식물의 기공 움직임 조절하는 새로운 단백질 발견- 'GLR단백질 칼슘채널' 활성화원리, 전기·생리학적 방법으로 규명

식물의 기공 움직임 조절하는 새로운 단백질 발견- 'GLR단백질 칼슘채널' 활성화원리, 전기·생리학적 방법으로 규명

 

보도일 2016-12-07 02:00 연구단명식물 노화 수명 연구단

 

 

 

 

식물의 기공 움직임 조절하는 새로운 단백질 발견
-  ‘GLR단백질 칼슘채널’ 활성화원리, 전기․생리학적 방법으로 규명 -

 
식물은 잎 표면에 미세한 구멍인 기공을 평방센티미터(1㎠)당 수 만개씩 갖고 있다. 식물은 기공을 통해 광합성에 필요한 이산화탄소를 식물 체내로 받아들이고, 광합성 부산물인 산소와 물을 대기 중으로 내보낸다. 기공은 식물이 숨을 쉬는 ‘코’인 셈이다.

기공의 움직임을 조절하는 세포 메커니즘은 식물의 생존과 생장에 필수적인데, 특히 칼슘이 중요한 작용 인자로 알려져 있다. 세포 내 칼슘이온은 동식물 세포 모두에서 보편적으로 사용되는 신호전달 물질로, 공변세포(한 쌍이 마주 붙어 기공을 이루는 세포) 내 칼슘이온(Ca2+) 농도는 특히 기공을 닫는데 관여해, 식물의 수분 유출을 막는다. 그러나 공변세포 내 칼슘이온의 통로인 칼슘채널에 대해서는 아직까지 연구를 통해 규명된 사실이 많지 않은 상황이다.

미래창조과학부 산하 기초과학연구원(IBS) 식물 노화‧수명 연구단(단장 남홍길) 곽준명 그룹리더(DGIST 뉴바이올로지 교수) 연구진은 모델식물인 애기장대를 이용해 공변세포에서 그동안 알려지지 않았던 ‘GLR3.1/GLR3.5 GLR단백질(GLR3.1/GLR3.5): 아미노산 중 하나인 글루탐산(glutamate)은 동물의 중추신경계에서 중심적인 흥분성 신경전달물질로 작용하는데, 이들의 수용체 중 하나인 글루탐산 수용체(Glutamate receptor)는 일종의 이온 채널로 글루탐산에 의해 채널이 열려 양이온(Ca2+, Na+, K+)들을 통과시키게 된다. 식물은 동물과 같은 중추신경계를 가지고 있지 않지만 동물의 Glutamate receptor와 유사한 기능을 하는 단백질들을 가지고 있어 ‘GLR’이라는 이름을 붙였다. 이 단백질의 역할에 대해 많은 관심이 모아지고 있다.
 칼슘채널’을 처음 발견하고, 특정 아미노산이 이 칼슘채널을 활성화해 세포내로 칼슘이온을 유입시키는 역할을 수행함을 전기․생리학적 방법으로 입증했다.
공변세포는 빛‧수분‧이산화탄소‧온도‧흔들림 등 다양한 환경조건에 반응해 기공을 열고 닫는 역할을 수행한다. 공변세포 세포막에 존재하는 칼슘채널이 열려 칼슘이온()이 공변세포 안으로 들어오면 일련의 세포신호 반응을 거쳐 세포 내 삼투압이 떨어지고, 이로 인해 공변세포 속 수분이 밖으로 빠져나가 부피가 줄어 기공이 닫히는 원리다.

연구진은 GLR 단백질로 이루어져있을 것이라 추정됐던 새로운 칼슘채널의 존재를 확인하기 위해 20가지 종류의 아미노산을 애기장대 잎에 모두 처리했다. 그 결과, L형 메티오닌(L-Methionine) 아미노산이 GLR3.1과 GLR3.5 단백질로 이루어진 칼슘채널과 반응함을 확인했다. GLR3.1/GLR3.5 유전자가 정상인 공변세포와 두 단백질의 해당 유전자를 결여시킨 돌연변이체 공변세포를 만들어 각각 L-메티오닌을 처리하고 관찰한 결과, 정상 공변세포에서는 칼슘이 이동하면서 생기는 전류가 세포막에 흐르는 것을 확인한 반면, 두 유전자가 결여된 돌연변이체 공변세포에서는 칼슘의 이동에 따른 전류가 검출되지 않음을 밝혔다. 이로써, L-메티오닌이 GLR단백질로 이루어진 칼슘채널을 열리게 하여 세포 내로 칼슘이온을 유입하게 함을 증명한 것이다. 

 또한, 연구진은 이 유전자들이 결여된 애기장대 식물에서 과일이나 채소에서 칼슘이 부족하여 생기는 배꼽썩음병 배꼽썩음병 (Blossom end rot) : 배꼽썩음병은 과실에서 꽃이 달려있던 부위가 썩기 시작해 암갈색으로 변하고 쭈그러드는 병의 일종으로 칼슘결핍이 그 원인이다. 칼슘은 식물체 내 다른 기관으로의 이동이 어렵기 때문에 과실 벽에 칼슘이 결핍되기 쉬우며 그 결과 배꼽썩이 과실이 발생하게 된다.
 증상과 유사하게, 꽃대의 말단에 칼슘 부족에 의한 세포괴사가 일어난 것을 관찰했다. 즉, GLR3.1/GLR3.5 칼슘채널은 기공개폐를 조절할 뿐만 아니라 세포분열이 왕성한 조직에 칼슘을 제공하는 기능을 함으로써 식물의 성장과 발달에 필수적이라고 할 수 있다.

이번 연구는 GLR3.1/GLR3.5 단백질 칼슘채널이 식물세포 내 적절한 칼슘 농도조절에 핵심적인 역할을 하며, 기공개폐를 조절하고, 식물의 성장과 발달에도 상당한 영향을 미치는 것을 확인했다는 데 의의가 있다.

이번 연구결과는 셀 (Cell) 자매지인 ‘셀 리포츠 (Cell Reports, IF 7.870)’ 에 12월 6일(미국 동부 시간) 게재됐다.

연 구 결 과 개 요

L-Met Activates Arabidopsis GLR Ca2+ Channels Upstream of
ROS Production and Regulates Stomatal Movement

Dongdong Kong, Heng-Cheng Hu, Eiji Okuma, Yuree Lee, Hui Sun Lee, Shintaro
Munemasa, Daeshik Cho, Chuanli Ju, Leah Pedoeim, Barbara Rodriguez, Juan Wang,
Wonpil Im, Yoshiyuki Murata, Zhen-Ming Pei, June M. Kwak*
(Cell Reports, in press)

 식물의 기공은 물이 부족할 때는 닫혀 수분 유출을 막고, 숨을 쉬어야 할 때는 열리는 등 여러 환경의 변화에 민감하게 움직여야 식물이 정상적으로 생장하고 살아갈 수 있다. 기공의 움직임은 공변세포 내 세포막에 존재하는 칼슘채널의 영향을 받는데, 이러한 칼슘채널을 이루는 단백질 자체에 대한 기존 연구는 매우 제한적이었고, 단백질을 활성화하는 메커니즘도 구체적으로 밝혀진 바가 적었다. 공변세포 내 칼슘채널 중, 동물세포의 신경전달물질인 글루탐산 수용체 이온 채널과 비슷한 염기서열을 가진 GLR 식물단백질로 이루어진 칼슘채널이 있을 것이라 추정했지만, 식물세포의 이러한 칼슘채널을 발견하고, 그 기능에 대해 증명한 연구는 없었다.
 IBS 식물 노화‧수명 연구단 곽준명 그룹리더 연구진은 GLR단백질로 이루어진 칼슘채널을 찾기 위해 식물세포 내 칼슘 농도를 높이는 역할을 하는 아미노산을 애기장대 잎에 처리했다. 20가지 종류의 아미노산 중, L-메티오닌만이 새로운 종류의 칼슘채널인 GLR3.1/GLR3.5 칼슘채널에 반응함을 확인해, 이 채널을 처음으로 발견했다. 또한 정상인 공변세포와 두 유전자를 결여시킨 돌연변이체 공변세포에 L-메티오닌을 처리해 비교한 결과, L-메티오닌이 GLR3.1/GLR3.5 칼슘채널을 활성화해 세포 내로 칼슘이온을 유입하게 함을 증명했다. 또한, 연구진은 이 유전자들이 결여된 식물의 꽃대 말단이 칼슘 부족에 의해 괴사되는 현상을 발견해 칼슘채널이 식물의 성장과 발달에도 중요한 역할을 수행한다는 사실을 밝혀냈다.

그   림   설   명

[그림 1] GLR3.1/GLR3.5 유전자가 세포 내 칼슘 및 식물발달에 미치는 영향

(A) 세포 내 칼슘 농도를 눈에 잘 띄게 보여주는 광단백질 에쿼린(Aequorin)을 이용하여 세포질 내 칼슘 농도를 측정한 결과, GLR3.1과 GLR3.5 두 유전자가 결여된 돌연변이체(glr3.1/3.5)내의 칼슘 농도가 두 유전자가 정상인 세포에 비해 25% 가량 낮은 것을 확인할 수 있었다. 두 GLR 유전자가 결여된 세포는 GLR단백질로 형성된 칼슘채널이 기능할 수 없어, 세포 내 칼슘이온 유입이 원활하지 못한 것이다.
* WT - 정상세포(에쿼린 처리하지 않음)
  WT:AQ – 정상세포에 에쿼린 처리
  glr3.1/3.5:AQ – GLR3.1과 GLR3.5 두 유전자 결여된 돌연변이 세포에 에쿼린 처리
  에쿼린(Aequorin) - 에쿼린은 발광 해파리에 존재하는 광단백질로, 칼슘 이온 처리 시, 푸른빛을 방출 한다. 에쿼린의 발광 현상은 칼슘 이온의 농도에 따라 세심하게 조절되므로, 세포 내 칼슘 이온을 관찰 하는데 주로 사용된다.

(B) glr3.1/3.5 돌연변이체의 꽃대 말단에 배꼽썩음병과 유사한 병증으로 노랗게 세포괴사가 일어남을 발견하였다. 이를 통해 GLR단백질로 형성된 칼슘채널은 식물의 성장과 발달에도 중요한 영향을 발휘한다고 추론해볼 수 있다.

[그림 2] GLR3.1/GLR3.5 칼슘채널이 세포 내 칼슘 및 식물발달에 미치는 영향

수분 스트레스를 받은 식물은 뿌리에서 식물 호르몬인 ABA(앱시스산, Abscisic acid)가 합성돼 잎의 공변세포에 축적된다. 공변 세포내에 ABA 농도가 증가하게 되면 세포내 존재하는 ABA 수용체와 결합하고 일련의 반응을 거쳐 SnRK2 인산화효소를 활성화하며, SnRK2는 NADPH를 NADP+로 바꾸는 NADPH 산화 효소의 반응을 유도해 활성산소 (ROS)가 생성된다. 활성산소는 공변세포의 세포막에 있는 칼슘 채널을 열리게 하고 이렇게 유입된 칼슘 이온은 일련의 세포 신호전달과정을 거쳐서 세포내 삼투압을 떨어뜨리고, 물이 빠져나가게 해 기공이 닫힌다. L-메티오닌에 의해 활성화되는 GLR3.1/GLR3.5 칼슘 채널은 NADPH 산화 효소를 활성에 필요한 초기 칼슘 유입을 책임지며 공변세포 내로 유입된다. GLR3.1/GLR3.5 칼슘 채널은 활성산소에 의해 활성화되는 칼슘 채널과는 다른 새로운 종류의 칼슘채널로, 본 연구에서 처음 발견했다.

* ABA (앱시스산): 식물이 가뭄이나 저온 등과 같은 stress에 대응하는 세포 반응을 일으키게 하는 식물 호르몬
  SnRK2 인산화 효소: 앱시스산이 유도하는 세포반응에서 필수적인 역할을 하는 단백질 인산화 효소
  NADPH 산화효소: 산소를 기질로 사용하여 활성산소를 만들어내는 효소. SnRK2 인산화 효소와 칼슘에 의해 활성화된다.
  ROS (활성산소): 반감기가 매우 짧은 활성화된 산소들로서 세포에게 해를 입히기도 하지만 신호전달 물질로도 작용한다.

곽준명 IBS 식물 노화·수명 연구단 그룹리더 이력사항

                                                           
1. 인적사항
 ○ 소속 : 기초과학연구원(IBS) 식물 노화·수명 연구단
 

2. 경력사항
 ○ 1998.12 – 1991.02 대웅제약, 약학연구소, 연구원
 ○ 1997.05 - 2002.06 캘리포니아대학교, USA, 박사 후 연구원 (HFSP, 한국연구재단지원)
 ○ 2002.07 - 2003.08 캘리포니아대학교, USA, Division of Biological Science,
                     박사 후 선임연구원
 ○ 2003.08 - 2010.07 메릴랜드대학교, USA, Department of Cell Biology and Molecular
                    Genetics, 조교수
 ○ 2010.06 - 2013.05 경희대학교, Department of Plant Molecular System Biotechnology         Crop Biotech Institute, 겸임 부교수
 ○ 2010.07 - 현재    메릴랜드대학교, USA, Department of Plant Science and
                     Landscape Architecture, Affiliate Associate Professor
 ○ 2010.08 - 2014.01 메릴랜드대학교, USA, Department of Cell Biology and Molecular
                    Genetics, 부교수 
 ○ 2014.01 - 2016.02 메릴랜드대학교, USA, Department of Cell Biology and Molecular
                    Genetics, 겸임교수 
 ○ 2016.07 – 현재    메릴랜드대학교, USA, Department of Plant Science and
                     Landscape Architecture, 겸임교수             
 ○ 2014.01 - 현재    DGIST, 뉴바이올로지전공, 부교수
 ○ 2014.01 - 현재    기초과학연구원, 식물 노화‧수명 연구단, 그룹리더

4. 전문 분야 정보
 ○ 2010.06 – 2013.05 International Scholar, 경희대학교 
 ○ 2012.10 Most cited paper award, J. Plant Biol. 
 ○ 2004.06 General Research Board, 메릴랜드대학교 
 ○ 2003.01 Travel award, 22nd SymposiuminPlantBiology,CA,UCBioSTAR 
 ○ 2002.06 Travel award, 13th Int’l CongressonArabidopsisResearch,Spain,NSF
 ○ 1999.07 Travel award, 10thInt’l CongressonArabidopsisResearch,Australia,NSF 
 ○ 1998.06 – 2000.05 Human Frontier Science Program Postdoctoral Fellowship 
 ○ 1997.06 – 1998.05 Korea Research Foundation Postdoctoral Fellowship 
 ○ 1995.09 – 1997.02 Predoctoral Fellowship, 서암학술장학재단 
 ○ 1994.09 – 1995.08 Predoctoral Fellowship, 한국산학재단 
 ○ 1993.09 – 1994.08 Predoctoral Fellowship, Plant Molecular Biology and
    Biotechnology Center 

이유리 IBS 식물 노화·수명 연구단 연구위원 이력사항

                                         
1. 인적사항
 ○ 소속 : 기초과학연구원(IBS) 식물 노화·수명 연구단
 

2. 경력사항
 ○ 2008 – 2009 POSTECH 박사후연구원
 ○ 2009 – 2014 University of Lausanne, Switzerland 박사후연구원
 ○ 2014 - 현재 기초과학연구원(IBS) 식물 노화‧수명 연구단 연구위원