식물이 꽃 피는 시기 결정하는 단백질 기능 밝혀- PWR 단백질, 탈아세틸화 과정 유도해 성장․개화 시기 조절

식물이 꽃 피는 시기 결정하는 단백질 기능 밝혀- PWR 단백질, 탈아세틸화 과정 유도해 성장․개화 시기 조절

 

보도일 2016-12-19 12:00 연구단명식물 노화 수명 연구단

 

 

 

 

 식물이 꽃 피는 시기 결정하는 단백질 기능 밝혀
- PWR 단백질, 탈아세틸화 과정 유도해 성장․개화 시기 조절  -
 
 식물은 동물처럼 적극적으로 움직일 수 없기 때문에 생존을 위해 외부 환경의 변화에 민감하게 대응해야 한다. 때문에 식물은 후성유전학(epigenetics)적 메커니즘을 통해 발달, 성장, 적응, 노화 등의 생애 전반에 걸쳐 중요한 유전적 결정들을 내린다. 후성유전학적 조절 메커니즘은 DNA에 담긴 유전정보의 변화 없이, DNA 주변부와 DNA에 결합하는 단백질복합체의 구조 변화로 유전자 발현을 조절하는 방식이다.

 기초과학연구원(IBS, 원장 김두철) 식물 노화·수명 연구단 곽준명 그룹리더와 김윤주 연구위원은 리버사이드 캘리포니아대(UC Riverside)의 쉐메이 첸(Xuemei Chen) 교수팀과의 공동 연구를 통해 모델 식물인 애기 장대를 이용하여 후성유전학적 유전자 발현 메커니즘을 밝히는 데 성공했다. PWR단백질(POWERDRESS) PWR 단백질(POWERDRESS): 2013년 ‘POWERDRESS and Diversified ｅxpression of the MIR172 Gene Family Bolster the Floral Stem Cell Network’ (Plos Genetics) 논문에서 처음으로 연구된 단백질이다. 개화 시기나 꽃 기관 형성 조절에 관여한다는 생물학적 기능은 앞의 논문에서 밝혔으나 정확한 작용 메커니즘을 알 수 없었다. 이 연구에서 탈아세틸화 효소 중 하나인 HDA9와 복합체를 구성하고, 아세틸화된 히스톤에 결합함으로써, 개화 조절 유전자 중 하나인 AGL19의 탈아세틸화를 촉진하는 역할을 수행함을 처음으로 밝혔다.
이 히스톤 탈아세틸화 효소(Histone Deacetylase) 중의 하나인 HDA9(Histone Deacetylase 9)와 복합체를 이뤄 식물의 성장 및 개화시기를 조절함을 밝힌 것이다.

 여러 후성유전학적 조절 메커니즘 중 하나로 알려진 히스톤 아세틸화/탈아세틸화 히스톤 아세틸화(acetylation)/탈아세틸화(deacetylation): 히스톤 아세틸화효소는 히스톤 단백질에 아세틸기를 붙임으로써, 뉴클레오솜의 연결을 느슨하게 풀어 DNA 전사가 진행돼 유전자를 활성화되도록 한다. 히스톤 탈아세틸화효소는 반대로 히스톤 단백질에 결합한 아세틸기를 떼어냄으로써, 히스톤 단백질이 서로 다시 뭉쳐 DNA 전사가 진행되지 못하게 한다. 이 두 효소가 작용하여 유전자 발현 정도가 적절히 조절되도록 한다.
 과정은 히스톤 아세틸화 효소(acetylase)와 탈아세틸화 효소(deacetylase)에 의한 뉴클레오솜(Nucleosome)3) 뉴클레오솜 (Nucleosome): 크로마틴(염색질)의 기본구조를 하는 단위 구조체. 히스톤(Histone) 단백질 8개와 DNA이중 사슬이 결합한 규칙적인 덩어리 구조를 말한다. 4종류의 히스톤(H2A, H2B, H3, H4)이 8량체를 형성하고, 그 주위를 DNA가 1.75 회전하여 감긴 구조를 하고 있다. H2A, H2B, H3, H4 히스톤은 주로 분자중앙에서 C말단측에 상호작용하며 N말단영역에서 DNA와 이온결합하고 있다.
의 구조 변형을 통해 이루어진다. 히스톤 아세틸화 효소가 뭉쳐져 있는 히스톤 단백질에 아세틸기 아세틸기(acetyl group): －COCH3로 표시되는 원자단으로, 카보닐기에 단일결합으로 연결된 메틸기를 포함한다. 신경전달물질인 아세틸콜린 등을 포함한 다양한 유기화합물의 구성성분이다.

를 붙여 뉴클레오솜의 연결을 느슨하게 하면,  DNA 전사가 가능해 유전자 발현이 촉진된다. 반대로 탈아세틸화 효소가 느슨하게 연결된 히스톤 단백질의 아세틸기를 떼면 뉴클레오솜이 다시 뭉쳐, 유전자 발현 정도가 감소하게 된다(그림1 참조).

 특히 탈아세틸화 과정이 제대로 진행되지 않는 경우, 잎이 작게 자라거나 꽃이 빨리 피는 등 식물의 성장과 발달에 문제가 발생한다. 하지만 아세틸화/탈아세틸화 효소 각각의 기능과 구체적인 작용 메커니즘에 대한 연구가 미비한 상황이다.

 PWR 단백질은 개화 시기 조절과 꽃의 기관 형성 기능을 수행한다는 사실이 기존에 알려져 있었으나 구체적인 작용 메커니즘은 밝혀진 바가 없었다. 연구진은 PWR 단백질과 HDA9의 해당 유전자를 각각 결여시킨 돌연변이체를 관찰한 결과, 정상 식물에 비해 히스톤 단백질의 아세틸화가 증가하며, 그에 따른 개화 유전자 발현 또한 증가됨을 확인했다. 두 돌연변이체에서 아세틸화되는 히스톤 단백질들의 유전체 상 위치와 발현이 증가하는 유전자들의 종류가 상당히 유사했는데 그 결과 두 개체 모두 정상 식물보다 개화시기가 빨랐고, 열매 끝이 뭉툭한 모양이었다. 즉, HDA9와 PWR 단백질은 동일한 유전적 경로를 통해 탈아세틸화 작용을 수행, 식물의 성장과 개화 시기 조절에 관여함을 밝혀낸 것이다.

 유전체 분석을 수행한 결과, PWR은 HDA9와 직접 결합해 복합체를 이루고, 아세틸화된 히스톤 단백질에 결합해 탈아세틸화를 촉진하는 것으로 나타났다. 결과적으로 PWR-HDA9 복합체는 애기 장대의 개화 조절 유전자 중 하나인 AGL19의 탈아세틸화를 촉진함으로써 유전자의 발현 정도를 조절, 식물의 개화 시기를 조절함이 증명됐다.

 이 연구는 식물에서 PWR-HDA9 복합체의 구성과 PWR 단백질의 탈아세틸화 기능을 처음으로 밝힌 데 의의가 있으며, 향후 정교하게 조절되는 식물 후성유전학적 메커니즘의 이해에 기여할 것이다. 연구결과는 ‘미국국립과학원회보(PNAS, IF 9.423)’ 온라인판에 12월  5일(미국 동부시간) 게재됐다.[붙임] 1. 연구 결과 개요  2. 연구 이야기  3. 그림설명  4. 연구진 이력사항

연 구 결 과 개 요

 
POWERDERESS and HDA9 interact and promote histone H3 deacetylation at specific genomic sites in Arabidopsis
Yun Ju Kim*, Ruozhong Wang, Lei Gao, Dongming Li, Chi Xu, Hyunggon Mang, Jien Jeon, June M. Kwak, Beixin Mo, Langtao Xiao, Xuemei Chen*
(PNAS, pressed)

  식물은 후성유전학적인 유전자 발현 조절 메커니즘을 통해 성장과 발달, 개화, 열매, 노화 등 생애 전반에 걸쳐 중요한 유전적 결정을 내린다. 히스톤 아세틸화/탈아세틸화 과정은 여러 후성유전학적 조절 메커니즘 중 하나로, 아세틸화 효소/탈아세틸화 효소가 작용하여 유전자 발현 정도가 적절히 조절된다. 히스톤 탈아세틸화 효소 중 하나인 HDA9는 개화 시기와 꽃의 기관 형성에 관여한다는 것이 기존에 알려져 있었으나, 작용 메커니즘, 특히 조력 단백질에 대해서는 알려진 바가 없었다. 연구진은 식물의 줄기 세포 활동에 관여하여 개화시기를 조절하는 것으로 알려진 PWR 단백질에 주목했다. 동물세포에서 탈아세틸화 과정을 유도하는 단백질 복합체의 일부 영역(domain)이 PWR 단백질의 영역과 유사한 점에 착안, 식물의 PWR 단백질도 히스톤 탈아세틸화 과정에 관여할 것이라 추측한 것이다. PWR 단백질의 유전자를 결여시킨 아기장대 돌연변이체를 관찰한 결과, 히스톤 단백질의 아세틸화가 증가했으며, 그에 따른 개화 유전자 발현 또한 증가됨을 확인했다. 이로써, PWR 단백질이 탈아세틸화 과정에 관여해 개화시기를 조절하는 역할을 수행함을 밝혔다.
  PWR 단백질의 탈아세틸화 효소인 HDA9와 PWR 단백질의 해당 유전자를 각각 결여시킨 돌연변이체를 관찰한 결과, 두 돌연변이체에서 아세틸화되는 히스톤 단백질들의 게놈 상의 위치와 발현이 증가하는 유전자들이 종류가 상당히 높은 상호 유사성을 보임을 확인했다. 또한, 두 돌연변이체는 서로 매우 비슷한 표현형을 보였는데, 두 개체 모두 정상 식물보다 개화시기가 빨랐고, 열매 끝이 뭉툭한 모양이었다. 즉, HDA9와 PWR 단백질은 동일한 유전적 경로를 통해 탈아세틸화 작용을 수행함을 밝혀낸 것이다.
  유전체 분석 결과, PWR와 HDA9는 직접 결합해 복합체를 이루고, PWR 단백질이 아세틸화된 히스톤 단백질에 결합해 탈아세틸화를 촉진하는 것으로 나타났다. 결과적으로 PWR-HDA9 복합체는 애기 장대의 개화 조절 유전자 중 하나인 AGL19의 탈아세틸화를 촉진함으로써 유전자의 발현 정도를 조절, 식물의 개화 시기를 조절함이 증명됐다.

연구 이야기

□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

2013년 공동 제1저자로 꽃의 개화 시기나 꽃 기관 형성을 조절하는 PWR 유전자에 대한 연구 결과를 Plos Genetics에 게재하였다. 그 연구를 통해 PWR 유전자의 생물학적인 기능을 이해하였으나 정확한 작용 메커니즘에 대한 답을 얻지는 못하였고 따라서 자연스럽게 후속 연구로써 그 메커니즘을 밝히고자 노력하였다.

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

2013년 PWR에 대한 첫 논문을 발표할 때까지 PWR 유전자는 전혀 연구된 적이 없었는데, PWR 유전자의 기능을 유추할 수 있는 유일한 단서인 PWR 단백질의 SANT 도메인(domain; 영역)은 식물에서 그 기능에 대한 연구가 거의 미비했다. 때문에 연구 초반에 연구 속도가 생각만큼 빨리 나지 않았다. 또한 일에 대한 아이디어를 풀어가기 시작할 때쯤, 식물노화수명연구단의 곽준명 박사님 그룹에 합류하게 되어 새로운 연구 환경을 구축하다 보니 연구의 흐름이 원활하지 못했다. 그러나 결론적으로 새로운 환경과 사람들 덕분에 프로젝트를 끌어가는 원동력을 얻을 수 있었다. 서로 다른 배경지식을 가진 사람들로부터 얻을 수 있는 다양한 아이디어와 기술력이 성공적인 결과로 이어졌다고 생각한다. 다시 한번 그룹 리더이신 곽준명 박사님과 모든 그룹 구성원들에게 감사의 말씀을 드린다.

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

히스톤 탈아세틸화 효소는 많은 수의 유전자군으로 구성되어 있다. 이러한 탈아세틸화 효소들은 히스톤의 아세틸기를 제거한다는 공통적인 기능이 있지만 목표로 하는 유전자들의 종류와 시공간적 발현 시기 등의 차이로 각각의 특이적인 기능이 있을 것으로 생각된다. 모델 식물체인 애기장대의 히스톤 탈아세틸화 효소 중에 하나인 HDA9은 개화시기와 꽃의 기관 형성에 관여한다는 것이 기존 연구를 통해 알려져 있었지만 그 작용 메커니즘, 특히 조력 단백질에 대해서는 알려진 바가 없었다. 본 연구는 처음으로 PWR이 HDA9과 직접 결합함으로써 복합체를 이루어 히스톤 탈아세틸화를 촉진함을 밝히고 HDA9 복합체의 구성과 기능을 규명했다. 또한 PWR에 존재하는 SANT 도메인의 기능이 식물에서는 거의 알려진 것이 없는데 SANT domain을 통해 PWR이 변형된 히스톤 H3에 바인딩하며 이 과정이 HDA9의 유전체 상의 목표를 설정하는 방식일수 있다는 중요한 단서를 제공하였다. 궁극적으로 복잡하고 정교하게 조절되는 후성유전학적 메커니즘에 대한 이해를 확장했다는 데 의의가 있다.

□ 꼭 이루고 싶은 목표와, 향후 연구계획은?

연구그룹의 목표 중 하나는 ‘식물의 발달과 노화를 조절하는 후성유전학적 메커니즘의 이해’이다. 보다 부단한 노력과 조화로운 팀워크를 통해 후성유전학적 메커니즘의 연구 영역을 확장하고자 한다. 히스톤 변형과 함께 요즘 많은 주목을 받고 있는 non-coding RNA를 통한 후성유전학적 조절 메커니즘이 식물의 발달과 노화를 어떻게 조절하는지, 흥미로운 가설과 그 증명 과정을 통해 이 분야의 보다 나은 이해에 기여하고자 한다.

□ 기타 특별한 에피소드가 있었다면?

논문을 마무리 하는 과정에서 다른 실험실에서 거의 비슷한 주제로 논문을 준비한다는 것을 알게 되었다. 자칫하면 몇 년의 노력이 빛을 볼 수 없을 거라는 생각에 걱정이 앞섰지만 결과적으로 거의 비슷한 시기에 두 개의 논문이 발행됨으로써 잘 마무리가 되었다. 지금까지의 경험 중 가장 단기간에 논문 작성 및 마무리 실험까지, 불가능할 것 같았던 일들을 결국 해냈다. 그 당시에는 무척 힘들다고 생각했는데 지나고 보니 더 잘 할 수 있다는 자신감과 추진력을 배울 수 있는 좋은 경험이었다.

그   림   설   명

[그림 1] 히스톤 아세틸화/탈아세틸화 개념도
염색체는 크로마틴(염색질)이 응축되고 엉킨 구조인데, 가장 기본 단위는 뉴클레오솜이다. 이 뉴클레오솜이 실처럼 길게 연결될 것이 크로마틴이고, 세포 분열기에 응축된 것을 염색체라 한다. 뉴클레오솜은 히스톤 단백질 8개가 DNA에 감긴 단위체인데, 아세틸화 효소에 의해 히스톤 단백질에 아세틸기가 붙으면, 히스톤의 연결이 느슨해지면서 DNA 전사가 가능해 유전자가 활성화된다. 반면, HDA9와 같은 탈아세틸화 효소가 히스톤 단백질에 결합하면, 히스톤으로부터 아세틸기를 떼어내 뉴클레오솜의 연결이 응축되고, DNA 전사가 불가능해 해당 부위의 유전자가 비활성화된다. 이 연구에서는 PWR단백질이 HDA9와 결합해 복합체를 이루고, PWR단백질이 히스톤에 결합하여 탈아세틸화 과정을 촉진함을 확인했다.

[그림 2] PWR와 HDA9 돌연변이체의 표현형
(위) pwr 과 hda9 돌연변이체 표현형은 매우 흡사하다. 대조군인 Col 식물에 비해 pwr 과 hda9 돌연변이체의 애기장대 개화시기가 빠른 것을 확인할 수 있다. 또한, pwr 과 hda9 유전자 모두 결여시킨 이중 돌연변이체의 개화 시기가 pwr과 hda9 각각의 돌연변이체와 비교하여 큰 차이 없이 비슷한 시기에 개화하는 것으로 관찰되는데, pwr, hda9 두 유전자가 동일한 유전적 경로를 통해 개화에 관여함을 알 수 있다.
(아래) 암술이 수정 후 발달하여 씨앗을 가지는 긴 모양의 열매(장각과)를 보면, 역시 대조군인 Col식물에 비해 pwr 과 hda9 돌연변이체의 열매 끝이 뾰족하지 않고 뭉툭한 모양임을 알 수 있다.     

[그림 3] PWR과 HDA9의 AGL19 유전자 발현 조절을 통한 개화 시기 조절
(A) 개화시기가 빨라진 pwr 과 hda9 돌연변이체에서 AGL19 (꽃의 개화를 조절하는 유전자중 하나)의 발현이 증가하였다. 이러한 발현의 증가는 pwr 과 hda9 이중 돌연변이에서도 확인되었으며, 이는 두 유전자가 유전적으로 같은 신호전달체계에서 작용함을 다시 한번 입증하는 결과다.
(B) AGL19 유전자의 히스톤 H3부분의 아세틸화(H3Ac)를 측정했을 때 대조군인 Col 식물에 비해 pwr2 과 hda9 돌연변이체에서 더 많은 아세틸화가 관찰되었는데, 이것은 PWR와 HDA9가 히스톤 탈아세틸화를 촉진함으로써 AGL19을 발현을 조절함을 입증한다.

연구진 이력사항

<김윤주 IBS 식물 노화․수명 연구단 연구위원, 제1저자 및 교신저자>

1. 인적사항                             
 ○ 소  속 :  IBS 식물 노화‧수명 연구단
 

2. 경력사항
 ○ 2001 - 2002  연세대학교, 연구원
 ○ 2003 - 2004  농촌진흥청, 연구원
 ○ 2013 –현재  기초과학연구원(IBS), 식물 노화‧수명 연구단, 연구위원
 

<곽준명 IBS 식물 노화‧수명 연구단 그룹리더, 공동저자>

1. 인적사항                                   
 ○ 소  속 : IBS 식물 노화․수명 연구단

2. 경력사항
 ○ 1988 - 1991  대웅제약, 연구원
 ○ 1997 - 2002  University of California, San Diego, 박사 후 연구원
 ○ 2002 - 2003  University of California, San Diego, 선임 연구원
 ○ 2003 - 2010  University of Maryland, College Park, Department of Cell       biology and Molecular Genetics, 조교수
 ○ 2010 - 2013  경희대학교, 겸임교수
 ○ 2010 - 2014  University of Maryland, College Park, 부교수
 ○ 2014 - 현재  University of Maryland, College Park, 겸임교수
 ○ 2014 - 현재  기초과학연구원(IBS), 식물 노화‧수명 연구단, 그룹리더
 ○ 2014 - 현재  대구경북과학기술원, New biology 학과 부교수