이명민 교수 연구팀, 식물세포의 세포막 수용체 안정화 메커니즘 밝혀

세포들 사이의 소통 조절 방법 제안

이명민 교수(생명시스템대학 시스템생물학과) 연구팀이 애기장대 뿌리 표피세포 운명 결정 과정에서 중요한 역할을 수행하는 유전자를 발굴하고, 이 과정에 관여하는 것으로 이미 알려져 있던 유전자와의 기능적 상관성을 규명하는 데 성공했다. 본 연구 결과는 세계적 국제 학술지인 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’ 온라인 판에 4월 15일자로 게재됐다. 

사람은 시각과 촉각, 청각 등을 통해 주변 환경을 인지하며 언어라는 수단을 통해 주변 사람과 소통한다. 이러한 인지와 소통은 모든 생명체에서 나타나는데 개체 수준에서 뿐만 아니라 세포 수준에서도 일어나고, 주로 세포막에 존재하는 수용체가 세포 밖의 환경을 인지하여 세포 내부로 받은 신호를 전달한다. 식물세포 사이의 의사소통에는 일반적인 방법 외에도 특이한 방법이 이용된다. 즉, 식물세포는 주변 세포에서 만들어진 단백질이 특정 세포 안으로 이동하여 작용하는 방법을 통해 자기 주변에 어떤 세포가 존재하는지 등의 환경을 인지하기도 한다. 그러나 이러한 세포들 사이에서의 단백질 이동이 어떻게 조절되는지에 대한 기작은 제대로 알려져 있지 않다.

봄에 제주도에서 쉽게 볼 수 있는 유채와 비슷하게 생긴, 십자화과 식물에 속하는 애기장대의 뿌리 표피 세포는 주변 세포를 인지하고, 주변 세포와의 소통을 통해 최종적인 자기 운명을 결정한다. 지금까지 운명 결정에 관여하는 다양한 유전자들이 발굴됐다. 그 중 세포막에 위치한 수용체 키나아제 ‘SCRAMBLED(SCM)’는 뿌리의 특정 표피 세포에 선택적으로 축적되어 세포 외부에 있을 것으로 추정되는 미지의 위치 신호를 인지한다. 이를 세포 내부로 전달하여 전사조절인자인 ‘WEREWOLF(WER)’ 발현을 조절함으로써 궁극적으로 세포의 운명을 조절한다고 알려져 있다. 하지만 위치 신호가 무엇인지, SCM이 어떻게 특정 세포에 선택적으로 축적되는지, SCM이 어떻게 WER 유전자 발현을 조절하는지에 대해 알려진 바가 없었다. 

이명민 교수 연구팀은 SCM이 어떻게 뿌리 표피 세포 운명을 조절하는지를 연구하기 위해서 새로운 돌연변이군을 탐색했다. SMC 돌연변이체와 유사한 표현형을 보이는 돌연변이체를 선별했으며, 이는 ‘QUIKRY(QKY)’ 유전자의 돌연변이에 의한 표현형임을 밝혔다(그림 1). 더 나아가, QKY 단백질은 세포막에서 SCM 단백질과 상호결합하며, 이러한 결합으로 SCM의 유비퀴틴화가 억제된다는 것을 밝혔다. 유비퀴틴화의 방해로 인해 SCM이 세포안쪽으로 들어가 액포에서 분해되는 것이 억제되고(그림 2), 이로 인해 특정 표피 세포의 세포막에 축적되어 CPC 단백질의 표피세포 사이의 이동을 촉진하며 궁극적으로 위치특이적인 뿌리 표피세포 운명을 조절한다는 매커니즘을 제시한 것이다(그림3). 

이교수는 “연구를 통해 SCM에 의해서 WER 발현이 어떻게 조절되는지에 대한 새로운 매커니즘을 제시했고, 세포 사이에서 단백질의 이동을 수용체 키나아제가 조절할 수 있다는 사실을 밝혀냈다.”며 “앞으로 뿌리 표피 세포의 운명결정에서 위치특이적인 신호 전달과정을 규명하는 데 매우 중요한 단서를 제공할 것으로 기대되며, 더 나아가 세포와 세포 사이의 의사소통 조절에 관한 연구에 커다란 기여를 할 것으로 기대된다.”고 연구의 의의를 밝혔다. 

한편, 본 연구는 농촌진흥청 우장춘 프로젝트를 통해 수행되었으며, 송재효 박사후연구원이 제1저자로 참여했다. 이밖에도 숙명여자대학교 남경희 교수와 롱아일랜드대학교 곽수환 교수, 미시간대학교 Schiefelbein, John 교수가 공동연구원으로 참여했다.  

그림 1. QKY 유전자 발현 패턴

그림 2. 두 단백질의 colocalization 분석

그림 3. 뿌리 표피 세포 운명 결정 기작