경상대 김재연 교수, 세계최초 식물단백질의 세포이동신호 규명·세포간 정보교환 암호해독
‘유전자와 발달’은 생명과학 분야 최상위 학술지로 ‘미니 셀’지라 할 정도로 지명도가 높으며 영향력지수(임팩트 팩터;impact factor)는 20 정도이다.
화제의 주인공 김재연 교수는 지난 2월 식물학 관련 최고의 리뷰저널(Current Opinion in Plant Biology)에 초청 리뷰논문의 발표 외에도 2003년도에만 학계 초특급저널인 Current Biology, EMBO J, Development 등에 논문들을 발표하였고 그 외 미국학술원저널(Proc. Natl. Acad. Sci., USA), 미국식물생리학회지(Plant Physiology)외 다수의 국제적 학술지(SCI급)에 논문을 발표하며 활발한 연구활동을 하고 있다.
또한 김재연 교수는 국제 플라스모데스마타 학회와 일본 식물생리학회 주최 2005년 심포지엄에 초청되기도 했으며 2008년 국제 플라스모데스마타 학회의 경상대학교 유치를 위해 노력하는 등 국제적인 학술활동을 펼치고 있다.
‘지방의 세계화’라는 패러다임 속에서 경상대학교 생명과학분야에서는 ‘네이처’, ‘셀’ 등에 논문을 발표한 이래, 또다시 연구결과가 세계 최고수준의 학술지인 ‘유전자와 발달’에 발표됨으로써 ‘경상대학교의 생명과학분야 연구역량이 세계적 수준’이라는 것을 증명하게 되었다.
공동저자인 임영길(28·석사과정 1년차) 씨는 학부 3학년 과정에서 김재연 교수의 연구원으로 발탁돼 연구에 참여했으며 “이렇게 큰 연구성과를 냈다는 사실이 믿기지 않는다”며 “대학원에서 더욱 열심히 연구에 매진하겠다”는 각오를 다져 눈길을 끈다.
이번에 발표된 연구는 김재연 교수와 미국 콜드스프링하버 연구소(Cold Spring Harbor Lab)의 데이비드 잭슨(David Jackson) 박사와 공동연구로 수행되었다.
【연구 배경 및 내용, 의미, 기대효과】
◇ 연구배경
모든 조직과 기관을 갖추고 태어나는 동물의 태아와 달리 식물의 배아는 떡잎 외에 줄기세포(meristem cells)만을 갖고 후천적으로 잎· 줄기·뿌리·꽃·열매 등 모든 기관을 만들어 간다. 같은 유전정보 (DNA)를 갖는 이 줄기세포들이 어떻게 다양한 기능을 수행하는 조직·기관의 세포로 분화하는가를 푸는 것은 생물학의 가장 오랜, 그리고 중요한 숙제의 하나인 동시에 현재 뜨거운 이슈인 동물 줄기세포 연구의 실용화시 넘어야할 가장 큰 장벽이다.
식물 세포생물학을 전공하고 있는 김재연 교수는 세포간 정보교환이라는 틀 속에서 이 해답을 찾고자 연구하고 있다.
세포는 자신이 존재하는 환경/위치를 주변세포와 정보교환을 통해 인지하며 그에 따라 자신의 운명을 결정한다는 것이다. 식물세포는 ‘플라스모데스마타’라고 불리는 세포간 채널을 통해 각종 영양물질이나 신호물질 등을 교환하며 정보교환을 하고 이 정보교환을 통해 비로소 고유한 세포의 기능을 수행한다.
최근 고분자 단백질이나 RNA등이 이 채널을 통해 이동한다는 사실이 알려졌고 식물의 발달에 핵심적인 역할을 한다고 제안되었다. 바이러스가 한 세포에서 다른 세포로 감염될 때 이 플라스모데스마타 채널을 통해 이동한다는 사실과 최근 몇몇 식물단백질이 세포간에 이동할 수 있다는 사실이 알려졌지만, 고분자 단백질이 어떻게 크기가 작은 채널을 통과하는지에 대한 메커니즘 및 채널을 확장시키는 신호는 전혀 알려져 있지 않고 있다.
플라스모데스마타를 통한 신호·영양물질의 이동경로 및 조절 메커니즘 규명은 고수확성 작물개발 및 바이러스 및 기타 스트레스 저항성 식물 개발 등에 폭넓게 활용될 수 있는 핵심기반기술을 제공할 것이다.
이전 연구에서 김재연 교수 연구진은 옥수수 발달 관련 전사인자 단백질인 나티드원(KNOTTED1)이 채널을 통해 이동할 수 있다는 사실을 미국학술원저널에 발표하였고 이번 발표에서 채널의 문을 여는 열쇠 역할을 하는 이동신호를 규명하였다.
◇ 연구내용
김재연 교수 연구진은 나티드원의 C-말단에 위치한 호메오도메인이 단백질/RNA의 이동에 필요할 뿐만 아니라 충분하다는 사실을 규명하였다. 기존에 호메오도메인은 전사인자의 DNA에 결합하는 도메인으로만 알려졌으나 이 연구를 통해 호메오도메인의 새로운 기능을 추가시키는 성과를 올렸다.
이 연구결과는 눈에 볼 수 없는 세포간의 단백질 이동을 간단하게 확인할 수 있는 새로운 분석법의 개발에 힘입었다. 그림에서 보는 것처럼 정상적인 야생형 식물세포는 표면세포에서 털세포를 만든다. 하지만 GL1 단백질이 고장이 난 식물은 털세포를 만들 수 없다. 이 GL1 단백질을 속세포에 발현시키면 세포 사이에 이동할 수 없기 때문에 표피세포에서 털세포를 만들 수 없다.
하지만 단백질 이동신호를 갖는 단백질과 융합하여 속세포에 발현시키면 표피세포로 이동하여 털세포를 만들게 된다. 이런 분석법을 사용하여 김 교수 연구진은 나티드원의 C-말단에 호메오도메인에 단백질 이동신호가 있다는 사실을 규명하였다.
이 이동신호는 채널의 크기를 증가시킬 수 있는 게이팅신호(gating signal)를 역시 포함할 것으로 예측되며 이 신호의 완전한 규명은 식물생명공학에서 도약의 밑거름이 될 것으로 기대된다.
◇ 의미 및 기대효과
1. 식물 세포간 고분자 정보·물질이동 관련 기초연구분야에서 세계 최고 수준의 연구역량 확보
단백질의 식물세포간 이동 메커니즘의 완전 규명을 위해 한 걸음 다가선 이 연구결과를 통해 한국 연구팀이 세계 최고 수준의 연구역량을 가지고 있음을 보여준 것으로 차후 이 학문 분야에서 선진 연구팀들과 대등한 연구 경쟁이 가능하게 되었다.
2. 식물생명공학의 핵심기반기술 개발의 교두보 확보
이 연구는 순수기초 연구분야임에도 불구하고 식물생명공학의 핵심기술을 제공할 수 있는 분야이다. 플라스모데스마타 채널을 통한 신호 및 영양물질의 이동제어는 다양한 응용이 가능한 영역이다.
① 줄기세포가 어떤 기작에 의해 고유한 기능을 수행하는 분화된 세포로 되는가를 결정하는 세포간 정보교환 메커니즘을 밝힘으로써 식물의 발달 및 그 표현형을 산업적으로 적합하게 만들 수 있을 뿐만 아니라 동물 줄기세포연구에 파급효과를 줄 수 있을 것으로 전망된다.
② 식물은 고도로 분화된 기관 및 조직으로 구성되어 있다. 광합성을 통해 빛과 이산화탄소를 이용해 탄소동화작용을 하는 잎(공장), 공장에서 만들어진 제품을 사용하거나 인간이 사용할 수 있게 축적하는 뿌리나 열매 등의 기관(시장). 공장과 시장을 연결하는 유통망이 바로 플라스모데스마타와 체관이다.
현재 많은 연구들은 활발한 공장의 생산활동을 위해서는 유통과 시장이 활성화되어야 하며 유통과 시장이 마비되면 바로 광합성이 정지된다는 사실을 보여주고 있다. 플라스모데스마타의 채널 크기 조절 메커니즘의 규명은 우리가 원하는 조직으로 탄소동화물을 더 많이 보낼 수 있게 하여 식물생명공학을 통한 작물의 공장화에서 핵심기반기술을 창출할 것이다.
③ 플라스모데스마타를 통한 물의 이동, 다양한 신호의 이동 및 바이러스의 감염 등을 고려할 때 플라스모데스마타 채널의 조절을 통해 수분 스트레스나 각종 바이러스의 감염에 저항성을 갖는 작물의 개발이 가능할 것이다.
웹사이트: http://www.gsnu.ac.kr
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