경상대 연구팀, '식물 생체시계조절 기작' 규명

김외연 교수-미국 오하이오 주립대 공동 연구

경상대학교 김외연 교수(오른쪽)와 차준영 박사(왼쪽).[사진=경상대]

아주경제 이채열 기자 =식물 생체시계조절 기작을 규명한 국내 연구팀이 화제가 되고 있다.

경상대 김외연 교수와 미국 오하이오 주립대 공동연구팀은 자샤페론에 의한 식물 생체시계 조절기작을 규명해 단백질 항상성조절을 통한 작물생체시계를 제어할 수 있는 가능성을 제시했다.

이 연구 결과로 단백질 항상성 조절을 통해 작물의 개화 조절과 지구 온난화로부터 야기되는 다양한 환경스트레스에 대항해 작물 생산량 증대를 모색할 수 있는 가능성을 밝힌 데 의미가 크다고 할 수 있다.

식물을 포함한 지구상 모든 생명체는 고유의 생체시계를 가지고 있다. 생체시계는 태양의 빛 신호를 매개로 사람의 다양한 호르몬, 혈압 등의 조절을 통해 일주기 리듬을 나타낸다. 식물 역시 빛과 온도 신호를 매개로 식물의 다양한 발달 과정뿐만 아니라 최근 환경 적응성을 조절한다고 알려지고 있다.

이 연구는 농촌진흥청 차세대바이오그린21사업 시스템합성농생명공학사업단의 연구비 지원으로 경상대학교 김외연 교수 연구진과 미국 오하이오 주립대 데이비드 소머즈 교수 연구진이 공동 수행했다.

연구 결과는 생화학ㆍ유전학ㆍ분자생물학 분야의 세계적인 학술지인 '네이처 커뮤니케이션즈'(Nature Communications) (2016 Multidisciplinary Science 분야 랭킹 3위, IF 11.329)의 2월 23일자 온라인판에 게재됐다.

식물의 생체시계는 지구 자전과 함께 반복되는 태양의 빛 신호와 낮밤 동안의 온도변화를 입력 신호로 인지해 광합성, 성장 및 개화시기 등의 다양한 식물 생장을 조절한다.

경상대학교 김외연 교수와 미국 오하이오주립대 데이비드 소머즈 교수 연구진은 식물 생체시계 조절과정 중 전사후 조절 과정에 있는 자이겐티아(GIGANTEA, GI)와 자이틀루프(ZEITLUPE, ZTL) 단백질 간 상호작용 규명에 수년간 공동 연구를 진행하고 있다.

식물 생체시계 조절 기작 규명 관련 그림.[사진=경상대]

자이겐티아와 자이틀루프 단백질은 일주기에 따른 반복성 발현을 보이는 식물생체시계 인자들로서 이들이 식물체 내에서 결핍될 경우 하루의 주기(24시간)가 지연된다.

연구진은 자이겐티아가 청색광을 인지하는 빛 수용체인 자이틀루프의 단백질 안정성을 유도한다고 2007년 세계 최상위 저널인 『네이처』(Nature, IF 38.138)에 보고했으며, 후속 연구로 생체 내 단백질 안정성을 광범위하게 유도하는 분자샤페론인 열충격단백질(Heat-Shock Protein 90, HSP90)이 역시 자이틀루프 단백질 안정성을 조절함으로써 생체시계 주기 조절에 관여한다고 2011년 『미국국립과학원회보』(PNAS, IF 9.423)에 밝힌 바 있다.

또한 경상대 김외연 교수 연구진은 자이겐티아를 통한 식물의 염 저항성 기작을 『네이처』 자매지인 『네이처 커뮤니케이션즈』에 2013년 보고함으로써 생체시계인자의 식물 환경 적응성 조절 기능을 밝힌 바 있다.

생체 내 모든 단백질은 고유의 3차구조를 형성해야만 각 효소로서의 활성을 나타낸다. 이 과정을 단백질 폴딩(folding)이라 칭한다.

이번 연구성과는 식물 생체시계 리듬을 조절하는 자이틀루프의 단백질 안정성을 조절하는 서로 다른 두 단백질(자이겐티아와 HSP90 단백질) 간 상호 관계를 밝힌 것으로 자이겐티아가 분자샤페론인 HSP90의 활성에 필수적인 분자샤페론(co-chaperone) 기능을 하며 이를 통해 자이틀루프 단백질의 폴딩 및 단백질 안정성을 높여서 자이틀루프 단백질의 활성을 최대치화함으로써 식물 생체시계의 올바른 작동에 도움을 준다.

이상의 연구는 단백질 항상성 조절을 통한 생체시계 조절기작을 규명한 것으로, 식물 성장, 개화와 같은 생장 조절뿐만 아니라 환경 스트레스 내성을 광범위하게 조절하는 식물 생체시계 조절 기작을 생화학, 분자생물학적으로 밝힌 연구 결과이다.

한편, 이번 논문에는 경상대학교 김외연 교수와 오하이오 주립대 데이비드 소머즈 교수가 교신저자로, 경상대 차준영 박사와 오하이오 주립대 김정식 박사(현 기초과학연구원 소속)가 공동 제1저자로 참여했고, 이상열 시스템합성농생명공학사업단장(경상대)이 공동저자로 참여했다.