실된 변성 단백질을 특이적으로 제거함으로써 다양한 환경 스트레스에 대응하여 식물의 생존력을 높이는 핵심 유전자(MPSR1)를 규명했다.

 ㅇ 연구 결과에 따르면 MPSR1 유전자를 많이 발현하는 식물체가 환경 스트레스를 보다 효과적으로 인식하고, 변성 단백질을 빠른 시간 내에 제거한다. 특히 단백질 분해효소 복합체(프로테아좀)에 결합하여 변성 단백질 분해를 효과적으로 촉진하여 식물의 생존율을 월등히 높여준다.

 ㅇ 흥미롭게도 MPSR1은 스트레스 여부에 따라 자가 조절할 수 있어서, 스트레스가 없는 평소에는 스스로의 기능을 억제하고 스트레스가 발생하면 이를 감지하여 기능을 회복하는 것이 확인되었다.

□ 김우택 교수는 “이 연구는 그동안 연구되지 않았던 식물의 이상기후 대응 단백질 품질제어 과정에서의 핵심 조절 유전자를 규명한 것”이라며, “가뭄에 취약한 벼, 고온에 취약한 배추·상추 등에 응용하면 이상기후 스트레스에 대응하는 신기능 작물 개발의 가능성을 열고, 세계적 농업경쟁력 확보가 기대된다”라고 연구의 의의를 설명했다.

□ 이 연구 성과는 과학기술정보통신부·한국연구재단 기초연구지원사업(개인연구)의 지원으로 수행되었으며, 국제학술지인 미국국립과학원 회보 PNAS(Proceedings of National Academy of Science, USA) 10월 30일자에 게재되었다.

□ 논문명, 저자정보

   - 논문명 : MPSR1 is a cytoplasmic PQC E3 ligase for eliminating emergent misfolded proteins in Arabidopsis thaliana
   - 저  자 : 김우택 교수 (교신저자, 연세대학교), 양성욱 교수 (공동 교신저자, 연세대학교), 김종흠 박사 (제1저자, 연세대학교), 조석근 박사 (공동 제1저자, 연세대학교), 오태린 박사과정 연구원 (공저자, 연세대학교), 유문영 박사 (공저자, 연세대학교)

□ 논문의 주요 내용

1. 연구의 필요성

   ○ 이상기후로 인한 고온, 저온, 고염, 건조, 홍수, 오존, 중금속 등과 같은 환경 스트레스는 식물세포의 단백질 구조 변성을 야기하고, 이렇게 유발된 단백질 이상 스트레스(proteotoxic stress)는 식물의 성장 및 발달을 크게 위협할 뿐 아니라 식량작물의 생산성 감소의 주요 요인이 되고 있다. 단백질 이상 스트레스에 대응하는 식물세포의 단백질 품질제어(protein quality control) 시스템 연구는 전 세계적으로 매우 부족하기 때문에 이와 관련한 유전자 발굴 및 그 기능 연구의 필요성이 절실히 대두되고 있다.

 2. 연구내용

   ○ 단백질 품질제어 반응을 조절하는 핵심 유전자를 발굴하기 위해서, 단백질 이상 스트레스를 유발하는 AZC 시약 혹은 중금속 비소(As)에 의해 발현이 증가되는 다양한 유전자들을 선별하였고, 이 유전자들을 과발현하는 형질전환 애기장대 식물체를 개발하였다. 형질전환 식물들의 스트레스에 대한 생존율을 점검해 본 결과, MPSR1 유전자를 과발현하는 식물체는 야생형에 비해 민감하게 환경 스트레스를 인식하였고 동시에 변성 단백질을 빠른 시간 내에 효과적으로 제거함으로써 환경 스트레스에 대한 생존율이 월등히 높다는 사실을 확인하였다.

   ○ 흥미롭게도 MPSR1 단백질은 스트레스가 없는 평상시에는 자가 조절 반응을 통해서 그 기능을 숨기고 있다가, 스트레스가 발생하면 그 스트레스를 감지하여 자가 조절 반응에서 벗어나 기능을 회복하는 것을 확인하였다.

   ○ 또한 MPSR1 단백질은 스트레스 조건에서 세포의 주요 단백질 분해 효소 복합체인 프로테아좀*과 결합하고 그 기능을 향상시켜 변성 단백질의 분해를 효과적으로 촉진한다는 것을 발견하였다.

 * 프로테아좀 (proteasome) : 세포내 단백질 항상성 유지 메커니즘의 중요 인자로서 다양한 단백질을 분해하는 거대 효소 복합체

 3. 연구 성과

   ○ 그동안 연구되지 않은 식물의 단백질 품질제어 반응의 핵심 조절인자를 발견하고 그 기능을 밝혔다는 점에서 큰 의미가 있고, 이 유전자의 과발현 형질을 식량작물에 적용할 경우 농업적으로 그 의미가 크다고 하겠다.

   ○ MPSR1 유전자가 스트레스에 의해 조절되는 고유의 자가 제어 메커니즘은 세포, 분자생물학 연구에 있어서 세계 최초로 이루어진 의미가 큰 학술적인 발견이고 추후 이 분야의 연구에 가이드라인을 제시할 수 있다는 점에서 국제적 연구 경쟁력을 선도하는 결과라고 할 수 있겠다.

   ○ MPSR1 유전자를 건조 스트레스에 취약한 벼와 같은 작물과 고온 스트레스에 취약한 배추, 상추와 같은 엽채류 작물에 적용할 경우 기존 작물보다 향상된 생존성과 수확량을 보이는 신기능 작물 개발이 가능해질 것으로 기대된다.

상세내용

연구개요

1. 연구배경

  ㅇ 단백질 이상 스트레스(proteotoxic stress)는 생물체 내에서 유전자 돌연변이, 스트레스, 노화 및 유해 화학물질에 의해서 3차구조가 손상된 이상 단백질(misfolded protein)을 형성하고, 이는 세포 내 중요 기관 및 단백질의 기능을 저해하여, 단백질 항상성(proteostasis)을 무너트림으로써 생물체의 생존에 크게 악영향을 미친다.

  ㅇ 고등 식물체에서 이상기후로 인한 고온, 저온, 고염, 건조, 오존, 홍수, 중금속 등과 같은 환경스트레스에 의해 생성된 활성산소(ROS: Reactive Oxygen Species)는 단백질의 구조 변성을 야기하고, 이렇게 유발된 단백질 이상 스트레스(proteotoxic stress)는 식물의 성장 및 발달을 크게 위협할 뿐 아니라 식량작물의 생산성 감소의 주요 요인이 되고 있다.

  ㅇ 그러나 단백질 이상 스트레스에 대응하는 식물세포의 단백질 품질제어(protein quality control) 시스템 연구는 전 세계적으로 매우 부족하기 때문에 이와 관련한 유전자 발굴 및 그 기능 연구의 필요성이 절실히 대두되고 있다.

 2. 연구내용

  ㅇ 단백질 품질제어 반응을 조절하는 핵심 유전자를 발굴하기 위해서, 단백질 이상 스트레스에 의해 발현이 증가하는 다양한 유전자들을 애기장대에서 선별하였고, 이 유전자들을 과발현하는 형질전환 식물체를 제작하였다. 형질전환 식물들의 스트레스에 대한 생존율을 점검해 본 결과, MPSR1 유전자를 과발현하는 애기장대 식물체는 야생형에 비해 민감하게 환경 스트레스를 인식하였고 동시에 변성 단백질을 빠른 시간 내에 효과적으로 제거함으로써 환경 스트레스에 대한 생존율이 월등히 높다는 사실을 확인하였다. 반면 MPSR1 유전자의 기능이 상실된 식물체는 환경 스트레스에 매우 취약하여 낮은 생존율을 보임을 발견하였다. 

  ㅇ 흥미롭게도 MPSR1 단백질은 스트레스가 없는 평상시에는 자가 조절 반응을 통해서 그 기능을 숨기고 있다가, 스트레스가 발생하면 그 스트레스를 감지하여 자가 조절 반응에서 벗어나 기능을 회복하는 것을 확인하였다.

  ㅇ 또한 MPSR1 단백질은 스트레스 조건에서 세포의 주요 단백질 분해 효소 복합체인 프로테아좀과 결합하고 그 기능을 향상시켜 변성 단백질의 분해를 효과적으로 촉진한다는 것을 발견하였다.

3. 기대효과

  ㅇ MPSR1 유전자를 건조 스트레스에 취약한 벼와 같은 작물과 고온 스트레스에 취약한 배추와 같은 엽채류 작물에 적용할 경우 기존 작물보다 향상된 생존성과 수확량을 나타내는 신기능 작물 개발이 가능해질 것으로 기대된다.

  ㅇ 또한 MPSR1 단백질의 자가 조절 반응과 프로테아좀과의 결합 및 안정화 메커니즘은 분자, 세포생물학적으로 큰 의미를 가지는 현상이며, 앞으로 이 분야의 글로벌 수준에서의 연구에 선도적인 역할을 할 것으로 사료된다.

연구이야기

□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

지난 수년간 본 연구실은 식물의 건조 스트레스 내성 반응을 연구해 왔으며, 식물의 건조 스트레스 반응이 다양한 호르몬과 유전자들이 관여한 복잡한 기작임을 알 수 있었다. 식물이 건조 스트레스를 받으면, 식물 세포 내에서 여러 가지 2차적인 스트레스 반응이 생성되고, 이 중 단백질 이상 스트레스가 유발된다는 사실을 발견하였다. 이러한 단백질 이상 스트레스는 건조 스트레스뿐만 아니라 고염, 고온, 중금속 같은 다양한 환경 스트레스로 인해서도 유발되기 때문에 단백질 이상 스트레스에 대한 “단백질 품질제어” 반응을 연구한다면 다양한 스트레스에 공통적으로 저항성을 나타내는 식물체를 개발할 수 있을 것으로 예상하였다.

□ 연구 전개 과정에 대한 소개

이상 기후로 인해 식물에 유발되는 단백질 이상 스트레스 대응 반응에서 기능하는 유전자를 확인하기 위해서, 스트레스 조건에서 발현이 증가하는 유전자들을 애기장대에서 선별하였고, 이들 유전자들을 과발현하는 형질전환 식물체를 제작하여, 야생형에 비해서 향상된 생존성을 보이는 식물체를 선별하였다. 이 중 MPSR1 유전자 과발현 식물체가 야생형에 비해서 월등히 높은 생존성을 나타냄을 확인하였다. 이후 MPSR1 유전자의 세포내 기능을 규명하기 위해서 다양한 실험을 수행하였으며, 그 결과 MPSR1 유전자는 단백질 이상 스트레스에 의해 생성되는 변성 단백질의 축적을 막는 단백질 품질제어 반응의 핵심 조절 기능을 한다는 사실을 밝혔다.

□ 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소가 있었는지? 어떻게 극복(해결)하였는지?

식물세포에서 단백질 품질제어를 조절하는 핵심 유전자에 대한 연구가 거의 전무한 상태이었기 때문에, MPSR1 유전자를 발견하고 그 기능을 점검하고 확인하는데 3년이라는 비교적 긴 연구 시간이 필요하였다. 특히 MPSR1 단백질은 스트레스가 없는 평상시에는 자가 조절 반응을 통해서 그 기능을 숨기고 있는 매우 독특한 특성 때문에 그 기능을 확인하는 연구 방법이 매우 정교해야만 하였다. 따라서 MPSR1 단백질이 만들어지는 현상이 스트레스 조건에서만 유발될 수도 있다는 가설을 세웠으며, MPSR1이 평상시에는 자기 자신을 스스로 분해하고 있다가, 스트레스가 발생하면 그 스트레스를 감지하여 자신의 기능을 회복한다는 것을 확인할 수 있었다.

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

본 연구의 성과는 그동안 많이 연구되지 않은 식물의 단백질 품질제어 반응의 핵심 조절인자를 발견하고 그 기능을 밝혔다는 점에서 큰 의미가 있고, 이 유전자의 과발현 형질 또한 작물에 적용할 수 있는 유용형질이기 때문에 농업적으로도 그 의미가 크다고 하겠다. 또한 MPSR1 유전자가 스트레스에 의해 조절되는 고유의 메커니즘은 분자세포생물학 연구에 있어서 세계 최초로 이루어진 의미가 큰 학술적인 발견이고 추후 이 분야의 연구에 가이드라인을 제시할 수 있다는 점에서 국제적 연구 경쟁력을 선도하는 결과라고 할 수 있겠다.

□ 꼭 이루고 싶은 목표와 향후 연구계획은?

MPSR1 유전자를 벼와 같은 가뭄에 취약한 작물과 고온에 취약한 배추 작물에 도입하여 유용한 신기능 작물 개발을 목표로 하고 있다.

□ 기타 특별한 에피소드가 있었다면?

이번 연구 결과가 식물학 분야뿐만 아니라, 분자, 세포생물학과 농학 분야에서도 중요하기 때문에,  연구결과를 미국 국립과학원에서 발간하는 종합과학저널 “PNAS(Proceedings of National Academy of Science USA)”에 직접 투고하였고, 심사자들의 호평을 얻어서 논문이 발간되게 되었다.

...................(계속)

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