불안정한 외부 요인 영향 덜 받는 안정적 세포 생체리듬 기전 규명...

[임광자]

	불안정한 외부 요인 영향 덜 받는 안정적 세포 생체리듬 기전 규명...IBS 식물 노화·수명 연구단(남홍길 단장)과 포스텍 황태희 교수 공동 연구팀

생명과학 미래창조과학부 (2013-07-08 14:04)

국제과학비즈니스벨트 핵심 기관인 기초과학연구원(원장 오세정·IBS) 「식물 노화·수명 연구단」(남홍길 단장, DGIST 교수)은 포스텍 연구진과(황태희 교수팀) 공동으로 ‘식물의 세포가 불안정한 외부 환경*영향에도 불구하고 안정적인 반응을 보이게 하는 생체 회로’에 대한 새로운 작용기전을 규명했다.
     * 이번 연구는 빛(외부 환경)으로 실험

세포내 분자 네트워크의 형성과 정보 처리를 통해 생체회로의 안전성을 유도하는 기전을 규명한 이번 연구는 기초생명현상을 이해하는 단초를 제공하여 작물성장․수확시기 조절 등 농업분야에서의 적용은 물론 생체형 정보처리 전자회로 구성의 가능성을 제시하였고, 7월 4일 「디벨럽먼탈 셀 Developmental Cell)」 온라인에 게재*됐다.
     * 논문제목 : ‘단백질 자이겐티아의 핵 및 세포질 분포를 이용한 공간적 네트워크 구성과 이를 통한 식물 생체 시계 조절에 관한 연구’(Balanced Nucleocytosolic Partitioning Defines a Spatial Network to Coordinate Circadian Physiology in Plants), 공동 제1저자 DGIST 김유미 박사․포스텍 한승민 박사과정생, 교신저자 : IBS 식물 노화․수명 연구단 남홍길 단장․포스텍 황대희 교수

세포는 기본적으로 다양한 생체신호 처리구조를 가지고 있으며 내․외부 환경으로부터의 정보를 처리해 생존․성장․복제한다.

이에 관여하는 주요 인자는 자이겐티아(GI, GIGANTEA)와 라이(LHY, LATE ELONGATED HYPOCOTYL)이며, 자이겐티아(GI)는 라이(LHY)를 조절한다고 보고돼 있다. 남 단장은 자이겐티아(GI)가 식물 생체 시계의 활성조절 중요인자임을 지난 1999년 사이언스(Science)紙에 발표한바 있다.

연구진은 식물 생체시계의 활성조절역할을 하는 단백질인 자이겐티아(GI)가 세포핵과 세포질 2곳에 각각 존재하며 서로 반대되는 조절 신호를 보냄으로써, 생체 회로의 안정성을 유도하는 특별한 정보처리 기전을 확인했다.

연구진은 계산학적인 생체 정보 처리 모델링*을 통해 세포내 신호조절 회로를 규명함으로써 자이겐티아(GI) 단백질과 중심 조절자인 라이(LHY)가 만들 수 있는 모든 종류의 분자 네트워크 모델을 만들고 이를 실험적으로 증명했다. 이를 통해 핵에 있는 자이겐티아(GI)는 라이(LHY)를 활성화 시키고, 세포질에 있는 자이겐티아(GI)는 라이(LHY)의 활성을 억제하는 것을 확인했다.
     * 유전자 또는 단백질 사이의 활성, 억제 관계를 수학적인 방식(상미분 방정식)   으로 표현하고, 이렇게 표현된 수학적 모델을 시뮬레이션하여 유전자 조절    회로에 포함된 유전자들의 시간에 따른 변화를 예측하는 과정을 의미함.

또한, 핵과 세포질 자이겐티아(GI)가 구성하는 조절 회로는 외부 환경으로부터 오는 신호에 불안정성(불안정한 노이즈)이 있더라도, 식물 세포가 이 노이즈에 큰 영향을 받지 않고 안정적으로 반응하게 하는 강건성(robustness)이 있음을 확인했다.
 
IBS 남 단장은 “이번 연구 결과는 세포내 분자 네트워크의 형성과 정보 처리 및 이에 의한 생명 현상 조절을 이해하는 새로운 패러다임을 제공하여, 기존에 이해하기 힘들었던 여러 생명과학을 새롭게 해석하게 하는 전환점이 된다는 점에서 의미가 있다”고 말했다.

연 구 결 과  개 요

1. 연구배경
● 식물의 생체시계는 배아 성장, 광합성, 개화 등의 식물 생장 전반을 유기적으로 연계하는 중요한 생명현상이다.
● 식물의 생체시계는 하루를 주기로 하여 나타나는 여러 생명현상을 관장한다. 특히 자이겐티아(GI)라는 단백질이 식물 생체 시계의 활성을 조절하는 데에 중요하며, 이 외에도 배아 성장, 개화 촉진 등의 식물 발달에 다양한 역할을 하고 있음이 여러 연구자들에 의해 보고되었다.
● 식물 생체시계의 분자 네트워크는 생체시계를 조절하는 중심 조절 유전자들의 전사(transcription), 번역(translation) 기작을 바탕으로 여러 음의 피드백 루프 (negative feedback loops)가 연결되어, 24시간의 주기를 만들어 낸다. 그러나 이 분자 네트워크는 단백질의 세포 내 분포 정보는 고려되지 않은 채 연구되어 왔다.

 2. 연구내용
● 본 연구진은 식물 생체 시계를 조절하는데 있어 중요한 역할을 하는 단백질 GI가 핵과 세포질에 동시에 존재하며, 세포 내 위치(핵 또는 세포질)에 따라 GI가 식물 초기 생장, 계절별 개화시기, 생체 시계 조절 등에서 각각 독특한 기능을 담당하고 있는 것을 확인하였다. 즉, 핵에 있는 단백질 GI는 개화 시기 조절과 식물 초기 생장에, 세포질에 있는 단백질 GI는 식물 초기 생장과 생체 시계 조절에 관여하고 있었다.
● 본 연구진은 핵과 세포질에 존재하는 GI가 생체 시계 핵심 유전자인 라이(LHY)를 조절하고, 이를 통해 개화 시기, 식물 생장과 같은 여러 표현형을 조절할 것이라는 가설을 세웠다.
● 연구진은 수학적 모델링을 이용해 핵과 세포질에 존재하는 GI가 LHY를 각각 활성 및 억제하고 있음을 예측했다. 구체적으로 말해, 핵 및 세포질에 위치한 GI 단백질이 LHY와 구성할 수 있는 모든 종류의 분자 네트워크 모델을 만들고, 이들 모델 중 식물체 내에 존재할 가능성이 가장 높은 분자 네트워크를 수학적 시뮬레이션을 통하여 선정했다. 이를 통해 핵과 세포질 GI가 LHY와 type 3 incoherent feedforward loop이라는 생체 회로를 구성하고 있음을 알 수 있었다. 연구진은 예측된 조절 회로를 실제 식물을 이용한 실험을 통해 검증하였다.
● 본 연구진이 규명한 생체 조절 회로는 일반적인 type 3 incoherent feedforward loop의 경우와 달리, 세포 내 다른 공간에 위치한 단백질을 서로 다른 방식으로 이용(즉, 핵 GI는 LHY를 활성, 세포질 GI는 LHY를 억제)하여 생체 조절 회로를 구성하고 있었다. 본 연구진은 계산학적인 방법과 실험을 통해 핵과 세포질에 위치한 GI가 서로 균형을 이루며 작용하여 생체 시계의 일주기 진동의 진폭을 높임을 알 수 있었다. 또한, 핵과 세포질 GI가 구성하는 조절 회로는 외부 환경으로부터 오는 신호에 노이즈가 섞여 있더라도, 식물 세포가 이 노이즈에 큰 영향을 받지 않고 일정하게 반응하게 하는 강건성(robustness)을 가져올 수 있었다. 이것은 기존에 알려진 바와 같이 전사(transcription), 번역(translation)에 의존했던 생체 시계 분자 네트워크에 새로운 특성을 부여하는 중요한 실마리가 된다.

 3. 기대효과
● 본 연구는 분자 네트워크가 단백질들의 세포 내 분포를 이용하여 구성될 수 있고, 이를 통해 생체로 들어오는 신호를 효과적으로 처리할 수 있는 능력이 발생함을 식물 생체 시계의 사례를 통해 보였다.
● 본 연구는 분자 네트워크 연구에 있어 단백질들의 세포 내 분포를 고려하는 것이 중요함을 보였고, 효과적인 생체 정보 처리 메커니즘에 대한 이해를 높였다. 이를 통해 분자 네트워크 연구의 새로운 패러다임을 제시하였다.

<그림> 세포 내 자이겐티아 단백질의 분포에 의해 형성되는 네트워크 모델과 생체시계 조절에의 역할

Journal reference
Balanced Nucleocytosolic Partitioning Defines a Spatial Network to Coordinate Circadian Physiology in Plants
Yumi Kim, Seungmin Han, Miji Yeom, Hyunmin Kim, Junhyun Lim, Joon-Yung Cha, Woe-Yeon Kim, David E. Somers, Joanna Putterill, Hong Gil Nam, Daehee Hwang
Developmental Cell - 03 July 2013