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폭염 속에서도 살아남는 식물의 비밀, RNA가 만드는 생존전략

- 식물이 고온 환경에서 생존하는 새로운 유전자조절 원리를 전 세계 최초로 규명 - 

사람은 더우면 옷을 벗거나 시원한 곳으로 이동할 수 있지만 식물은 옷을 벗거나 다른 곳으로 이동할 수도 없는데 어떻게 더위를 이기는걸까 누구나 한 번쯤은 가져봤을 의문이다.

한국생명공학연구원(원장 권석윤, 이하 생명연) 식물시스템공학연구센터 조혜선 박사 연구팀은 식물이 고온 스트레스에 맞서 살아남는 비밀을 분자 수준에서 처음으로 밝혀내며 기후 적응형 작물 품종 개발과 정밀 유전자 조절 기술 개발에 큰 기여를 할 것으로 기대되고 있다.

모든 생물의 DNA에는 유전정보가 저장되어 있으며, 이 정보를 복사해서 RNA라는 물질로 바꾼다. 이 RNA 안에는 단백질 합성에 필요한 부분(엑손)과 불필요한 부분(인트론)이 섞여 있어 불필요한 부분을 정밀하게 편집하는 작업이 필요하다.

이러한 RNA 편집과정을 ‘RNA 스플라이싱(splicing)’이라고 하며, 실제 편집작업을 수행하는 분자 복합체가 바로 ‘스플라이소좀(Spliceosome)’이다. 스플라이이소좀은 RNA를 정확하게 다듬는 일종의 재단사와 같은 역할을 하여 식물이 기능적인 단백질을 생산하도록 도와준다.

연구팀은 이 RNA 재단사인 스플라이소좀을 구성하는 핵심조절 단백질인 PP2A B′η(비프라임에이타)을 찾아냈다. 이 단백질은 식물이 고온 환경에 노출되었을 때 스플라이소좀의 작동 스위치를 켜는 역할을 함으로써 RNA 편집과정이 이뤄지고 식물이 고온 환경에 필요한 단백질을 적시에 만들어낸다는 사실을 전 세계 최초로 규명하였다.

또한, 연구팀은 이 핵심조절 단백질의 기능을 좀 더 정확히 알아보기 위해 이 단백질을 인위적으로 제거하거나 반대로 많이 만드는 실험도 진행했다. 그 결과 이 단백질이 없는 식물은 고온에서 씨앗을 틔우지 못하고 쉽게 죽은 반면, 이 단백질을 더 많이 가진 식물은 고온 환경에서도 건강하게 잘 자라고 생존율도 높았다.

더불어, 이 단백질이 결핍되면 다수의 유전자에서 RNA 편집이 제대로 이루어지지 않아 생존에 필수적인 단백질의 생산이 어려워져 식물이 고온 스트레스에 취약해진다는 분자적 기전도 함께 밝혀냈다.

연구책임자인 조혜선 박사는 “앞으로 기후변화로 인해 열에 강한 작물 개발의 중요성은 더욱 커질 것이며, 이번에 밝혀낸 PP2A B′η 단백질의 기능은 기후 적응형 작물 품종 개발과 정밀 유전자 조절 기술 개발에 큰 기여를 할 것으로 기대된다”고 밝혔다.

본 연구결과는 식물분야 국제 권위지인 『The Plant Cell』(IF 11.6) 2025년 5월 13일자 온라인 판에 게재되었으며, (논문명 : PROTEIN PHOSPHATASE 2A B′η drives spliceosome subunit dephosphorylation to mediate alternative splicing following heat stress/ 교신저자 : (생명연) 조혜선 박사 / 제1저자 : (생명연) 조승희 박사)

본 연구는 과기정통부 중견도약연구사업, 국가과학기술연구회 융합연구사업, 생명연 주요사업, 농진청 차세대농작물신육종기술개발사업의 지원으로 수행되었다.

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그림 1. 고온 스트레스 조건에서 PP2A B′η에 의한 RNA 스플라이싱 조절 모식도

PP2A B′η는 고온 환경에서 스플라이싱 인자의 인산기를 제거(탈인산화)하여 정상적인 RNA 스플라이싱이 일어나도록 조절한다(WT; + PP2A B′η). 하지만 pp2a b′η 돌연변이체(- PP2A B′η)에서는 이 조절이 작동하지 않아 스플라이싱 인자가 과인산화되고, 그 결과 비정상적인 스플라이싱이 발생한다.

그림 2. PP2A B′η는 스플라이솜 B to C 복합체의 구성 단백질로 식물세포 내 존재

(가)  PP2A B′η 과발현식물체의 IP-MS 결과

(나) IP-MS 분석을 통해 확인된 PP2A B′η 결합 단백질들의 GO 분류

(다) IP-MS 분석을 통한 PP2A B′η와 상호작용 단백질 간의 BiFC 분석. 스플라이솜 인자 단백질과의 세포 내 결합에 의한 형광 시스널.

(라) PP2A B′η와 U snRNA 간의 RNA-IP 분석. PP2A B′η가 U snRNA들과 결합하는 정도는, 면역침강(IP) 시료에서의 RNA 농도를 핵 추출물(Input) 시료와 비교한 비율(IP/Input, %)로 평가

그림 3. PP2A B′η는 종자 발아 과정에서 고온 스트레스에 대한 내성에 필수적 역할.

(가) 고온 스트레스를 받은 뒤, PP2A B′η 돌연변이체(pp2a b′η)는 뿌리 성장이 억제되며 과발현 식물체(PP2A B′η-FLAG-OE)는 Col-0(야생형)보다 고온 조건에서 뿌리가 길게 자란다.

(나) 고온 스트레스 조건에서 PP2A B′η가 결핍된 식물은 전해질 유출(electrolyte leakage)이 증가, 즉 세포막 손상이 크고 스트레스 저항성이 낮음을 나타낸다. 왼쪽 그래프, 정상조건; 오른쪽 그래프, 고온조건

(다) 실제 토양에서 키운 식물도 같은 경향을 보이며, PP2A B′η 과발현 식물은 고온 스트레스 후 2주 회복 뒤 생존율이 가장 높았다. 고온 처리 후 첫 번째 진엽의 크기를 비교한 결과, PP2A B′η 과발현 식물에서 잎 면적이 더 크고 건강한 생장을 유지하였다.

그림 4 PP2A B′η의 결합 모티브(BM) 돌연변이가 표적 단백질의 탈인산화에 미치는 영향

(가) PP2A B′η의 결합 모티브(BM)와 여기에 도입된 돌연변이(BMM) 구조를 도식화한 그림.

(나) 형광 복원(BiFC) 실험. 야생형 PP2A B′η는 PRP16, PRP18a 등 스플라이싱 인자들과 강하게 결합하지만, 결합 모티브가 변형된 PP2A B′ηBMM은 결합력이 현저히 감소함을 확인함.

(다) 루시퍼레이스 보완 발광 실험. 야생형 PP2A B′η는 PRP16, PRP18a 등 스플라이싱 인자들과 강하게 결합하지만, 결합 모티브가 변형된 PP2A B′ηBMM은 결합력이 현저히 감소함을 확인함.

(라) pp2a b′η 식물의 원형질체에 PRP 단백질과 함께 PP2A B′η 또는 PP2A B′ηBMM을 발현시켜 단백질의 인산화/탈인산화 상태를 확인. 야생형 PP2A B′ηWT는 PRP16과 PRP18a의 인산기를 제거(탈인산화)한 반면, 돌연변이체 PP2A B′ηBMM은 제대로 탈인산화를 유도하지 못함을 면역블롯과 정량분석으로 입증함.

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