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교차(crossover)를 증가시키는 새로운 기전을 규명하다
생명과학 서경배과학재단 (2022-06-20)

POSTECH 생명과학과 최규하 교수

POSTECH 생명과학과 최규하 교수


교차는 유성생식 생물들이 생식세포를 만드는 감수분열 중 부모에게서 물려받은 상동 염색체 쌍이 서로 만나서 유전 정보를 재조합하는 현상이다. 생명체가 세대를 잇는 순간마다 교차가 일어나 생명의 다양성에 크게 기여한다. 자연계에서 교차는 상동 염색체 당 한 두 지점에서만 일어나지만, 농작물이나 가축을 육종할 때는 교차 수가 많이 일어날수록 유리하다. 특정 개체에 있는 다수확, 질병 저항성과 같은 이로운 형질들을 빠르게 축적할 수 있고, 이롭지 않은 형질을 제거할 때도 유리하기 때문이다. 교차 연구는 생명 현상의 원리를 찾는 순수한 호기심과 기초 연구 외에도 기후 변화와 함께 닥친 인류의 식량 위기를 극복할 핵심 열쇠로도 중요하다.

POSTECH 생명과학과 최규하 교수(2017년 서경배과학재단 신진과학자 선정)는 획기적인 이미지 분석 기반 유전학적 스크리닝(forward genetic screen) 방법으로 교차 돌연변이를 찾고 교차의 원리를 알아내 농작물 육종과 개량에 기여하려는 유전학자이다. 지난 해에는 hcr1 (high crossover rate 1) 돌연변이체를 이용해 교차 과정에서 인산 가수분해효소 X1 (PPX1, Protein Phosphatase X1)의 역할을 밝혀 Nature Plants 저널에 논문을 출판했다[1]. 올해는 hcr2 돌연변이체 연구를 통해서 열충격 인자 결합 단백질(Heat Shock Factor binding Protein, HSBP)이 교차 억제에 관여하는 새로운 기전을 찾았다. 이번 연구는 6월 ‘엠보 저널 The EMBO Journal’에 게재되었다(논문명: Arabidopsis HEAT SHOCK FACTOR BINDING PROTEIN is required to limit meiotic crossovers and HEI10 transcription[2]).

최규하 교수는 모델 식물인 애기장대에서 ‘형광 종자 교차 리포터 시스템’을 이용해 교차율이 높은 돌연변이체를 유전학적 스크린(genetic screen)을 통해 발굴했다. 형광 종자 교차 리포터는 애기장대의 염색체 상에 두 개의 서로 다른 형광 단백질 유전자(GFP, RFP)가 위치하고 형광 단백질들이 종자 껍질에서 발현한다. 최규하 교수 연구실은 형광 종자 리포터 식물부터 수확한 수천 개의 종자들을 컴퓨터 이미지 분석 프로그램을 통해 염색체 상 교차율(cM)을 대량으로 분석할 수 있다[3]. 또한 연구실에서 직접 개발한 딥러닝 알고리즘 ‘DeepTetrad’로 형광 사분체 꽃가루(fluorescent pollen tetrad)의 형광을 분류해 교차 비율을 계산한다[4]. 야생종보다 교차가 많이 일어나는 hcr (high crossover rate) 돌연변이체을 확보한 후 서경배과학재단의 지원으로 돌연변이가 일어난 유전자를 찾고 유전자의 기능을 밝히고 있다. 

 

교차(crossover)를 일으키는 새로운 기전을 규명하다


hcr2 돌연변이체의 교차 증가 원인이 HSBP 유전자의 돌연변이에 있다는 것을 확인한 후, 연구진은 다양한 유전학적, 세포학적 기법과 최신 유전체 분석 기술을 활용하여 HCR2/HSBP가 어떻게 교차를 억제하는지 증명했다. 교차는 많은 수의 DNA 이중 분절 (DNA double-strand breaks, DSBs)에서 시작하며, DSB 수선(repair) 과정에서 교차 촉진 인자인 ZMM (ZIP4, SHOC1, PTD, MER3, MSH4/5, HEI10, MLH1/3) 단백질에 의해 교차 수가 결정된다(ZMM/Class I pathway). 특히 ZMM 단백질 중에 HEI10은 Ubiquitin 또는 SUMO E3 ligase로 발현 양에 따라 교차를 촉진한다. 이번 연구에서 HCR2/HSBP와 HSFs (heat shock factors 열충격 전사인자)들이 고온 반응 외에도 감수분열에서 작동하고, 특히 HSBP가 HSF에 결합하며 HEI10의 전사를 억제함으로써 교차 수를 제한함을 증명했다.  

최규하 교수는 “이번 연구도 지난번 HCR1 연구처럼 유전학적 방법으로 새로운 교차 억제 인자 HCR2/HSBP를 찾고 교차 조절의 분자적 기전을 밝혔으며, 이를 활용하여 다양한 식물의 육종 연한을 단축할 수 있는 새로운 육종 방법을 제시했다” 고 설명했다. 
 

교차(crossover)를 일으키는 새로운 기전을 규명하다

 

참고문헌

1.       Nageswaran DC, Kim J, Lambing C, Kim J, Park J, Kim E-J, et al. HIGH CROSSOVER RATE1 encodes PROTEIN PHOSPHATASE X1 and restricts meiotic crossovers in Arabidopsis. Nat Plants. 2021;7: 452–467. doi:10.1038/s41477-021-00889-y

2.       Kim J, Park J, Kim H, Son N, Kim E, Kim J, et al. Arabidopsis HEAT SHOCK FACTOR BINDING PROTEIN is required to limit meiotic crossovers and HEI10 transcription. EMBO J. 2022; 1–19. doi:10.15252/embj.2021109958

3.       Kim H, Choi K. Fast and Precise : How to Measure Meiotic Crossovers in Arabidopsis. Mol Cells. 2022;45: 273–283. Available: https://www.molcells.org/journal/view.html?doi=10.14348/molcells.2022.2054

4.       Lim EC, Kim J, Park J, Kim EJ, Kim J, Park YM, et al. DeepTetrad: high-throughput image analysis of meiotic tetrads by deep learning in Arabidopsis thaliana. Plant J. 2020;101: 473–483. doi:10.1111/tpj.14543

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