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충남대학교 생명과학과 생명과학과 조형택 교수 (1)
"식물의 세포분화가 어떻게 이루어지는지 구체적인 해답을 찾고 싶다"

인터뷰 내용
 - 세포분화학 연구실 소개
 - 세포 특이성 유전자의 발현 조절 연구
 - 식물 뿌리털을 이용한 옥신수송체 연구
 - 식물의 뿌리털을 선택한 이유
 - 연구재료로써 식물의 뿌리털이 가지는 특징
 - 연구결과가 가지는 의미
 - 앞으로의 연구 과제

일시: 2008년 2월 27일, 오전 10:00

장소: 충남대 생명과학동

조형택 교수 약력

연구실 동영상

세포분화학 연구실 소개

"우리 실험실은 2003년 7월에 시작을 했다. 처음 실험실에 왔을 때는 텅 빈 공간에 의자 하나 없었는데, 6개월쯤 지나서 2004년 1월에 첫 번째 석사과정 학생이 왔고, 그 해 3월에 Postdoc. 이상호 박사가 왔고, 2월에 학부생 2명이 더 추가되는 식으로 시작을 했었다. 많을 때는 12명~13명까지 있었지만, 지금은 나를 포함해서 8명 정도가 있다.

처음부터 시작한 거는 두 가지 주제를 가지고 시작을 했었다. 하나는 전사 수준에서 세포 특이적인 유전자의 발현이 어떻게 조절되는지에 대한 연구이고, 다른 한 가지는 옥신 수송 관련이다. 식물에서는 7-8가지의 주요 호르몬들이 알려져 있는데, 그 중에서 연구한 지 가장 오래 되었고, 또 식물 발달에 있어서 굉장히 많은 부분에 영향을 주는 호르몬이 옥신이다. 옥신이 수송될 때는 식물의 한 부분에서 만들어져서 다른 부분으로 이동을 해야 하는데, 이동을 하는 이동체(수송체)가 필요하다. 수송체, 즉 수송 단백질이 필요한데, 수송 단백질을 연구하는 일들을 해왔다. 이 두 가지 주제가 핵심이고 한 4년 동안 그 두 개에 초점을 맞춰서 연구를 해왔다."

세포 특이성 유전자의 발현 조절 연구

"식물의 뿌리털을 보면, 뿌리 표피 세포 일부가 원래는 통자 세포인데 어느 순간에 한쪽 부분이 돌출되어 나와서 길게 자라고 이것이 뿌리털이 된다. 통자 세포가 어느 순간에 모양이 변하는 것은 뿌리털 세포에서만 특이적으로 어떤 유전자가 발현이 되어야 한다. 재미 있는 것은 뿌리 표피 세포가 뿌리를 삥 둘러싸고 있는데, 어떤 세포는 뿌리털을 만들고, 어떤 세포는 뿌리털은 못 만든다. 이렇게 운명이 결정되는 단계가 있고, 운명이 결정된 다음 모양을 만드는 단계가 있다. 우리가 하는 일은 운명이 결정되는 단계를 연구하는 것이 아니고, 뿌리털의 형태가 만들어지도록 하는 유전자들이 왜 뿌리털에서만 발현이 되는가 하는 것이다. 비 뿌리털 세포에서는 그런 유전자들이 발현이 안되기 때문에 뿌리털이 못 만들어지는 것이다. 그래서 이 문제에 접근하기 위해서 우리가 제일 처음 시도한 것은 유전자가 어떤 특정 부분에서 발현하게 하는 cis-element를 먼저 밝혀 내는 것이었다."

* cis-element : 프로모터 내 어떤 장소에서 언제, 얼마만큼 유전자가 발현되어야 하는가 라는 정보를 담고 있는 핵산 부위. 전사조절인자(transcription factor)들은 cis-element 특정한 서열을 인지하기 때문에 전사를 개시하게 된다.

"뿌리털 세포와 비 뿌리털 세포가 섞여 있다고 했는데, 이것은 식물마다 특정한 패턴을 가지고 있다. 예를 들어서 모델 식물로 쓰는 애기장대의 경우는 뿌리털 세포열과 비 뿌리털 세포열이 번갈아 가면서 있고, 위치 결정 인자에 의해서 어떤 세포열은 뿌리털 세포열이 되고, 어떤 세포열은 비 뿌리털 세포열이 된다.

단자엽 식물의 모델이 되는 벼 같은 경우 세포분열이 불균등하게 일어남으로써 긴 세포와 짧은 세포가 번갈아 있는데, 항상 짧은 세포에서 뿌리털을 만들게 된다. 이렇게 서로 패턴이 다르다는 것은 운명 결정 방식이 다르다는 것이고, 뿌리털 세포를 결정짓는 Upstream에 있는 master들이 서로 다른 종류라는 이야기이다. 그냥 뿌리털 세포에서 뿌리털이 튀어나오게 하는 형태 발생을 이끄는 일꾼 유전자들은 이런 master가 다름에도 불구하고 뿌리털을 만들기 위해서 프로모터의 cis-element들이 동일한지, 아니면 각각 master 마다 cis-element 모양이 다른 것인지에 대한 의문을 가졌었다.

뿌리털이 튀어 나오게 하기 위해서는 식물의 세포벽을 느슨하게 해야 하는데 그 역할을 하는 단백질이 Expansin이다. 이 단백질 유전자가 애기장대의 경우 한 36개 있고 그 중 두 개(Expansin7, Expansin18)가 뿌리털에서만 발현이 된다. 그 유전자를 가지고 cis-element 분석을 했더니 20 base의 정도 사이즈의 프로모터 부위에서 이 유전자가 뿌리털 특이적으로 발현되는데 절대적으로 필요하다는 것을 정밀 분석을 통해서 밝혀냈다.

뿌리털 분포 패턴이 다른 벼에도 50여 개의 Expansin 유전자가 있는데, 애기장대 Expansin 7하고 가장 가까운 서열을 찾아냈다. 그것을 ortholog라고 하는데, 진화적으로 같은 일을 했을 것으로 본다. 그것을 찾아서 프로모터를 봤더니 비슷한 셀이 있어서 애기장대 cis-element와 같은 기능을 하는지 알아보기 위해 벼의 프로모터 cis-element를 갖고 있는 것을 애기장대에 넣어 봤더니, 애기장대에서도 뿌리털에서 발현되는 것을 관찰하였다.

진화적으로 쌍자엽, 단자엽은 분화가 된지 한 2억년 정도로 잡고 있다. 그 때 이미 일꾼 유전자들은 뿌리털 특이적으로 발현되게 만드는 cis-element가 같다는 것은 결합을 하는 transcription factor도 같다는 의미이다. 이는 쌍자엽, 단자엽이 진화적으로 분화하기 이전에, 이미 cis(-Element), transcription (factor) 모두가 존재했다는 것이다. 이어서 우리가 하고 있는 것은 양치류 또는 하등 식물에서도 cis-element가 밝혀져 있는지 연구하고 있다."

식물 뿌리털을 이용한 옥신수송체 연구

"역사적 배경에 대해서 말하자면, 옥신이 발견된 것은 1930년 초다. 우리가 아는 진화학자며 자연 선택설을 주장한 찰스 다윈이 옥신의 존재에 대해서 예견했고, 옥신이 수송된다는 것을 예측했다. 우리가 흔히 잘 아는 굴광성이란 빛 쪽으로 휜다는 것은 바깥 쪽에 더 많이 자란다는 것이고 바깥쪽에 생장을 촉진시키는 물질(옥신)이 더 많이 축적되기 때문에 그런 것이다.

그런데 무엇이 옥신을 어떻게 수송하는지 몰랐다. 여기서 옥신 수송이라는 것은 세포와 세포 사이를 이동하는 것을 말하는 것이다. 세포들 간에는 세포벽들이 있고, 옥신을 합성한 세포에서 옥신을 세포 바깥으로 내뿜어야 하고 세포 바깥에서 다시 안으로 들어오는 식이다. 그 속도는 상당히 더디지만 사방으로 나가는 것이 아니라 특정 방향성을 가지고 이동한다. 이는 수송체가 세포의 한쪽 방향에만 위치하기 때문이다. 예를 들어서 옥신 방출 단백질이 아래 부분에만 있다면 옥신이 아래 부분으로 나가게 되고 유입하는 게 위쪽에만 있다면, 위 부분에서 들어오게 되고 이것이 반복되면서 전체적으로 흘러가게 될 것이다. 이러한 사실이 최근 10년 동안 밝혀지기 시작했다.
PIN이라는 옥신 수송체는 Efflux carrier로 옥신을 방출시킨다. 그것이 10년 전부터 밝혀지기 시작해서, 애기장대를 중심으로 지금은 8개까지 밝혀져 있다. 그래서 몇 개는 생화학적인 특성들이 밝혀져 있고, 우리 랩은 PIN 1에서 PIN 8까지 중에서 PIN 3가 Auxin Efflux activity를 가지고 있다는 것을 처음으로 밝혀냈다. 그것을 우리는 뿌리털을 가지고 해냈다. "

식물의 뿌리털을 선택한 이유

"미국의 Penn State University의 Dan Cosgrove 지도 교수의 실험실에 있었다. 그 분이 Expansin을 처음 발견하셨고 characterization도 많이 하셨다. 36개의 Expansin 발현이 어떻게 되는지 1990년대 말부터 보고 있었다. 그래서 프로모터:보고자유전자를 분석하는 와중에 두 개가 뿌리털에서만 발현이 되는 것을 봤다. 나도 프로젝트에 참여해서 각각 Expansin member들 마다 어디에서 발현이 되는지 봤지만, 그거를 보는 순간 굉장히 매혹되어 거기에 빠졌다. GUS staining이라고 해서 프로모터에 GUS를 붙이면 상당히 예쁜 파란색으로 보인다. 뿌리는 거의 무색에 가까운데 파란색이 Stripe 패턴으로 있는 것을 보고 상당히 예뻤고, 패턴이 나타난다는 것 자체가 상당히 신기했다. 그래서 그냥 '이거다' 싶은 생각에 하게 되었다."

연구재료로써 식물의 뿌리털이 가지는 특징

"굉장히 장점이 많다. 애기장대는 씨를 뿌리면 2일 만에 발아되고 3일이면 뿌리털을 관찰할 수 있다. 예를 들어 식물의 꽃을 연구하시는 분들은 씨를 뿌리고 꽃 필 때까지 일반적으로는 한달 이상이 걸린다. 우리는 3일만에 관찰할 수 있다. Agar plate에서 키울 때 세워서 키우기 때문에 아래로 자라니깐 표피에 있는 뿌리털을 관찰하기도 쉽다. 시간적으로나 재료로 봤을 때나 좋은 점은 있다. 단, 키우는 조건이 일정해야 재현성 있는 결과를 얻을 수가 있다. 미세한 차이로 뿌리털 길이에 영향을 줄 수 있기 때문에 처음 하시는 분들은 어떨 때는 더 길게 자라고 어떨 때는 짧게 자라기도 할 것이다. 뿌리털 길이를 가지고 assay를 하는데 결과가 일정하게 나오지 않으면 제대로 된 결과를 얻을 수 없다. Medium 만들 때도 항상 일정한 ph와 nutrient content, 온도, 빛조건, 항상 같은 자리 등 일정한 조건을 유지하는 것이 반드시 필요하다."

연구결과가 가지는 의미

"첫 번째 주제와 관련해서는 우리도 처음으로 특허를 출원 해 봤다. 뿌리털 특이적인 프로모터 시스템 관련이다. 보통 우리가 식물에서 형질 전환체를 만들 때 어떤 프로모터를 쓰느냐가 중요하다. 단, 문제가 되는 것이 먹는 부분에서는 영향이 없었으면 좋겠다 라는 것인데, 이것은 뿌리 중에서도 뿌리털에서만 발현되기 때문에 사실 다른 곳에 영향을 주지 않는다. 그래서 외부에서 도입하는 유전자를 뿌리에만 발현시킴으로써 뿌리를 튼튼하게 해서 잘 자라도록 하는데 이용할 수 있다. 우리가 cis-element를 분석했기 때문에, cis-element를 약간 변형시킴으로써 프로모터의 강도를 조절할 수 있는데, 강하게 하고 싶으면 cis-element를 여러 copy를 넣으면 훨씬 더 강하게 발현될 수 있다. 그런 식으로 사용될 수 있다.

또한 옥신은 가장 기본적인 생장 호르몬이고 어떤 곳에서 만들어져서 특정 목적지까지 제대로 가야지 옥신이 제대로 작동을 한다. 옥신수송체 연구는 응용을 떠나서 일단 해 놔야 된다. 옥신이 어떻게 작동하는지 알아야 생장을 더 촉진할 것인지 억제할 것인지 알 수 있게 된다."

앞으로의 연구 과제

"진화적으로 양치 식물들에서도 cis-element가 보존되어 있는지 지금 분석 중이고, 더 나아가서 뿌리는 없지만 이끼류에서도 뿌리털과 비슷한 구조가 있는데, 혹시 거기서도 뿌리털 특이적인 cis-element가 보존되어 있는지 보고 있다. 육상 식물 전체에 있어서도 이런 뿌리털 특이적인 cis-element가 보존되어 있는지 확인하고 있다. 또 우리는 뿌리털에만 머물지 않고, 식물의 40 여 가지의 cell type으로 확산을 하려고 한다. 식물의 세포분화가 어떻게 이루어지는지 구체적인 해답을 찾고 싶다.

옥신 수송 관련해서 우리가 타깃으로 하는 것은 단백질 인산화 효소 중의 하나, 전에 밝혔던 PINOID 라는 것이 있는데, 분명히 protein kinase가 관여를 하는데 어떻게 관여하는지를 모른다. 그 쪽으로 연구하려고 한다. 단백질의 phosphorylation과 관련된 효소들이 어떻게 옥신 수송체의 membrane targeting에 어떤 영향을 주는지 연구하려고 한다."

관련 사이트: 충남대 세포분화학 실험실

기자: 박지민
촬영/사진: 이강수
동영상 편집: 유숙희, 김성진

  
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