생명과학과 김성기교수, 식물호르몬 Brassinosteroids에 의한 식물 생장 및 면역 조절 분자 기전 규명

김성기 교수 연구팀 (김성기 교수, 윤지현 박사)

다양한 주변 신호와 자극에 빠르고 적절한 대응하기 위해서 식물은 많은 세포 표면 수용체들 (Cell Surface Receptor)을 가지도록 진화하였다. 이러한 세포 표면 수용체는 세포 외부로부터의 자극을 자신들만의 고유한 세포 신호 전달 체계 (signal transduction pathways)를 통해 세포 내부로 전달하여, 외부 자극에 따른 다양한 세포 내 반응들을 유발한다. 하지만 다양한 세포 표면 수용체에 비해 그들의 하위에서 신호를 세포 내부로 전달하는 세포 전달 분자 (signal mediator)의 숫자는 매우 제한적이어서, 식물의 세포 표면 수용체들은 그 하위의 세포 전달 분자들을 서로 공유하여 고유한 세포 반응을 일으키게 되는데, 어떻게 제한적인 세포 전달 분자를 통한 다양한 세포 반응을 일으키는지에 대한 기작은 잘 알려지지 않았다.

본 연구는 어떻게 특정 세포 전달 분자가 식물의 면역과 생장 반응을 구별하여 조절하는지에 대한 분자 기작을 규명하였다. 식물은 세포 표면 면역 수용체들을 통해 외부의 병원체를 인식하여 세포 내부의 MAP 인산화 효소 (Kinase)를 활성화와 같은 다양한 면역 반응을 유발 시키는데, 이 면역 수용체들이 어떠한 세포 전달 분자를 통해 세포 내의 면역 반응을 유발 시키는지에 대해서는 면역 수용체가 밝혀진 이후로 거의 30년간 밝혀지지 않았었다. 본 연구팀은 식물의 생장을 조절 물질인 브라시노스테로이드 (Brassinosteroid, BR))의 신호 전달에 관여하는 BSU1 탈인산화 효소 (BSU1 phosphatase)가 식물 면역 신호 전달에도 관여한다는 것을 증명하였다. 이후 질량 분석기 (Mass Spectrometry)와 대사 동위원소 (metabolic isotope)을 이용한 인산화 단백질체 분석 (Phospho-proteomics) 기술을 통해, 식물 면역 수용체 신호 전달 체계에서는 BSU1 단백질의 세린 251 (Serine 251)가 인산화되어 면역 반응을 유발하고, 식물 생장 신호 전달 체계에서는 BSU1의 세린 764 (Serine 764)가 인산화되어 생장 반응을 조절한다는 것을 밝혀내었다. 이번 연구 결과는 어떻게 면역 신호가 세포 내로 전달이 되는지를 규명했을 뿐만 아니라, 향후 면역과 생장이 동시에 향상된 작물의 개발에 기여 할 것으로 기대하고 있다.

그림. 식물호르몬 Brassinosteroids에 의한 면역과 생장 조절 분자 기전 모식도

본 연구는 생명과학과 김성기 교수, 한양대학교 김태욱 교수, 미국 Stanford 대학 Carnegie 연구소 Wang, Zhiyong 교수와 공동 연구로 수행되었으면, 제1 저자 박찬호 박사와 공동 교신 저자 김태욱 박사는 김성기 교수 연구실 출신으로 사제간의 지속적인 공동연구의 결과라는 점에서 또 다른 의미가 있다고 할 수 있다. 본 연구과제는 연구재단 중견연구자지원사업과 교육부 4단계 Brain Korea 21 사업의 연구비를 지원받아 진행되었으며, 본 논문은 식물학 분야 최상위 학술지인 Nature Plants (IF = 17.352) 2022년 6월호에 개재 되었다.