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식물이 추위를 견디는 과정 규명

Bio통신원(한국연구재단)

등록2018.05.31
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윤대진 교수(건국대학교) 연구팀이 추위에 노출된 식물이 염색체 구조를 변화해 저온 스트레스에 견디는 과정을 규명했다고 과학기술정보통신부(장관 유영민)‧한국연구재단은 밝혔다.

이 연구는 생명과학분야 권위 있는 학술지 PNAS (Proceedings of National Academy of Science USA) 5월 21일 자에 게재되었다.
※ 논문명 : Epigenetic switch from repressive to permissive chromatin in response to cold stress
※ 주저자 : 윤대진 교수(교신저자, 건국대), 박정훈 박사(제1저자, 건국대), 임채진 박사(공동제1저자, 건국대)

전 세계의 급속한 기후변화가 경작지 면적의 감소와 식량부족 문제를 일으킴에 따라, 많은 연구자들이 식물의 외부저항 능력에 관여하는 유전자 확보 및 재해저항성 작물의 개발을 위해 노력중이다.

연구팀은 식물이 추위에 노출되면 이를 인지하고 반응하는 단백질을 발견하고, 이를 호스15(HOS15)라고 명명했다.

호스15(HOS15) 단백질이 추위를 인지하면 디엔에이(DNA)를 감싸고 있는 염색질의 구조변화를 유도해 냉해 저항성 유전자들의 발현이 증가하고, 이를 통해 식물이 추위에 견디게 된다는 사실을 증명하였다.

윤대진 교수는 “이 연구는 염색질의 구조 조절이 식물 환경스트레스 저항에 핵심 역할을 한다는 것을 최초로 밝힌 것이며, 식물생육 북방한계선*과 관계없이 추운 지역에서 다양한 작물을 재배할 수 있게 되는 데 크게 공헌할 것으로 기대한다.”라고 연구의 의의를 설명했다.
* 북방한계선 : 식물이 생육할 수 있는 위도의 북방경계선

이 연구는 과학기술정보통신부‧한국연구재단 기초연구사업(집단연구)의 지원을 받아 수행되었다.

논문명, 저자정보

- 논문명 : Epigenetic switch from repressive to permissive chromatin in response to cold stress
- 저자 정보 : 윤대진 교수(교신저자, 건국대), 박정훈 박사(제1저자, 건국대), 임채진 박사(공동제1저자, 건국대)

□ 논문의 주요 내용

1. 연구의 필요성
○ 최근 지구의 급속한 기후변화는 사막화, 식량부족 등의 문제를 일으키고 있으며, 이는 인류생존을 위협하는 가장 중요한 현안문제로 대두되고 있다. 이에 환경적응성이 높은 재해 저항성식물체의 개발은 환경문제 해결 및 미래 인류가 맞이할 식량문제 해결에 크게 공헌할 것으로 보인다.

2. 연구 내용
○ 연구팀은 식물로부터 냉해 저항성 단백질을 발견하고 이를 호스15(HOS15)라 명명하였다. 호스15(HOS15)는 식물이 추위 스트레스에 노출되면 이를 인지하며, 유전정보를 가지고 있는 DNA와 이를 싸고 있는 단백질 복합체인 염색질의 구조 변화를 유도해 냉해 저항성 유전자들의 발현을 증가시키는 기능을 가진다.

3. 연구 성과
○ 이 연구를 통해 염색질의 구조 조절이 식물환경스트레스 저항성에 핵심적인 역할을 한다는 것을 최초로 밝힘으로서 식물의 스트레스 적응 기작 연구의 새로운 접근 방식을 제시하였다. 따라서 앞으로 식물환경스트레스 연구 분야를 세계적으로 선도하여 학문적 수준을 높이는데 크게 기여할 것으로 기대된다.
○ 또한 응용 면에서는 이 원리를 이용하게 된다면 식물생육 북방한계선과 관계 없이 추운지방에서 다양한 작물의 재배가 가능하게 되어 미래 인류가 당면할 식량 문제를 해결하는 데 크게 공헌할 것으로 기대된다.

★ 연구 이야기 ★

□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

세계적으로 위도상 특징으로 나타나는 생육온도의 차이로 인해 대부분 주요 작물들은 그 재배가능 지역이 한정될 수밖에 없어 작물 생산량에 많은 영향을 미친다. 따라서 많은 연구자들이 작물의 생산량 증가를 위해 재배가능 지역을 제한하고 있는 냉해에 대한 연구에 노력을 기울이고 있다. 선행연구를 통하여 HOS15 단백질은 식물의 저온 신호전달에서 중요한 역할을 수행하는 것으로 판단하였으며, 정확한 분자 생물학적 매커니즘을 밝히고자 연구를 시작하였다.

□ 연구 전개 과정에 대한 소개

과제의 책임자인 건국대학교 윤대진 교수는 2004년부터 미국 Purdue대학교에 현지 연구실을 설치하고 스페인 농업자원 연구소와 교류연구를 하는 등 해외 우수 연구진과 국제공동연구를 수행하고 있다. 이중 Purdue 대학교는 식물연구에는 필수적인 세계최대의 온실 (green house)시설을 자랑하고 있는데, 윤대진 교수는 Purdue 대학교의 green house시설을 이용하여 환경 스트레스 저항성에 이상을 보이는 돌연변이체를 대량 확보하고 돌연변이체로부터 해당 유전자의 확보 및 기능해석에 관한 연구를 수행하고 있다. 호스15(HOS15)단백질은 이렇게 확보된 유전자 중 하나이다.

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

호스15(HOS15) 단백질이 식물환경스트레스 저항성에 핵심적인 역할을 한다는 것을 최초로 밝힘으로서 식물의 스트레스 적응 기작 연구의 새로운 접근 방식을 제시하였다.

□ 실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나? 실용화를 위한 과제는?

연구팀이 발견한 분자기전을 이용하게 된다면 지역적 제한 없이 다양한 작물 재배가 가능하며 일시적 냉해로 인한 피해를 줄임으로써 안정적으로 생산량을 증가시킬 수 있을 것으로 기대한다.

□ 꼭 이루고 싶은 목표나 후속 연구계획은?

연구를 수행함에 있어 HOS15가 어떻게 추위를 인지하여 기능을 전환하는지에 대한 연구가 부족함을 느꼈고 이를 위해 후속연구를 수행 할 예정 이다. 또한 연구진이 발견한 분자기전을 이용하여 열악한 환경에 잘 견디는 작물체를 개발하고 이를 통하여 인류의 미래 생존에 필요한 식량문제를 해결하고 싶다.

□ 기타 특별한 에피소드가 있었다면?

연구결과를 PNAS에 투고하기 까지 많은 저널에 투고하려 노력하였으나 번번히 Depth Review를 통과하지 못하고 투고 거부를 당했다. 연구 결과에는 자신이 있었기 때문에 이러한 결과는 더욱 크게 실망으로 다가왔다. 그러던 중 jose M. pardo 교수님과 Ray A. bressan교수님의 도움으로 논문의 결과도 중요하지만 이러한 결과가 가지는 의미를 다른 이들에게 얼마나 잘 알리는지도 중요함을 깨닫게 되었고 이들의 도움으로 cover letter를 수정한 결과 최종적으로 논문이 나올 수 있었다.

그림 1. 염색질의 재구성을 통한 식물의 추위적응 기전
추위 스트레스가 없을 시에는 호스15(HOS15)단백질이 히스톤 탈아세틸화 효소 (HD2C)와 복합체 (보조 억제자 복합체)를 형성하여 히스톤3(H3)을 탈아세틸화하여 고도로 집적된 형태의 염색질(불활성염색질)을 만들어 추위 저항성에 관여하는 콜유전자 (COR gene)의 발현을 억제하고 있다. 그러나 추위가 오게 되면 호스15(HOS15)단백질이 이를 감지하게 되고 단백질 분해에 관여하는 유비키틴이3라이가제(CUL4-DDB1-HOS15)로 작동하여 기질인 히스톤 탈아세틸화 효소(HD2C)를 분해시키게 된다(CRL4HOS15에 의한 분해). 그러면 히스톤(H3)이 아세틸화효소(HAT)에 의해 아세틸화(Ac)) 되게 되고 이로 인해 염색질이 풀린 구조인 활성염색질로 변화된다. 이로 인해 추위저항성에 관여하는 콜유전자(COR gene)의 프로모트부위가 노출되게 되고 여기에 콜유전자의 발현을 조절하는 전사조절인자(CBFs)들이 결합(보조활성자 복합체)하게 되어 콜유전자의 발현을 증가 시키게 되며 궁극적으로 식물은 냉해저항성을 가지게 된다.

그림 2. 호스15(HOS15) 돌연변이체의 냉해에 대한 영향
평상시(22도씨)에는 표현형의 차이가 없으나, 추위가 오게 되면 호스15 (HOS15) 단백질을 가지고 있지 않는 호스15(HOS15) 돌연변이체는 야생형에 비해 추위에 민감한 표현형을 가진다.

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