DGIST, 식물 잎 노화의 '스위치' 작동 원리 밝히다

DGIST(총장 이건우) 뉴바이올로지학과 임평옥, 이종찬, 김민식 교수 공동 연구팀이 식물 잎이 언제 늙기 시작하는지를 결정하는 새로운 분자 스위치를 발견했다. 연구팀은 핵에서 만들어진 RNA가 엽록체로 이동해 잎의 노화를 조절하는 새로운 기전을 세계 최초로 규명했다.

이번 식물 잎의 엽록체들은 광합성을 통해 식물 성장의 주된 에너지 자원을 생산하지만, 노화가 시작되면 분해되어 스스로가 자원이 된다. 분해된 엽록체 자원은 씨앗(종자)으로 이동해 다음 세대를 위한 영양분으로 사용되거나, 혹은 줄기나 뿌리로 보내져 다음 계절 준비에 이용된다. 이런 '엽록체의 기능 전환' 과정은 식물의 생존과 번식 전략에 직결되지만, 지금까지 그 전환 시점을 조절하는 구체적인 원리에 대한 이해는 매우 미흡하다.

연구팀은 모델식물인 애기장대에서 엽록체 유전자 발현 패턴과 유사한 양상을 보이는 긴 비번역 RNA(lincRNA)의 유전 분석을 통해 새로운 조절 인자인 'CHLORELLA RNA'를 발견했다. 고분해능 질량분석 및 단일분자 이미징 기술을 융합하는 다학제적 접근을 통해 CHLORELLA RNA는 핵에서 전사돼 세포질을 거쳐 엽록체로 이동해, 엽록체에 존재하는 유전자들의 전사에 관여하는 RNA 중합효소 복합체(PEP complex)의 단백질들과 결합함으로써 엽록체 전사 조절 활성에 영향을 주고, 발현 수준에 따라 엽록체 기능이 전환될 수 있음을 제시했다.

또한, 연구팀은 GLK 전사인자가 CHLORELLA RNA의 발현을 조절한다는 사실을 확인했다. 성장기에는 GLK가 CHLORELLA RNA의 발현을 높여 광합성 기능을 유지하지만, 노화가 시작되면서 GLK의 활성이 약해져 CHLORELLA RNA가 감소하고, 결국 엽록체의 광합성 기능의 소실과 분해를 유도한다는 사실을 규명했다.

임평옥 교수는 “이번 연구는 접근 방법론의 한계로 아직까지 연구가 미흡한 분야인 긴비번역 제어 RNA의 노화분야에서 시공간적 조절 원리를 제시했다는 점에서 학문적 의의가 매우 크다”며, “RNA 이동 추적을 보여준 바이오 이미징 기술, RNA와 상호작용하는 단백질 동정 등 다양한 융합 연구를 통해 얻어진 성과”라고 밝혔다. 

이어 “이런 접근 방법론은 긴비번역 RNA를 기반으로 하는 다양한 생명현상의 이해에 초석이 될 수 있을 것”이며, 나아가 잎의 발달과 노화를 조절해 "작물의 광합성 효율과 생산성을 높일 수 있을 것“이라고 덧붙였다.

이 연구는 DGIST 임평옥(공동교신) 교수팀의 강명훈박사, 이주현 박사, 이종찬(공동교신) 교수팀의 김진광 학생이 제 1저자로, 김민식 교수팀(공동교신), 곽준명 교수팀(공동), 그리고 연세대 양성욱 교수팀(공동)이 참여했다. 이번 연구는 한국연구재단의 중견연구자 및 기초연구실 사업의 지원을 받아 수행했으며, 연구결과는 식물분야 최고 전문지인 'Nature Plants(IF 13.6)'에 게재됐다.