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식물의 노화 속도 조절하는 유전자 네트워크 밝혔다
생명과학 기초과학연구원 (2018-05-25)

기초과학연구원 (IBS) 식물 노화·수명 연구단 (단장 남홍길, 부단장 황대희) 연구팀은 모델 식물인 애기장대에서 노화 속도 조절에 관여하는 주요 유전자를 찾고, 이들 유전자들 간의 발현 관계를 네트워크 형태로 분석해 노화 조절 메커니즘을 규명하는 데 성공했다.

식물이 노화되는 정도와 형태는 수많은 종류의 노화 유전자들이 상호작용하며 발현되는 양상에 따라 달라진다. 특히 노화 유전자의 전사를 조절하는 전사인자군은 노화 단백질의 발현을 조절해 노화에 주된 영향을 미친다고 알려져 있다. 그러나 노화의 특성상 이 전사인자군에 해당되는 유전자들의 상호작용은 시간이 지남에 따라 없어지거나 새롭게 발생해, 정적인 분자유전학적 연구만으로는 노화 현상을 이해하는 데 한계가 있었다.

이에 따라 IBS 식물 노화·수명 연구단 연구팀은 유전자 혹은 단백질 간의 역동적인 상호작용을 시간에 따라 분석할 수 있는 시스템 생물학 기법을 활용, NAC이라 불리는 전사인자군에 해당되는 노화 유전자 총 49종을 대상으로 이들끼리의 상호 전사조절 관계를 네트워크 형태로 분석해내는 데 성공했다(그림 1 참고).
네트워크 분석 결과, 서로 전사 작용을 감소시키는 방향으로 상호작용하던 NAC 유전자들이 노화가 시작되기 직전(잎이 생긴 지 18일 째), 서로의 전사 작용을 늘리는 방향으로 상호작용하는 것을 확인했다. 연구진은 전사조절의 방향성이 반대로 바뀌는 노화 직전 단계를 식물 노화에 있어 매우 중요한 시기로 보고, 이 시기에 NAC 유전자 네트워크에서 가장 영향력 있는(다른 유전자들과 가장 상호작용을 많이 하는) 유전자 3종을 찾아내 “NAC 트로이카”로 명명했다.

이들 세 유전자를 분리해 기능 연구를 수행한 결과, 노화 시작 직전 단계에서 노화를 촉진하는 활성산소(reactive oxygen species, ROS)와 살리실산(salicylic acid, SA) 반응이 억제되는 것을 확인하였다. 즉 NAC 트로이카는 식물 노화를 억제하는 데 관여하는 것이다.

NAC 트로이카에 해당되는 세 유전자의 기능을 보다 확실히 파악하기 위해, 연구진은 세 개의 유전자 중 하나씩 혹은 두 개씩 제거해 해당 유전자의 기능이 손실된 변이체를 관찰했다. 그 결과, 제거한 유전자 조합에 따라 활성산소 혹은 살리실산이 증가해 잎이 조기에 노화하는 것을 확인할 수 있었다. 노화억제 기능을 지닌 NAC 트로이카가 NAC 유전자의 전사조절 네트워크를 통제하여 식물 잎의 노화 속도를 조절하는 것이다.

본 연구에서 찾은 NAC 트로이카를 제거하거나 발현을 강화하면, 노화를 촉진하거나 늦출 수 있어 식물 노화 조절 메커니즘 규명에 한 발 더 다가설 것으로 기대된다. 황대희 부연구단장은 “NAC 유전자의 전사조절 네트워크를 통해 기존의 정적인 분자유전학적 연구방식을 넘어섰다는 데 의의가 있으며, 시간에 따른 식물의 노화 진행을 보다 역동적인 시스템으로 이해할 수 있다 ”고 말했다.

이번 연구 결과는 국제학술지 미국국립과학원회보(PNAS, IF 9.661)에 게재(DOI:10.1073/pnas.1721523115) 됐다.


논문명
Time-evolving genetic networks reveal a NAC troika that negatively regulates leaf senescence in Arabidopsis.

(Proceedings of the National Academy of Sciences of the U. S. A, Online Published)

저자정보
Hyo Jung Kim1, Ji-Hwan Park1, Jingil Kim, Jung Ju Kim, Sunghyun Hong, Jeongsik Kim, Jin Hee Kim, Hye Ryun Woo, Changbong Hyeon, Pyung Ok Lim*, Hong Gil Nam* and Daehee Hwang*

연구내용 보충설명
■ 본 연구는 시간에 따른 NAC 유전자의 전사 조절 네트워크가 변화되는 과정을 최초로 서술하였으며, 변화되는 네트워크로부터 노화 조절에 중요한 인자를 찾아내는 방법을 제시 하였다.
■ 본 연구진은 NAC 트로이카의 유전자를 하나씩 혹은 2개씩 각각 제거한 기능 손실 변이체를 제작하였고, 변이체에서 신호물질 (살리실산 및 활성산소)의 농도 및 신호물질의 반응 유전자들의 발현을 측정함으로써, NAC 트로이카 단백질들이 어떤 신호 기작을 통해 노화를 지연시킬 수 있는지를 규명하였다.

연구이야기
[연구 배경] 식물 잎의 생애 주기 및 노화 현상은 하나의 인자 (유전자·단백질 등)에 의해 결정되지 않으며, 여러 인자들이 복잡하게 상호작용한 결과물이다. 이에 기존 연구에서는 노화 시스템을 구성하는 여러 인자 및 인자들 간의 상호작용으로 구성된 모듈을 밝히려는 노력을 진행하였다. 하지만 노화라는 현상의 특성상 해당 인자들의 상호작용은 시간이 지남에 따라 없어지거나 새롭게 구성되는 등 역동성이 수반된다. 따라서 시간의 변화를 반영하여 노화 시스템에 중요한 모듈을 찾는 새로운 접근 방식이 요구되었다.

[어려웠던 점] 시간에 따른 전사조절 네트워크의 변화가 어떻게 노화 현상으로 이어지는지에 대한 구체적인 기작을 밝히는 점이 본 연구에서 가장 어려운 작업이었다. 결국 여러 시도를 통해 네트워크를 조절하는 중요 인자를 찾고, 이들이 관여하는 노화 관련 기작을 규명하여 전사조절 네트워크가 식물 사멸·노화로 이어지는 과정을 구체화할 수 있었다.

[성과 차별점] 본 연구는 식물의 전사인자군을 대상으로 한 전사조절 네트워크를 최초로 제시하였고, 전사조절 네트워크가 시간에 따라 변화할 수 있음을  처음으로 보였다. 또한 기존의 정적인 분자유전학적 연구 방식을 넘어서, 새롭게 시스템 생물학적 기반의 접근법으로 특정 자연 현상에 중요한 인자를 발굴하는 방법을 개발하였다.

[향후 연구계획] 본 연구에서 찾은 NAC 트로이카를 제거하거나 발현을 강화하면, 노화를 촉진하거나 늦출 수 있어 식물 노화를 조절하는 메커니즘 규명에 한 발 더 다가설 것으로 기대된다. 또한 활성산소와 살리실산이 증가하는 비중과 정도를 조절하면 노화 현상도 달라질 수 있어 노화 양상 연구를 지속할 예정이다.

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[그림 1] 노화 직전 단계(18일)에서 일어나는 NAC 전사조절 네트워크의 전환

연구진은 잎의 생애를 대표하는 여러 시간대에서 49종의 NAC 유전자들 간의 전사조절 작용을 네트워크의 형태로 분석하고 노화와의 상관성을 규명하였다.

(A) 잎의 생애주기 별로 NAC 유전자 간의 상호작용을 네트워크로 표현한 결과, 잎의 노화가 일어나기 직전(18일)에 네트워크 내의 방향성이 서로의 전사과정을 감소시키는 관계(파랑색 선)에서 전사과정을 늘리는 관계(주황색 선)로 전환됨을 확인하였다.
(B) 생애주기 별 NAC 유전자 네트워크에서 가장 많은 영향력을 지닌 NAC 유전자3종을 찾았다. 노화 직전 단계에서 이들 세 개의 NAC 유전자들(ANAC017, ANAC082, ANAC090)이 다른 NAC 유전자들과 가장 많은 상호작용을 하는 것으로 보아 노화 조절에 중요한 역할을 하는 것을 알 수 있다. 이들 세 유전자를 NAC 트로이카로 명명하였다.

[그림 2] NAC 트로이카 변이체와 잎 노화와의 상관성

식물에서 세 개의 NAC 유전자 중 하나씩 제거하여 기능 손실 변이체를 제작한 뒤 실제 노화 표현형을 관찰하였다. 각 변이체는 정상 식물체와 비교하여 생장에는 이상이 없었지만(A), 잎이 늙어감에 따라 나타나는 황화 현상(yellowing)은 빨라졌으며(B), 노화에 중요한 신호물질인 활성산소(reactive oxygen species)가 정상 식물체에 비해 증가해 조기 노화를 보인다(C).

*anac017 : NAC 트로이카(3종) 중 NAC017유전자 제거한 변이체
*anac082 : NAC 트로이카(3종) 중 NAC082유전자 제거한 변이체
*anac090 : NAC 트로이카(3종) 중 NAC090유전자 제거한 변이체


[그림 3] NAC 트로이카가 잎의 노화에 작용하는 기작 규명

(A, B) 세 개의 NAC 분자들을 각각 하나씩, 혹은 두 개씩 제거한 식물 기능 손실 변이체를 제작한 후, 각 식물체 내의 살리실산(SA) 및 활성산소의 농도를 측정하였다. 그 결과, 정상 식물체와 비교했을 때 NAC 트로이카의 구성 유전자 중 ANAC090이 제거된 기능 손실 변이체는 살리실산 농도가 크게 증가하였고(A), ANAC017가 제거된 기능 손실 변이체는 활성산소 농도가 크게 증가하였다(B).

*anac017/anac082 : NAC 트로이카 중 NAC017유전자와 NAC082유전자 제거한 변이체
*anac017/anac090 : NAC 트로이카 중 NAC017유전자와 NAC090유전자 제거한 변이체
*anac082/anac090 : NAC 트로이카 중 NAC082유전자와 NAC090유전자 제거한 변이체


 

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