김우택-양성욱 교수팀, 이상기후 감지 단백질 품질제어 유전자 기술 첫 개발

환경 스트레스 대응 신기능 작물 개발 기대

가뭄, 고온, 냉해, 홍수와 같은 이상기후 재해가 식량작물에 심각한 악영향을 주고 있는 가운데 열악한 환경에서도 잘 자랄 수 있는 신기능 작물 개발이 세계적인 연구과제로 대두되고 있다.

시스템생물학과 김우택·양성욱 교수 공동 연구팀(공동 제1저자 김종흠, 조석근 박사)은 식물세포에서 이상기후 스트레스를 감지하여 단백질 품질제어 반응을 조절하는 MPSR1 유전자를 발견하고, 이 유전자가 세포내 기능이 상실된 변성 단백질을 특이적으로 제거하여 식물의 생존성을 높이는 핵심 유전자임을 규명했다. 본 연구 결과는 미국 국립과학원 공식 저명 학술지 Proceedings of National Academy of Science USA(PNAS) 온라인 최신판에 게재되었다.

식물이 가뭄, 고온, 고염, 중금속 등 다양한 환경 스트레스를 받게 되면 생체 내 중요 기능을 담당하는 단백질의 구조가 변성되어 그 기능을 상실하면서 생존을 위협받게 된다. 김우택·양성욱 교수팀은 환경 스트레스를 인식하고 스트레스에 의해 기능이 상실된 세포내의 변성단백질을 제거하는 MPSR1 유전자를 찾았고, 이 유전자가 단백질 품질제어 반응을 조절하여 식물이 이상기후 스트레스에 대응한다는 사실을 확인했다.

나아가 연구팀은 MPSR1 유전자를 과발현하는 식물체는 환경 스트레스를 보다 효과적으로 인식하며 동시에 변성단백질을 빠른 시간 내에 제거함으로써 다양한 환경 스트레스에 대한 생존율이 야생형에 비해 월등히 높다는 사실을 확인했다. 반면 MPSR1 유전자의 기능이 상실된 식물체는 환경 스트레스에 매우 취약하여 낮은 생존율을 보임을 발견했다.

또한 MPSR1 단백질은 스트레스가 없는 조건에서는 자가 조절(self-regulatory) 반응을 통해 스스로의 기능을 억제하고 있다가, 식물 세포가 스트레스를 받으면 스트레스를 감지(sensing)하고 이를 통해 변성단백질을 특이적으로 분해함으로써 세포 내 기능이 상실된 이상 단백질 축적을 억제한다는 사실을 밝혔다.

김우택 교수는 “이번 연구를 통해 그동안 연구되지 않았던 식물의 이상기후 대응 단백질 품질제어 핵심 조절 유전자의 기능이 규명되었다.”면서 “본 연구의 결과를 벼와 같이 가뭄에 취약한 식량작물과 고온에 취약한 엽채류(배추, 상추 등)에 응용한다면 이상기후 스트레스에 대응하는 신기능 작물 개발의 가능성을 열어 이 분야의 세계적 경쟁력 확보가 기대된다.”고 연구의 의의를 설명했다.