식물세포발달연구실

식물세포발발연구실에서는 RNA 대사가 식물의 생장과 발달을 조절하는 메커니즘을 세포수준에서연구한다. 유전자 발현이 식물 발달을 조절하는 과정은 다른 진핵생물과 마찬가지로 유전자의 전사와 전사후, RNA의 단백질 번역과 번역후 단계에서 다양한 방식으로 이루어진다. 연구실의 주요 프로젝트는 전사가 일어난 RNA의 분해와 세포내 작용 부위로의 이동을 연구하는 유전자의 전사후 발현조절에 초점을 두고 있다. 이러한 전사후 조절에는 RNA에 결합하는 단백질이 필수적이며, 이들 단백질이 RNA 가공, 이동, 분해와 전환을 매개한다. RNA 분해는 세포가 더이상 특정 RNA를 필요로 하지 않을 때 빠르고 정확하게 일어나서 전사체와 단백질 번역을 재설정해야 하기 때문에 생물의 발달 전이에 매우 중요하다.

진핵생물에서 활발한 단백질 번역 능력을 갖는 mRNA는 일반적으로 3’ 비번역부위의 poly(A) 꼬리가 길다. 분해될 운명에 처한 mRNA는 서서히 탈아데닐화(deadenylation)를 거치면서 poly(A)의 길이가 짧아지며, 이 과정에 크게 3종류의 탈아미노화 단백질 복합체(CCR4-Not 복합체, PARN 복합체, PAN 복합체)가 참여한다. Poly(A)의 아데닌이 2개 정도 남으면 RNA는 5’에서 3’, 3’에서 5’  방향으로 바깥쪽으로부터 분해되며, 일부 RNA는 안쪽에서도 절단이 일어나서 양쪽 방향으로 분해된다. 5’에서 3’으로의 절단은 캡제거효소(decapping enzyme)들이 mRNA의 5’에 있는 캡(methyl guanine)을 제거한 후 이어서 외부리보핵산제거효소(exoribonuclease)들이 작용하여 수행된다.  3’에서 5’  방향으로의 절단은 RNA 엑소좀(exosome) 복합체에 의해 일어난다. 엑소좀은 핵과 세포질에 모두 존재하나 핵의 엑소좀은 pre-mRNA와 핵 비암호화 RNA( rRNA, snRNA, snoRNA) 부산물 분해를, 세포질 엑소좀은 mRNA와 세포질 비암호화 RNA(small RNA, 긴비암호화 RNA)를 분해한다.

세포질의 mRNA와 달리 진핵생물의 핵, 미토콘드리아, 엽록체의 RNA는 가공 중인 pre-mRNA를 제외하고 원핵생물의 RNA와 유사하게 poly(A) 꼬리를 부착하면 분해과정을 거치게 된다. 세포에 많은 수로 존재하는 rRNA는 리보좀에서 단백질 번역에 필수적이다. 진핵세포의 rRNA는 18S, 5.8S, 25S(26S, 28S)가 pre-rRNA로 전사된 후 복잡하고 잘 정돈된 일련의 과정에 의해 만들어지며, 5S와는 독립적인 유닛으로 염색체에 존재한다. 잘못 만들어진 rRNA는 핵에서 분해과정을 거쳐 제거되는데, 이 과정에 문제가 발생하면 세포의 기능이 영향을 받는다. 이러한 기초적인 지식에 이해를 더하기 위해서 식물세포발달연구실에서는 다음과 같은 연구를 수행하고 있다.

rRNA 분해 연구

RNA가 분해되기 위해서는 RNA를 인식하는 단백질이 표적 RNA와 분해효소를 결합시켜야 한다. 이러한  RNA 인식(결합)단백질(RNA-Binding Protein; RBP) 중에 진핵생물에서 진화적으로 잘 보존되어 있는 Puf 단백질(PUM)은 모델식물 애기장대에 25개(APUM1~APUM25), 벼에 21개(OsPUM1~OsPUM21)가 존재한다. 애기장대의 25개 Puf 단백질 중에서 APUM23과 APUM24는 핵(nucleus)내의 인(nucleolus)에 위치하여 pre-rRNA가 기능을 하는 성숙한 18S, 5.8S, 25S로 가공되는데 필요한 역할을 한다. APUM23 돌연변이 애기장대인 apum23-1은 18S와 5.8S의 전구체와 poly(A) rRNA를 축적하여 잎의 위 아랫면 발달에 문제를 야기하며, 비정상적으로 거대한 핵을 갖는다. APUM24 돌연변이 애기장대인 apum24-1은 동형접합일 경우 poly(A) 꼬리를 갖는 5.8S와 25S rRNA가 분해되지 않고 축적되어 암배우자형성시 알세포, 극핵, 조세포, 반족세포의 형성이 지연되고 최종적으로 배발생 과정의 원형배 단계에서 치사 현상을 보인다. 이 연구 결과는 rRNA 분해에 Puf 단백질의 역할이 필수적임을 보여준다.

mRNA 분해 연구

연구실에서는 3’에서 5’ 방향으로 탈아데닐화된 mRNA 분해에 중요한 엑소좀 단백질들의 기능을 분석한다. 세포질 엑소좀은 9개의 핵심단백질과 직접 RNA를 분해하는 2~3 종류의 촉매단백질로 되어 있다. 연구 대상인 일부 엑소좀 핵심단백질(RRP)은 종자 성숙과정에서 식물호르몬 ABA의 조절을 받아 저장단백질의 축적과 발아시 ABA 합성 유전자 RNA를 제거를 조절한다. RNA 엑소좀은 효모, 초파리,  사람, 식물에 공통으로 존재하지만 식물의 엑소좀 핵심단백질은 RRP40이나 RRP45 처럼 2개 이상의 동종상동단백질을 갖고 있는 것들이 있으며, 이들 동종단백질은 조직, 세포, 세포내 위치를 달리한다. 식물의 엑소좀과 Puf 단백질의 다양성은 환경과 발달 신호에 대한 가소성을 충족시키는 전략이며, 이에 대한 연구를 세포분자생물학적인 기법을 이용하여 수행하고 있다.

수행중인 연구 프로젝트

식물의 RNA 분해, 이동, 저장 메커니즘 규명

Puf 단백질의 전사후 RNA 번역 조절