| 초록 |
□ 연구개발 목표 및 내용 ○ 최종 목표 본 연구는 다세포성 홍조류인 개꼬시래기의 생체시계 분자기구 및 일주기리듬을 조절하는 분자생물학적 작용 원리를 세계 최초로 밝히는 것을 목표로 한다. 광합성 해양식물인 해조류는 육상식물과 비슷한 분자기전으로 생체시계 관련 유전자 및 단백질의 상호작용이 존재할 것으로 예상되지만 해조류를 대상으로 일주기 생체시계 분자기구 및 분자생물학적 작용 원리에 관해서는 아직 보고된 바 없다. 따라서 이번 연구는 이제 갓 해독된 개꼬시래기의 전장유전체 정보를 기반으로 홍조류가 가진 생체시계 네트워크의 기본적인 구조와 특성들은 무엇이고 어떻게 동작하며 유지하는지를 폭넓은 분자세포생물학적 연구를 더해 풀어나가며 기존에 없는 새로운 지식을 창출하고자 한다. ○ 전체 내용 1) 홍조류 특이적 시계유전자와 주요 대사경로의 상호작용 연구 분자 생체시계가 동정된 이래로 놀랍게도 대부분의 생물학적 대사경로들이 일주기 생체시계와 연결되어 있다는 사실이 밝혀졌다. 즉, 생체시계가 생물의 생리, 대사, 행동 전반을 조절하는 범용적인 조절 기구이기 때문에 생체시계와 대사 과정의 상호조절 관계를 잘 이해하는 것이 매우 중요하다. 따라서 본 연구에서는 개꼬시래기의 대사 작용과 생체시계 사이의 cross-talk을 개체수준에서 규명하는 연구를 수행하여 개꼬시래기의 주요 대사와 생체 리듬과의 연결고리를 규명할 것이다. 2) 홍조류 개꼬시래기의 일주기적 생명현상을 관장하는 생체시계의 분자조절기구 규명 일주기 생체리듬의 생성은 유전자의 작용에 의해 내재적으로 이루어진다. 지금까지의 연구에 의하면 생체시계 유전자들은 일련의 전사/ 해독 되먹임 고리를 형성하면서 단일 세포 수준에서 자발적인 분자 진자로 작동하게 되며, 또한 다양한 방식의 전사 후 혹은 해독 후 공정이 주요 조절 기작으로 작용한다는 사실이 알려져 있다. 해양식물인 홍조류에서도 내재적 생체시계가 비슷한 맥락으로 작용할 것으로 추론되지만 현재까지 알려진 내용은 전무하다. 따라서 개꼬시래기의 생체시계인자들 사이의 되먹임 조절 네트워크 및 전사 후 혹은 해독 후 공정에 대해 파악하여 최초로 개꼬시래기 생체시계기작의 작동 원리를 분자적 수준에서 풀고자 한다. 3) 홍조류 개꼬시래기의 전사 및 해독 후 공정에서의 생체리듬 조절 메커니즘 연구 분자 생체시계가 동정된 이래로 놀랍게도 대부분의 생물학적 대사경로들이 일주기 생체시계와 연결되어 있다는 사실이 밝혀졌다. 즉, 생체시계가 생물의 생리, 대사, 행동 전반을 조절하는 범용적인 조절 기구이기 때문에 생체시계와 대사 과정의 상호조절 관계를 잘 이해하는 것이 매우 중요하다. 따라서 본 연구에서는 개꼬시래기의 대사 작용과 생체시계 사이의 cross-talk을 개체수준에서 규명하는 연구를 수행하여 개꼬시래기의 주요 대사와 생체 리듬과의 연결고리를 규명할 것이다. □ 연구개발성과 1) 377가지 대사경로에 참여하는 개꼬시래기 유전자의 약 37%가 하루주기의 리드미컬 발현 패턴을 보유하며, 리듬유전자의 약 40.3%가 대사경로에 참여한다는 결과와 광합성 안테나 구성원 및 탄소 고정에서 동원되는 광합성 관련 인자들, 그리고 해당작용 및 구연산회로 등 세포에너지 생산 대사에 참여하는 상당수의 개꼬시래기의 효소들의 매우 높은 일주기 리듬을 확인하며 주요대사경로(광합성과 세포호흡)에서의 개꼬시래기 리듬유전자의 활동 확인을 확인하였다. 또한 리듬유전자로 매개되는 서로 다른 세포대사의 활동 시기를 유추하여 개꼬시래기의 다양한 세포 대사 경로가 유기적으로 연결되어 하루 중 필요에 따라 서로 다른 시기에 적절하게 응대함을 새롭게 밝혔다. 2) 홍조류 개꼬시래기의 리듬유전자들이 보유한 DNA와 RNA와의 결합능력 및 세포핵 위치를 확인함으로써 상당히 높은 수준에서 리듬유전자들의 전사조절인자로서의 역할을 확인했다. 2808개의 리듬유전자 대상으로부터 626개(5.8%)의 유전자가 전사조절인자/전사조절자로 발굴되었고. 이들의 대다수가 C2H2, MYB-related, bZIP, bHLH 등에 속했으며, acetyltransferase (GNAT)와 chromatin remodeling (SNF2) 유형도 다수 포함되었다. 특히 40개의 애기장대 시계관련 유전자 모델과 단백질 상동성을 가진 일주기 유전자 47개를 최초로 선별했다. 이들은 LHY/CCA1, TOC1와 같은 애기장대의 핵심시계인자들과의 상동성을 보유한 것으로 파악되었다. 개꼬시래기의 유력한 시계인자 후보군으로 39개를 최종 선별하여 이종시스템에서 세포 내 위치를 확인한 결과 39개 중 단 6개를 제외하고 모두 세포핵에 위치함에 따라 전사조절인자로서의 리듬유전자의 기능이 보다 확고해졌다. 다세포성 홍조류에서는 연구가 전무한 세포의 생명활동을 지배하는 생체리듬을 생산하는 유전자기반의 분자진자 네트워크를 최초로 발굴한 유의미한 결과다. 3) 2808개 리듬유전자 그룹을 대상으로 PTM인자의 탐색을 진행하여 23개 PK family group에 속하는 37개의 단일유전자들의 일주기성 유전자발현을 확인하였으며, 다수의 후성유전학 관련 단백질들을 동정하여 6개의 크로마틴 조절자(CR) 그룹에 속하는 19개 유전자가 일주기 리듬을 확인했다. 게다가 유력한 개꼬시래기 시계인자 후보 39개 중 33개가 PTM 부위를 보유하는 것으로 드러나 홍조류 개꼬시래기 시계인자의 해독 후 시계단백질의 수정 및 염색질 리모델링 등의 추가 규제가 이루어진다는 새로운 증거를 제시하였다. □ 연구개발성과 활용계획 및 기대 효과 본 연구는 미개척의 다세포성 홍조류 개꼬시래기를 모델 생명체로 하여 생체시계의 분자적 작동 기전과 시계 유전자의 생리적 작용 기전을 규명하여 새롭게 해조류의 생체시계 모델을 구축하는데 그 의의가 있으며 도출된 연구결과는 다음과 같이 활용될 수 있다. 1) 현재 해조류의 생체시계연구는 동물이나 식물에서보다 상대적으로 연구가 매우 미진하다. 특히 단세포가 아닌 다세포성 해조류인 개꼬시래기로부터 새로운 분자진자의 발굴 및 시계 유전자의 세포 내조절 경로의 이해는 해조류 연구의 선도 분야가 될 가능성이 크다. 2) 해조류에서 추출되는 다양한 이차대사산물은 이미 식품과 의약, 미용 산업 등에서 광범위하게 사용되고 있으며, 그 규모는 매년 큰 성장세를 보이고 있다. 따라서 해조류 생체시계의 분자생물학적·생화학적 기능 원리를 이해하여 그들의 최적의 생육 조건을 정확하게 파악하는 것은 경제적 유용 해조류종의 생산성 증진 및 바이오매스 향상을 이끌 수 있으며, 핵심 생물자원의 효율적 확보는 다양한 생물산업의 소재로 활용되어 미래 산업의 근간 및 막대한 경제적 가치를 창출할 수 있다. (출처 : 요약문 2p) |
