배현숙 교수팀, 식물 세포 내 에너지 고갈 상태에서 단백질 합성을 조절하는 새로운 유전자군 발견

시스템 수준에서의 식물연구에 패러다임 확장

배현숙 교수팀(시스템생물학과)이 식물이 밤과 같은 에너지가 부족한 상태에 적응하는 데 중요한 역할을 수행하는 새로운 유전자군을 발굴하고 그 기능을 최초로 규명했다.

식물은 광합성을 통해 유기물질을 생성하므로 빛의 정도와 세기를 감지하여 세포의 대사과정을 조절하고 당분의 저장과 분배를 효율적으로 할 수 있도록 진화해왔다. 광합성으로 주 에너지를 생산하는 고등식물의 경우 매일 밤낮이 반복되는 환경에 적응하기 위하여 반복적으로 이화작용과 동화작용을 미세하게 조절해야 한다. 이 중 대표적인 동화작용인 단백질 합성은 많은 양의 세포 내 에너지를 필요로 하므로 빛이 부족한 야간에는 매우 엄격하게 조절되어야 한다.

배현숙 교수팀은 이러한 에너지 결핍 상태에서 단백질 합성을 효과적으로 조절하는 새로운 유전자군(MRF family)을 발견하여 그 기능을 최초로 규명했다. 이는 빛 혹은 당분이 고갈된 조건에서 발현이 증가되는 유전자군으로 에너지가 결핍된 조건에서 독특하게 단백질합성을 조절한다는 사실을 밝혀낸 것이다. 본 연구 결과는 식물분야 최고 권위지인 ‘더 플랜트 셀(The Plant Cell)’지 2017년 11월 호에 게재되었다(Lee et al., MRF Family Genes Are Involved in Protein Translation Control, Especially under Energy-Deficient Conditions, and Their Expression and Functions Are Modulated by the TOR Signaling Pathway. The Plant Cell 2017 Nov. 29: 2895–2920).

특히 연구팀은 다양한 대사조절에 관여하는 TOR 신호전달 과정에 의해 이 유전자군 발현 이 조절되며 리보솜과의 결합 친화도 또한 인산화를 통해 조절됨을 밝혔다.

배현숙 교수는 “식물의 에너지 결핍 상태에서의 단백질 합성에 대한 연구는 기존에 연구가 되어있지 않았던 분야로 특별한 조건에서의 단백질 합성에 대한 연구가 시스템 수준에서의 식물연구에 패러다임 확장을 제시할 것으로 기대된다.”고 연구의 의의를 설명했다. 예컨대, 애기장대의 개화시기 조절 또한 MRF 유전자군의 기능여하에 따라 차이를 보이는 것을 발견했고 이는 기존에 전사조절 수준에서만 연구되었던 식물 개화시기 조절이 단백질 번역 수준에서도 조절될 가능성을 제시한 셈이다. 연구팀은 “이러한 결과를 경엽채소(상추, 배추 등)등에 도입한다면 개화시기와 노화를 지연시켜 상품성 향상에 기여할 수 있을 것”으로 설명했다.

본 연구는 배현숙 교수 연구팀의 이두화 석·박사 통합과정 학생(제1저자)이 주도했으며 같은 연구팀의 박승준 석·박사 통합과정 학생과 안창숙 박사후 연구원이 공동연구로 참여했다. 한편, 본 연구는 한국연구재단이 주관하는 중견연구자지원사업(핵심연구), 농촌진흥청의 식물분자육종사업단 및 시스템합성농생명공학사업단의 지원으로 수행되었다.

[그림] 야생형 식물과 MRF 유전자의 발현이 저하된 식물과 MRF 유전자가 과발현된 식물의 리보솜 프로파일링 결과.

(푸른선) 빛과 당분 공급 후 각 식물체에서의 리보솜 프로파일링 결과

(붉은선) 빛과 당분 공급 중단 후 식물체에서의 리보솜 프로파일링 결과

빛과 당분이 공급이 원활한 조건에서는 야생형과 MRF 돌연변이체의 리보솜 프로파일링 결과의 차이가 없었으나, 빛과 당분 공급을 중단한 에너지 결핍상태에서 MRF 결핍 식물체의 모노리보솜 피크가 야생형보다 감소하였고 MRF1 과발현 식물체의 모노리보솜 피크가 야생형보다 증가하였다.