식물 생체시계가 잎의 노화 조절
식물 생체시계가 잎의 노화 조절
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[그림 1] 생체시계 유전자 돌연변이들의 잎의 노화 표현형 연구진은 잎의 생애에 따라 9종의 생체시계 주요 유전자에 돌연변이가 일어나 제 기능을 하지 못하는 돌연변이 식물에서 잎의 노화 현상을 관찰하였다. 잎이 생성된 후 20일부터 노화되어 잎의 노랗게 변하는 현상(yellowing)을 관찰한 결과, 야생형(Col-0)과 비교하여 elf3-7, elf4-209, lux-2와 같은 돌연변이는 노화가 빨라진 것을 확인했다. 이와 비교하여, cca1-11, prr7-3, prr9-1, toc1-101, gi-2와 같은 돌연변이는 야생형과 비교하여 노화가 지연된 현상을 보였다. 이 결과를 통해, 생체시계가 잎의 노화 조절에 밀접하게 관련하고 있음을 확인할 수 있다
[그림 1] 생체시계 유전자 돌연변이들의 잎의 노화 표현형 연구진은 잎의 생애에 따라 9종의 생체시계 주요 유전자에 돌연변이가 일어나 제 기능을 하지 못하는 돌연변이 식물에서 잎의 노화 현상을 관찰하였다. 잎이 생성된 후 20일부터 노화되어 잎의 노랗게 변하는 현상(yellowing)을 관찰한 결과, 야생형(Col-0)과 비교하여 elf3-7, elf4-209, lux-2와 같은 돌연변이는 노화가 빨라진 것을 확인했다. 이와 비교하여, cca1-11, prr7-3, prr9-1, toc1-101, gi-2와 같은 돌연변이는 야생형과 비교하여 노화가 지연된 현상을 보였다. 이 결과를 통해, 생체시계가 잎의 노화 조절에 밀접하게 관련하고 있음을 확인할 수 있다

논문명 : Circadian control of ORE1 by PRR9 positively regulates leaf senescence in Arabidopsis. (Proceedings of the National Academy of Sciences of the U. S. A, Online Published)

저자정보 : Hyunmin Kim1, Hyo Jung Kim, Quy Thi Vu, Sukjoon Jung, C. Robertson McClung, Sunghyun Hong*, and Hong Gil Nam*

 

기초과학연구원(원장 김두철) 식물 노화·수명 연구단(단장 남홍길, DGIST Fellow) 연구팀은 식물이 하루(24시간 주기)를 인지하도록 하는 일주기 생체시계 유전자가 주요 노화 유전자의 발현에 영향을 미쳐 잎의 노화를 조절할 수 있음을 밝혔다. 식물은 하루 주기를 인지하는 일주기 생체시계 시스템을 지니고 있다. 일주기 생체시계는 지구에 사는 거의 모든 생명체는 지구 자전에 의해서 생기는 주기적인 환경 변화에 적응하기 위한 내부 시스템을 가지고 있다. 생명체의 다양한 생리 활동을 24시간 주기인 일주기 리듬에 맞춰 조직화하는 이 시스템을 ‘일주기 생체시계’라 한다. 이 시스템을 통해 언제 햇빛을 받기 위해 잎을 펼치고, 닫는지, 언

제 꽃을 피우는지 등 생체 반응의 정확한 시기를 알려주는 시계로, 씨앗의 발아에서부터 개화까지 식물 발달에 중요한 과정들에 영향을 미친다고 알려져 있다.

최근 식물 노화에 관여하는 유전자들의 발현이 이러한 일주기 리듬에 영향을 받는다는 단서가 보고되기 시작했으나, 일주기 생체시계와 노화 유전자 발현과의 상관관계를 구체적으로 규명한 연구는 없었다.

이에 따라 IBS 식물 노화·수명 연구단 연구팀은 모델 식물인 애기장대(Arabidopsis)를 이용, 식물의 일주기 시계를 조절하는 유전자가 식물 노화 핵심 유전자인 오래사라1(ORESARA1; ORE1)의 발현을 직·간접적으로 조절해 결국 잎의 노화에도 영향을 미친다는 사실을 발견하는 데 성공했다. 남홍길 IBS 식물 노화·수명 연구단장(DGIST Fellow 교수) 연구팀은 2009년 애기장대에서 노화와 관련된 3개의 주요 유전자 회로에 의해 식물의 노화가 조절됨을 밝혔다. ORESARA1은 남단장이 찾아낸 이 세 가지 유전자들 중 하나로,  수많은 유전자 중 오래 살게 하는 유전자군이라는 의미로 ‘오래사라’라는 이름이 붙었다. 이번 연구진은 2009년 시간이 흐름에 따라 애기장대의 오래사라1 유전자와 관련된 노화 회로를 밝힌 바 있다(Science지게재). 그러나 이번 연구는 단순히 시간의 흐름에 따른 노화가 아닌, 일주기 리듬에 따른 보다 세밀한 노화의 메커니즘을 규명한 것에 의의가 있다.

[그림 2] 일주기 시계 유전자 PRR9의 노화 조절 유전자 ORE1 조절 경로와 기존 Trifurcate feedforward loop의 네트워크 식물의 일주기 생체시계 인자 PRR9이 오래사라1 유전자의 발현을 조절하는 방법은 기존 애기장대 잎의 노화를 조절하는 메커니즘으로 알려진 “Trifurcate feedforward loop”을 이용한다. 기존의 회로는 2009년 Science지에 EIN2 유전자와 마이크로 RNA인 miR164를 통해 잎의 나이에 따른 오래사라1 유전자의 발현에 영향을 주어 잎의 노화를 조절한다는 것이 보고됐다. 본 연구팀은 2009년 발표한 EIN2와 유사한 경로로, 생체시계 인자 PRR9이 오래사라1 유전자의 발현에 영향을 준다는 것을 확인했다. 이러한 기존 노화 회로와 일주기 생체시계 회로의 협력을 통해 노화 핵심 유전자 오래사라1의 발현이 보다 미세하게 조절, 외부 환경 변화에 민감하게 반응한다는 것을 알 수 있다.
[그림 2] 일주기 시계 유전자 PRR9의 노화 조절 유전자 ORE1 조절 경로와 기존 Trifurcate feedforward loop의 네트워크 식물의 일주기 생체시계 인자 PRR9이 오래사라1 유전자의 발현을 조절하는 방법은 기존 애기장대 잎의 노화를 조절하는 메커니즘으로 알려진 “Trifurcate feedforward loop”을 이용한다. 기존의 회로는 2009년 Science지에 EIN2 유전자와 마이크로 RNA인 miR164를 통해 잎의 나이에 따른 오래사라1 유전자의 발현에 영향을 주어 잎의 노화를 조절한다는 것이 보고됐다. 본 연구팀은 2009년 발표한 EIN2와 유사한 경로로, 생체시계 인자 PRR9이 오래사라1 유전자의 발현에 영향을 준다는 것을 확인했다. 이러한 기존 노화 회로와 일주기 생체시계 회로의 협력을 통해 노화 핵심 유전자 오래사라1의 발현이 보다 미세하게 조절, 외부 환경 변화에 민감하게 반응한다는 것을 알 수 있다.

 

연구진은 식물의 일주기 생체시계를 담당하는 여러 유전자 중, 아침에 활성화되는 PRR9(PSEUDO-RESPONSE REGULATORS 9)라는 유전자가 오래사라1 유전자의 발현에 중요한 역할을 수행한다는 사실을 알아냈다. PRR9은 오래사라1 유전자를 직접 활성화 시키거나 오래사라1 유전자의 발현을 막는 마이크로 RNA를 억제하는 간접적인 방식으로 잎의 노화를 촉진하는 것으로 확인됐다. 마이크로 RNA(miRNA)는 염기 20개 정도를 지닌 짧은 길이의 RNA로, 세포의 증식과 분화, 조직 발달 등 생명 현상의 모든 과정에 중요한 영향을 미치는 유전자 발현 조절자다. 여기서의 마이크로RNA는 miR164로 오래사라1 유전자의 발현을 억제하는 역할을 수행한다.  특히 PRR9 유전자가 오래사라1 유전자를 직접 활성화 시키는 경우, PRR9이 관장하는 일주기 리듬에 따라 오래사라1 유전자의 발현 정도 또한 하루 단위 내에서도 진동(Oscillation) 형태의 주기를 띠는 것으로 확인됐다. 예를 들면, PRR9유전자는 아침 해가 뜬 뒤로 1시간 후에 활성화되는데, 이에 영향을 받아 오래사라1 유전자가 그로부터 3시간 정도 후에 활성화된다. 즉 주요 노화 유전자가 일주기 생체시계에 의해 조절된다는 결론에 이를 수 있다. 식물 노화·수명 연구단의 남홍길 연구단장은 “이 연구는 24 시간 주기로 진동하는 일주기 리듬을 지닌 생체시계가 노화를 조절하는 생애 시계에 관여하고 있음을 시사한다”고 말했다.

이번 연구 결과는 국제학술지 미국국립과학원회보(PNAS, IF 9.661) 온라인 판에 미국 동부시간으로 7월 30일(DOI : 10.1073/pnas.1722407115) 게재됐다. 이번 연구의 제1저자는 김현민 IBS 식물 노화·수명 연구단 연구위원이다. 공동교신저자는 남홍길 IBS 식물 노화·수명 연구단 연구단장, 홍성현 전 IBS 식물 노화·수명 연구단 연구위원.

 

 

김현민(IBS 식물 노화·수명 연구단 연구위원)

“식물 노화 조절 '노화시계' 규명이 목표”

 

이번 연구는 잎의 노화에 관여하는 핵심 유전자 오래사라1의 발현이 선형적으로 조절되는 생체 회로 외에도 일주기 시계에 따라 진동 형태로 조절되는 생체시계 회로도 있음을 새롭게 밝혔다.

이러한 생체시계 회로를 통해 식물 잎은 노화를 보다 미세하게 조절할 수 있는 것이다. 김현민 IBS 식물 노화·수명 연구단 연구위원에게 연구 이야기를 들었다.

- 연구 배경은.

= 식물 잎의 노화는 시간을 인식해서 진행되는 생애 주기 과정이다. 하지만 노화를 조절하는 최상위 인자인 ‘시간’을 어떻게 인식하는지 또한 그 시간이 어떻게 노화를 조절하는지에 대해서는 거의 알려진 바가 없다. 따라서 생체시계 시스템이 잘 발달한 식물을 이용해 생체시계와 노화 사이의 관계를 규명하는 연구가 필요했다.

- 어려웠던 점은.

= 생체시계 연구는 하루 24시간 동안의 전사체 또는 단백질의 변화를 관찰하는 것이 필요하다. 몇 달에 걸친 변화를 관찰해야하는 노화 연구와 결합하여 실험을 구성하고 결과를 분석하는 부분이 어려웠다. 또한, 노화 유전자가 생체시계에 의해 사이클의 주기나 발현 시간이 달라지는 현상 뿐 아니라 발현의 양적인 변화도 함께 확인하는 작업이 어려웠지만 이를 통해 생체시계가 어떻게 노화를 조절하고 있는지 보다 구체적으로 분석할 수 있었다.

- 기존 성과와 차별점은.

= 식물 생애주기에서 노화작용이 생체시계에 의해 조절되고 있음을 확인한 부분이 가장 큰 성과이다. 생체시계가 노화를 조절하는 방법이, 두 가지 다른 방식으로 하나의 유전자의 발현을 조절하는 형태로 나타나는 trifurcate feedforward loop을 통해 이뤄지고 있다는 점도 중요한 발견이라고 할 수 있다.

- 연구계획은.

= 이번 연구에서 확인한 일주기 시계에 의한 노화 조절 메커니즘을 확장해 생체시계와 노화 사이에 상호 영향을 주는 네트워크를 구축하고자 한다.  궁극적으로 식물의 노화를 조절하는 노화시계를 규명하는 것이 목표이다.

한편, 연구진은 일주기 시계와 개화시기 조절의 기작을 1999년 ‘사이언스(Science)’에 발표한 바 있다. 하지만 보다 장기적 시간에 의해 조절되는 현상인 노화에 일주기 생체시계가 어떻게 영향을 주는지는 거의 알려진 바가 없다.

또 연구진은 식물 잎의 노화가 EIN2, miR164, ORE1이 조합된 세 갈래 피드포워드 루프(Trifurcate feed-forward loop)에 의해 조절 되는 현상을 2009년 사이언스(Science)지 에 보고한 바 있다. 

이번 연구진은 기존에 보고된 데이터를 분석한 결과, 많은 수의 노화 유전자의 발현이 일주기 시계의 영향을 받아 시계의 리듬처럼 주기적으로 진동(oscillation) 하고 있음을 확인했고, 또한 이러한 일주기 리듬이 노화를 따라 달라짐을 2016년 ‘Journal of Experimental Botany’에 발표한 바 있다. 이를 통해 노화의 조절이 주기적으로 조절되는 일주기 생체시계와 연관되어 작용할 수 있을 것이라는 단서를 얻었다. 


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