연구 테마 소개

고착성인 식물은 외부환경 변화에 따른 다양한 스트레스에 끊임없이 노출되고 이에 대해 적응하며 일평생을 살아간다.
식물 호르몬은 이러한 외부 환경적인 요인에 대한 감지,순응,적응,대응 등을 종합적으로 담당하는 내재적 신호로서 식물의 다양한 생리적인
반응 조절에 필수적인 화합물이다.

브라시노스테로이드 (Brassinosteroid, BR)는 식물의 생장과 발달을 포함한 다양한 생리적 작용을 조절하는 스테로이드 호르몬이다.
BR은세포 생장, 광형태형성, 관다발 분화, 생식 기관 분화, 기공 세포 분화, 스트레스 저항성 및 면역반응 등 광범위한 생리활성을 조절한다.
이러한 BR의 다양한 생리활성은 식물 세포 내 자신의 고유한 신호전달경로를 통해 이루어지거나 다양한 세포 신호전달경로와의 crosstalk을 통해 조절된다.

우리 연구실은 식물의 생장과 분화가 어떻게 세포 신호전달경로를 통해 조절되는지에 대해 연구를 진행하고 있다. 특히, BR의 신호전달경로를 중심으로
세포 신호전달 네트워크를 이해하고 이를 통해 다양한 식물의 생리활성 조절에 대한 분자기전을 입체적으로 이해하고자 한다.
이를 위해 우리 연구실에서는 세포학적, 생화학적, 유전학적, 생리학적 연구 기법을 복합적으로 연구에 적용하고 있다.

Brassinosteroid Signaling pathway

BR은 동물의 스테로이드 호르몬과는 달리 세포막에 존재하는 Receptor kinase complex에 의해 인지된다.
세포막에 존재하는 BRASSINOSTEROID INSENSITIVE 1 (BRI1)과 BRI1-ASSOCIATED KINASE 1 (BAK1)이 세포 표면에서 BR과 결합하게 되면 인산화를 통해 Receptor-Like Cytoplasmic kinases (RLCKs)인 BRASSINOSTEROID SIGNALING KINASE 1 (BSK1)과 CONSTITUTIVE DIFFERENTIAL GROWTH 1 (CDG1)로 신호를 전달한다.
활성화된 RLCKs는 탈인산화효소인 BRI1 SUPPRESSOR 1 (BSU1) family를 활성화 시켜서 GSK3-like kinase인 BRASSINOSTEROID-INSENSITVE 2 (BIN2)의 탈인산화를 유도한다.
BIN2는 BR이 없는 환경에서 BR 반응을 매개하는 전사인자인 BRASSINAZOLE RESISTANT 1 (BZR1) / BRI1-EMS-SUPPRESSOR 1 (BES1)을 인산화시켜 억제 및 분해를 촉진하는데, BR 신호에 의해 BIN2의 탈인산화가 유도되어 불활성화 되면 BZR1/BES1이 전사 조절 활성을 나타낸다.

기존의 BR 신호전달경로의 중심을 구성하는 단백질을 찾는 연구에서 더 나아가 우리 연구실은 BR 신호전달경로의 핵심조절자 이외에도 다중 돌연변이를 제작하여 다수의 단백질이 공통적으로 기능을 잃었을 때 나타나는 표현형을 찾고 있다. 대표적으로 GUS reporter를 이용한 유전자 발현 변화 비교, 컨포컬 현미경을 통한 단백질의 위치 및 축적, 관다발 조직의 염색 등 다양한 접근을 통해 표현형을 분석하고 있다. 또한, 단백질 패밀리가 조절하는 알려지지 않은 생리적 조절 작용을 찾아 신호전달 네트워크의 새로운 기능을 찾아내고자 연구를 진행하고 있다.

Stomatal development &movement

식물의 기공은 광합성 및 호흡에 필요한 이산화탄소와 산소의 순환을 매개하고, 기공의 개폐를 통해 수분을 조절하는 필수적인 기관이다. 따라서 기공의 발달과 개폐 조절 작용은 매우 정교하게 조절되고 있으며, 이 과정에 문제가 생기는 경우 식물의 스트레스 저항성이 크게 저해될 수 있다.

우리 연구실은 이전 연구를 통해 기공의 발달을 조절하는 ERECTA pathway가 BR의 신호전달인자인 BIN2에 의해 조절되는 것을 발견하였는데 이는 서로 다른 receptor kinase 매개 신호전달경로간 최초의 crosstalk 사례로 간주된다. 현재 우리 연구실은 기공의 발달 조절을 위한 세포 신호전달 네트워크가 다양한 신호전달 수준에서 일어날 뿐만 아니라, 줄기와 잎에서 서로 다른 기작을 통해 기공의 발달이 조절되고 있음을 확인하고 관련 연구를 집중적으로 진행하고 있다.

한편, 기공의 개폐 조절에는 환경적 요소와 더불어 앱시스산 (Abscisic acid, ABA) 호르몬의 역할이 매우 중요하다. 우리 연구실에서는 BR이 ABA의 신호전달경로와의 crosstalk을 통해 기공 닫힘을 조절하는 분자 기전에 대해 연구를 진행하고 있다.

Secondary metabolite

식물은 생장과 신호전달체계에 직접적으로 관여하는 물질 외에도 20만 가지가 넘은 다양한 이차대사산물 (secondary metabolite)을 합성한다. 이러한 이차대사산물들은 동물의 접근을 유도하여 꽃가루 혹은 종자의 이동을 가능하게 하는 역할을 하거나 이와 반대로 초식동물, 병원균의 접근을 방지하는 역할을 한다. 또, 다양한 외부 자극으로부터 식물 조직을 보호하며 개체 간 상호작용의 역할도 수행한다. 나아가 식물로부터 추출한 이차대사산물들은 의약품, 식품, 염료, 농약 등 다양한 형태로 이용되고 있다.

우리 연구실에서는 BR이 식물의 대표적인 이차대사산물 중 하나인 안토시아닌의 생합성 조절에 관여하는 기작에 대해 연구하고 있다. 안토시아닌은 플라보노이드 계열의 이차대사산물로 식물의 꽃, 잎사귀 등에서 합성되어 붉은색, 푸른색, 보라색 등의 색을 띨 뿐만 아니라 자외선에 의한 식물 조직의 손상을 방지하는 역할을 한다. 우리는 BR 신호전달 체계에 따른 안토시아닌 함량 조절 기작을 단백질-단백질 상호작용, 전사인자-프로모터 결합에 의한 생합성 유전자 발현 조절 등의 측면에서 분석하고 있다.

이외에도, 또다른 식물색소인 카로티노이드에 대한 연구를 진행하고 있다. 카로티노이드는 식물, 조류 등 광합성체에서 만들어내는 주황색, 노란색을 띄는 색소체의 일종으로, 항산화제로 작용하거나 식물에서 일부 호르몬의 전구체로 이용된다. 카로티노이드는 높은 항산화 효과와 다양한 대사 과정의 중간체로 작용하며 상업적으로도 높은 가치를 지닌다. 우리 연구실에서는 BR에 의해 조절되는 BZR1 전사인자가 카로티노이드 생합성에 핵심적인 역할을 하는 HPPD의 발현을 억제하고 이에 따라 카로티노이드의 함량이 저하되는 것을 확인하였다.
HPPD의 발현이 생체시계리듬(Circadian Rhythm)에 따라 조절되는데 BZR1이 이를 억제하는 기작이 있음을 발견하여 이의 생리학적 의미와 정확한 조절 기작에 대해 후속 연구를 진행하고 있다.

Plant immune responses

식물은 병원균과 같은 외부 스트레스에 항상 노출되어 있다. 따라서 식물은 이를 대비하기 위해 진화해왔으며, 단단한 세포벽과 왁스층 이외에도, 병원균의 특징을 인식하여 반응하는 면역 시스템을 통해 항산화물질, 항세균성 펩티드, 살리실산(Salicylic acid, SA), 자스몬산 (Jasmonic acid, JA)과 같은 특별한 호르몬을 통해 면역과 관련된 신호를 개체의 다른 영역과 주변의 식물들에게 전달하고, 면역 반응을 강화 할 수 있다.

우리 연구실에서는 이중에서도 생물영양 병원체 (Biotrophic pathogen)에 대한 면역 조절을 담당하는 SA와 BR 조절에 관한 연결점을 연구하고 있으며, BR 신호전달경로를 조절하는 인산화 효소를 중심으로 연구 중에 있다. BR이 식물의 면역 반응을 어떻게 조절하는지, SA의 신호전달과는 어떤 관련이 있는지에 대해 유전학적 접근과 질량 분석을 이용한 인산화 효소 기능 연구를 통해 현상을 규명하고 있다. 또한 식물을 감염시키는 대표적인 병원체인 Pseudomonas syringae를 통한 식물 감염이 각종 돌연변이와 호르몬 처리 환경에 따라 어떻게 변화하는지 비교하여 식물의 면역 반응에 대한 영향을 연구하고 있다.

Proximity labeling technique

단백질을 연구하는데 있어 가장 중요한 요소 중 하나는 단백질-단백질 간의 상호작용을 밝혀내는 것이다.특히 인산화효소를 거치는 신호전달 경로에 대해 연구할 때 효소 단백질의 특별한 번역 후 조절 (Posttranslational modification)이 있는지,혹은효소 단백질의 기질은 무엇이 있는지 밝히는 것은 매우 중요하지만 밝혀내기 어려운 기술이다.
기존의 단백질-단백질 상호작용은 전통적으로 Co-immunoprecipitation (Co-IP)을 통해 특정 효소 단백질과 결합 할 수 있는 기질을 질량 분석 (LC-MS)를 통해 밝혀 왔다. 그러나 이 방법은 일시적인 결합만을 확인 할 수 있기 때문에 뚜렷한 한계가 존재하고 있었다.