양성욱·배현숙 교수팀, 식물 마이크로 RNA (miRNA)의 생합성을 억제하는 새로운 조절 인자 규명

광신호와 miRNA 생합성 과정 사이의 연결고리 역할 기대

[사진. (왼쪽부터) 양성욱 교수, 배현숙 교수, 박승준 박사, 최석원 박사]

생명시스템대학 시스템생물학과 양성욱 교수팀과 배현숙 교수팀이 공동연구를 통해 빛에 의해 안정화돼 식물 마이크로 RNA (miRNA)의 생성을 억제하는 새로운 조절 인자를 최초로 규명했다. 이 연구는 식물학 분야 권위지이자 Cell Press에서 발간되는 ‘몰레큘러 플랜트(Molecular Plant; IF=12)’에 2021년 2월 게재됐으며, 그 중요성과 우수성을 인정받아 ‘SPOTLIGHT’로 선정돼 소개됐다.

miRNA는 20~24 뉴클레오티드(nucleotide) 크기의 작은 논코딩(non-coding) 조절 RNA 중 일종으로, 동·식물 체내에서 mRNA를 분해하거나 단백질 번역 과정을 억제하는 데 결정적인 역할을 하는 것으로 알려져 있다. 이러한 miRNA 생합성의 긴밀한 조절은 식물의 생장과 발달에 매우 중요한 요소이고 수많은 미세 조절자들이 연구되고 있다. 

현재까지 알려진 조절자들은 대부분 miRNA 생합성 과정에서 양성 조절을 하는 것으로 보고됐고, 억제 조절자로 보고된 인자는 SE (Serrate)에 상호작용해 초기 마이크로 RNA (pri-miRNA)의 구조를 변화시키는 CHR2 (Chromosome Remodeling 2)가 유일하다. 양성욱 교수팀과 배현숙 교수팀은 CHR2 외에 또 다른 miRNA 생합성의 음성 조절자를 발견해 그 기능을 최초로 규명했다. 

[그림. 빛의 변화에 따른 FHA2 단백질의 기능과 miRNA 생합성 활성 변화.

(왼쪽) 빛이 없는 조건에서는 FHA2 단백질이 분해돼 기능을 하지 못하게 되고, 이에 DCL1의 활성이 증가해 miRNA 생합성 증가.

(오른쪽) 빛이 있는 조건에서는 FHA2 단백질이 안정화되고 DCL1의 활성을 억제해 miRNA 생합성 저하]

이 연구는 miRNA 생합성 효소인 DCL1 (Dicer-Like 1)에 직접 상호작용하는 단백질인 FHA2 (Forkhead-Associated Domain 2)가 이 효소의 활성을 억제하며 miRNA와의 상호결합을 방해한다는 결과를 밝혀냈다. 특히 연구진은 이 연구를 통해 FHA2가 빛에 의해 안정화된다는 사실을 밝혔고, 다른 생합성 인자인 HYL1 (Hyponastic Leaves 1)의 기능을 강화하는 것으로 보아 miRNA 생합성 과정에서 또 다른 역할을 할 가능성 또한 제시했다.

연구진은 “miRNA 생합성의 음성 조절자들에 대해선 현재까지 보고된 바가 극히 부족했다.”며, “이번 연구가 miRNA 생합성 과정의 음성 조절 작용원리에 대한 새로운 통찰력을 제공할 것으로 기대한다.”고 연구의 의의를 설명했다. 

특히 식물이 빛에 노출되면 miRNA 생합성의 핵심 인자들과 pri-miRNA들의 상당한 축적이 유발됨에도 핵심 효소인 DCL1의 활성은 감소해 결과적으로 miRNA 수준은 상대적으로 일정하게 유지된다. 이러한 모순적 변화의 기본적인 작용원리는 그동안 명확하게 밝혀지지 않았으나, 연구팀은 빛의 변화에 따라 FHA2와 DCL1의 안정성이 동기화됨으로써 식물이 miRNA 생산에 있어 균형을 유지하도록 도울 수 있다고 설명했다. 

결론적으로 연구팀은 “이 연구가 광신호와 miRNA 생합성 과정 사이의 연결고리 역할을 할 수 있을 것으로 기대하고 있다.”고 밝혔다.

본 연구는 배현숙 교수 연구팀의 박승준 박사와 양성욱 교수 연구팀의 최석원 박사(공동 제1저자)가 주도했고, 양성욱 교수팀의 김구민 학생과 Christian Møller 학생이 공동연구로 참여했다. 본 연구는 미래창조과학부의 지원을 받은 한국연구재단의 기초과학연구사업, 한국연구재단의 중점연구소 지원 프로그램, 한국연구재단이 추진하는 중견연구자지원사업, BK21 플러스 사업, 농촌진흥청 주관 생명공학실용화기술공동연구 하의 시스템합성농생명공학사업단의 지원으로 수행됐다.

논문정보

● 제목: Light-Stabilized FHA2 Suppresses miRNA Biogenesis through Interactions with DCL1 and HYL1

● 주소: doi.org/10.1016/j.molp.2021.01.020

● SPOTLIGHT Article: Gan L. and Yu B., “Forkhead-associated domain 2 links light signal tomiRNA biogenesis.” Molecular Plant 2021. doi.org/10.1016/j.molp.2021.02.009