특정 단백질…꽃 피는 시기 결정한다

국내연구팀, 식물의 성장과 개화 시기 조절하는 단백질 규명해

▲유전자 발현 억제를 하는 HDA9와 PWR 단백질 기능이 제대로 작용하지 않으면 꽃이 일찍 피고 건강하지 못한 열매가 달렸다. [사진제공=IBS]

[아시아경제 정종오 기자] 국내 연구팀이 식물의 꽃 피는 시기를 결정하는 단백질의 기능을 밝혀냈다. PWR 단백질이 식물의 성장과 개화시기를 조절하는 것으로 규명됐다. PWR 단백질(POWERDRESS)은 2013년 처음으로 연구된 단백질이다. 개화 시기나 꽃 기관 형성 조절에 관여한다는 생물학적 기능은 해당 논문에서 밝혔는데 정확한 작용 메커니즘을 알 수 없었다.

식물은 생존을 위해 외부 환경의 변화에 민감하게 반응한다. 이 때문에 식물은 후성유전학(epigenetics)적 메커니즘을 통해 발달, 성장, 적응, 노화 등의 생애 전반에 걸쳐 중요한 유전적 결정들을 내린다. 후성유전학적 조절 메커니즘은 DNA에 담긴 유전정보의 변화 없이 DNA 주변부와 DNA에 결합하는 단백질복합체의 구조 변화로 유전자 발현을 조절하는 방식이다.

연구팀은 PWR 단백질이 히스톤 탈아세틸화 효소(Histone Deacetylase) 중의 하나인 HDA9(Histone Deacetylase 9)와 복합체를 이뤄 식물의 성장과 개화시기를 조절한다는 사실을 알아냈다.

여러 후성유전학적 조절 메커니즘 중 하나로 알려진 히스톤 아세틸화·탈아세틸화 과정은 히스톤 아세틸화 효소(acetylase)와 탈아세틸화 효소(deacetylase)에 의한 뉴클레오솜(Nucleosome)의 구조 변형을 통해 이뤄진다. 히스톤 아세틸화 효소가 뭉쳐져 있는 히스톤 단백질에 아세틸기를 붙여 뉴클레오솜의 연결을 느슨하게 하면 DNA 전사가 가능해 유전자 발현이 촉진된다. 반대로 HDA9와 같은 탈아세틸화 효소가 느슨하게 연결된 히스톤 단백질의 아세틸기를 떼면 뉴클레오솜이 다시 뭉쳐 유전자 발현 정도가 감소한다.

PWR과 HDA9는 유전자 발현을 억제하는 기능을 한다. 이 시스템이 제대로 작동하지 않은 돌연변이의 경우 꽃이 일찍 피고 열매가 튼튼하지 못한 것으로 실험결과 확인됐다. 탈아세틸화 과정이 제대로 진행되지 않는 경우(PWR과 HDA9가 역할을 하지 않는) 잎이 작게 자라거나 꽃이 빨리 피는 등 식물의 성장과 발달에 문제가 발생했다. PWR 단백질은 개화 시기 조절과 꽃의 기관 형성 기능을 수행한다는 사실이 기존에 알려져 있었다. 그 구체적 작용 메커니즘이 밝혀진 것은 이번 연구 논문의 성과 중 하나이다.

연구팀은 PWR 단백질과 HDA9의 해당 유전자를 각각 없앤 돌연변이체를 관찰한 결과 정상 식물에 비해 히스톤 단백질의 아세틸화가 증가했고 개화 유전자 발현 또한 증가됨을 확인했다. 두 돌연변이체에서 아세틸화되는 히스톤 단백질들의 유전체 상 위치와 발현이 증가하는 유전자들의 종류가 상당히 유사했다. 그 결과 두 개체 모두 정상 식물보다 개화시기가 빨랐고 열매 끝이 뭉툭한 모양이었다. HDA9와 PWR 단백질은 동일한 유전적 경로를 통해 탈아세틸화 작용을 수행해 식물의 성장과 개화 시기 조절에 관여함을 밝혀낸 것이다.

기초과학연구원(IBS) 식물 노화·수명 연구단 곽준명 그룹리더와 김윤주 연구위원이 리버사이드 캘리포니아대(UC Riverside)의 쉐메이 첸(Xuemei Chen) 교수팀과 공동 연구를 통해 수행했다. 연구결과는 미국국립과학원회보(PNAS) 온라인판에 12월5일(POWERDERESS and HDA9 interact and promote histone H3 deacetylation at specific genomic sites in Arabidopsis )자에 실렸다.

김윤주 박사는 "이번 연구논문을 응용하면 특정 식물의 개화시기를 조절할 수 있는 실마리를 찾을 수 있을 것"이라고 말했다.

▲정상군 애기장대(Col)와 돌연변이. 정상인 애기 장대에 비해 돌연변이는 일찍 피고 열매 끝이 뭉툭했다.[사진제공=IBS]

정종오 기자 ikokid@asiae.co.kr