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조형택
조형택(Hyung-Taeg Cho) 저자 이메일 보기
충남대학교
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Functional Conservation of a Root Hair Cell-Specific cis-Element in Angiosperms with Different Root Hair Distribution Patterns

1. 논문관련 분야의 소개, 동향, 전망을 간단히 설명

이번 우리 연구실의 Plant Cell 논문은 세포특이적인 cis-요소의 진화적 보존에 대해 보고하고 있습니다. 한 생물 種의 유전체 서열이 밝혀질 때 우리가 가장 관심을 갖는 부분 중 하나는 '몇 개의 유전자가 있는가'일 것입니다. 즉, 암호화 부위가 현 생물학의 주요 관심사가 되어 왔습니다. 하지만 이러한 유전자의 암호화 부위의 발현(전사)은 비암호화 부위에 위치한 조절요소인 cis-요소의 절대적인 영향을 받습니다. 특히 다양한 세포 유형을 지닌 다세포 생물의 발달은 암호화 부위의 발현이 시.공간적으로 정밀하게 통제될 때 가능합니다. 이러한 암호화 부위의 시.공간적인 조절을 위한 정보는 주로 암호화 부위의 앞에 위치한 cis-요소들에 내재되어 있습니다. 꽤 여러 해 전부터 이러한 cis-요소들을 찾아내려는 노력이 동물과 식물에서 진행되어 왔으나 주로 in silico 방법, 즉 여러 유전자의 프로모터 부위로부터 보존된 짧은 서열을 찾아내는 방법에 주로 의존해 왔습니다. 이 in silico 방법은 기존의 유전체 정보와 짧은 공통 서열을 찾는 프로그램을 이용하기 때문에 쉽게 잠재적인 cis-요소의 후보를 선별해 낼 수 있다는 장점이 있으나, 이렇게 찾아 낸 cis-요소들이 실재로 특정 기능을 발휘할 지는 반드시 실험적 증명이 뒤따라야만 합니다.

이번 우리 논문에서는 식물 뿌리털 세포 특이적인 발현을 유도케 하는 cis-요소(Root Hair Element, RHE)를 실험적인 방법으로 1-bp 단위로 정밀 규명하였으며, 이 cis-요소의 뿌리털 특이성이 벼와 애기장대를 아우르는 속씨식물 진화과정, 즉 2억년 이상 동안, 구조.기능적으로 보존되어 왔음을 보고했습니다(그림 1).

In silico 방법으로 규명된 cis-요소들이 의미를 갖기 위해서는 궁극적으로 실험적인 방법을 거쳐야만 합니다. 우리의 이번 연구가 관련 분야에서 체계적이고 효율적인 cis-요소 분석을 위한 동기가 되었으면 하는 바램입니다. 그리고 식물, 동물과 같은 다세포 생물의 발달은 특히 복잡한 전사조절 네트워크를 통해 이루어지므로 앞으로 cis-요소들의 기능 연구에 좀 더 많은 관심이 모아지지 않을까 전망해 봅니다.

2. 현재 소속기관 또는 연구소에 관한 소개를 부탁드립니다.

연구책임자가 소속된 충남대학교는 대전 유성에 위치하고 있습니다. 학교에서 서쪽으로 차로 약 20분 거리에 국립공원 계룡산이 있고 캠퍼스 주변과 안으로 자그마한 산줄기들이 남북으로 여러 갈래 연결되어 있어 점심 후 잠시 산책하기에 아주 좋습니다. 생명과학부(생물학과+미생물학과)는 현재 NURI와 BK21(대형) 사업 수행으로 학부생과 대학원생에 대한 연구 지원이 매우 활발하게 이루어지고 있습니다.

3. 연구활동 하시면서 평소 느끼신 점 또는 자부심, 보람

무엇보다 이 연구성과는 묵묵히 많은 실험을 소화해낸 주저자인 김동욱 석사과정생을 비롯한 다른 저자들의 열심과 노력의 산물입니다. 김동욱(석사), 원수경과 허윤경(당시 학부생), 그리고 이미 지난 5월에 옥신수송조절과 관련하여 Plant Cell에 논문을 발표한 이상호 박사는 우리 연구실의 창립 멤버로서 2년 여의 연구 끝에 이번 성과를 낼 수 있게 되었습니다. 3년 전 충남대 생물학과에서의 연구 시작은 동료 교수이신 박연일 교수님의 도움 없이는 불가능했을 것입니다. 또한 이 연구를 통해 명지대학교 최상봉 교수님과 벼 형질전환과 관련한 지속적인 협력 연구체제를 만듦으로써 쌍떡잎 모델식물인 애기장대뿐 아니라 외떡잎인 벼까지 포괄하는 속씨식물 군에서 유전자 기능의 보존을 폭넓게 연구 할 수 있게 되었습니다.

이번 논문은 제가 지금까지 연구 발표해오던 생리, 분자생물학적 접근 외에도 계통학적 방법론을 이용한 비교생물학 연구를 포함하게 되었습니다. 그래서 처음으로 관련 부분을 공부하느라 그리고 이의 검증에 대한 불안으로 애를 많이 먹었는데 이번 논문을 무사히 발표하여 이 분야에 다행히도 첫 발을 내딛게 되었습니다.

4. 이 분야로 진학하려는 후배들에게 도움이 되는 말씀을 해 주신다면?

생물학 분야에는 종의 다양성 그리고 발달과 반응의 다양성만큼이나 연구의 다양성이 존재합니다. 하지만 유전자 발현과 관련된 연구가 포함된 경우라면 대부분 궁극적으로 그 조절 메커니즘에 관심의 초점이 맞추어질 것으로 생각됩니다. 이 메커니즘의 시발 정보를 제공하는 cis-요소의 실험적 규명과 이들의 계통적(phylogenetic), 발생적(ontogenetic) 연관성에 대해서는 아직도 해결해야 할 문제점들이 많이 남아 있습니다. 국내의 경우 in silico 접근에 의한 잠재적 cis-요소의 확인 방법론 개발은 시작단계에 있으며, 체계적 cis-요소 기능 규명을 위한 실험적인 접근은 그 중요성에 비해 국내외적으로도 아직 뒤처진 분야라고 할 수 있습니다.

지구상 '모든 생물의 발생은 단일 계통적(monophyletic)'일 것이라고 생각됩니다. 생물학을 연구하는 중요한 이유들 중 하나는, 그럼에도 불구하고 그렇게 다양한 생물 종들이 어떻게 나타나는가, 즉 형태와 발달 그리고 반응의 다양성이 어디서 유래하는가에 대한 답을 얻기 위해서입니다. 동전의 양면과 같은 이 문제의 또 다른 측면은, 다양성 속에 어떤 공통점들이 오랜 시간을 거쳐 생물 종들 사이에 보존되어 왔는가의 문제입니다. 현재 많은 생리, 발달학 연구자들이 주로 모델 생물을 갖고 형태, 발달, 반응의 개별 영역에 대한 메커니즘을 연구하고 있습니다만, 이들에 생물이 겪어 온 '시간', 즉 진화적 요소를 가한 연구는 좀 더 관심을 필요로 하고 있습니다. 이를 위해서는 계통학, 생물정보학, 그리고 생물물질들간 기계적 인과 관계(mechanistic)에 대한 연구분야 사이의 통합적 접근이 필요합니다. 자기가 현재 속한 실험실을 벗어나 옆 실험실도 한 번 기웃거려보는 것도 의미 있는 일이 될 수 있습니다.

5. 연구활동과 관련된 앞으로의 계획이 있으시다면?

현재까지 이 뿌리털 특이 cis-요소의 2억년 진화 동안, 즉 속씨식물에서의 보존을 보여주었으나, 앞으로 4억년 육상 관다발식물 진화에서의 기능적 보존을 규명하기 위해 뿌리털을 지닌 가장 원시적인 관다발 식물의 하나인 석송류(Lycopodiophyta)의 부처손 속(Selaginella) 식물에서 뿌리털 특이 cis-요소의 구조.기능적 보존을 밝히고자 합니다(그림 1).


그림 1. 관다발식물의 진화에서 뿌리털 특이성을 부여하는 cis-요소(RHE)의 보존 여부

이 뿌리털 특이 cis-요소와 직접적으로 관련된 연구계획은 이 요소를 인지하는 전사조절인자(Root Hair Factor, RHF)를 규명하는 것입니다. 관다발 식물에서 뿌리털세포의 분포 패턴은 세 가지 유형이 있는데 이는 각 유형마다 서로 다른 세포운명결정 기구가 뿌리털/비뿌리털세포를 결정한다는 것을 의미합니다. 이러한 상위 운명결정인자들이 다름에도 불구하고 뿌리털세포 특이적인 cis-요소가 동일하다는 것은 동일한 종류의 뿌리털 특이 RHF가 서로 다른 상위의 패턴 결정 기구들과 상호작용할 수 있도록 진화해 왔다는 것을 말해줍니다. 뿌리털 패턴이 다른 식물 분류군들 사이에서 이 공통적인 RHF의 기능적 호환성 규명과 RHF와 상위 운명결정인자들과의 관계 규명이 앞으로 해야 할 후속 연구입니다(그림 2).

그림 2. 서로 다른 뿌리털 분포 패턴에 있어 유전자 발현의 뿌리털 특이성의 결정과정을 보여주는 두 가지 모델 왼쪽 모델, 서로 다른 뿌리털 분포 유형은 상위 운명결정인자에서부터 하위 뿌리털 세포 특이성을 부여하는 cis-요소(RHE)까지 독립적인(서로 다른) 체계를 유지한다. 오른쪽 모델, 상위 운명결정인자들은 서로 다르지만 하위 RHE와 이를 인지하는 전사조절인자(RHF)는 공통적이다. 우리 연구에서는 동일한 RHE 서열이 서로 다른 뿌리털 패턴을 갖는 식물들 사이에서 보존되어 있음을 보여줌으로써 오른쪽 모델이 속씨식물에서 작동한다는 것을 밝혔다. 이는 뿌리털 특이성을 결정짓는 'RHE-RHF 모듈'의 진화가 뿌리털 패턴을 결정하는 상위인자들의 진화보다 앞서 일어났음을 의미한다. 즉, RHE-RHF 모듈이 진화과정 동안 서로 다른 상위의 운명결정 기구들을 차례로 채택해 왔음을 말해준다.

나아가, 뿌리털 특이성에 대한 연구 경험을 바탕으로 식물의 다른 세포유형에 특이적인 cis/trans-요소로 연구를 확장하여 다세포 생물로서 식물 세포의 분화과정을 밝힐 계획입니다.

  Received for article November 17, 2006

 등록일 2006-11-17
Category: Plant Science
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