식물은 생존을 위해 동물처럼 적극적으로 먹이를 찾아 움직이거나 살기 힘든 곳을 떠날 수 없다. 대부분의 식물은 자신이 뿌리내려 정착한 환경에 적응하는 방법 외에는 선택의 길이 없는 것이다. 때문에 식물은 외부 환경의 변화에 민감하게 반응하고 적절히 대처해야 한다. 이를 위해 식물은 DNA에 담긴 유전정보의 변화 없이도 DNA 주변부와 DNA에 결합하는 단백질 복합체의 구조 변화로 유전자 발현을 조절한다. 이를 후성유전학(epigenetics)적 메커니즘이라 한다. 식물을 이러한 메커니즘을 통해 발달, 성장, 적응, 노화 등의 생애 전반에 걸쳐 중요한 유전적 결정들을 내린다.

염색체의 기본 단위인 뉴클레오솜(Nucleosome)의 구조는 유전자 발현에 영향을 미치는데, 느슨하고 응축되는 정도에 따라 유전자 발현 정도가 달라진다. 뉴클레오솜 구조를 느슨하게 하는 방법 중 하나로 히스톤 아세틸화(acethylation) 과정이 있다. 아세틸화효소에 의해 히스톤 단백질에 아세틸기가 붙음으로써, 뭉쳐있던 뉴클레오솜의 구조가 느슨해지면, DNA의 유전정보를 복사하는 전사과정이 가능해져 유전자의 발현이 촉진된다. 반대로 아세틸기를 떼는 탈아세틸화 효소(deacetylase)가 작용하면, 다시 뉴클레오솜이 뭉쳐 유전자 발현 정도는 줄게 된다. 특히 탈아세틸화 과정이 제대로 진행되지 않는 경우, 잎이 작게 자라거나 꽃이 빨리 피는 등 식물의 성장과 발달에 문제가 발생하지만, 아세틸화/탈아세틸화 효소 각각의 기능과 구체적인 작용 메커니즘에 대한 연구가 미비한 상황이다.

▲ [그림 1] 히스톤 아세틸화/탈아세틸화 개념도

기초과학연구원(IBS, 원장 김두철) 식물 노화·수명 연구단 곽준명 그룹리더와 김윤주 연구위원은 리버사이드 캘리포니아대(UC Riverside)의 쉐메이 첸(Xuemei Chen) 교수팀과의 공동 연구를 통해 모델 식물인 애기 장대를 이용하여 후성유전학적 유전자 발현 메커니즘을 밝히는 데 성공했다. 히스톤 탈아세틸화 효소(Histone Deacetylase) 중의 하나인 HDA9(Histone Deacetylase 9)와 복합체를 이루는 단백질인 PWR(POWERDRESS)의 기능을 규명했다.

연구진은 식물의 줄기 세포 활동에 관여하여 개화시기를 조절하는 것으로 알려진 PWR 단백질에 주목했다. 동물세포에서 탈아세틸화 과정을 유도하는 단백질 복합체의 일부 영역(domain)이 PWR 단백질의 영역과 유사한 점에 착안, 식물의 PWR 단백질도 탈아세틸화 과정에 관여할 것이라 추측한 것이다. PWR 단백질의 유전자를 결여시킨 아기장대 돌연변이체를 관찰한 결과, 히스톤 단백질의 아세틸화가 증가했으며, 그에 따른 개화 유전자 발현 또한 증가됨을 확인했다. 이로써, PWR 단백질이 탈아세틸화 과정에 관여함을 알 수 있었다.

▲ [그림 2] PWR와 HDA9 돌연변이체의 표현형

PWR 단백질의 탈아세틸화 효소인 HAD9와 PWR 단백질의 해당 유전자를 각각 결여시킨 돌연변이체를 관찰한 결과, 두 돌연변이체에서 아세틸화되는 히스톤 단백질들의 게놈 상의 위치와 발현이 증가하는 유전자들이 종류가 상당히 높은 상호 유사성을 보임을 확인했다. 또한, 두 돌연변이체는 서로 매우 비슷한 표현형을 보였는데, 두 개체 모두 정상 식물보다 개화시기가 빨랐고, 열매 끝이 뭉뚝한 모양이었다. 즉, HAD9와 PWR 단백질은 동일한 유전적 경로를 통해 탈아세틸화 작용을 수행함을 밝혀낸 것이다.

유전체 분석을 수행한 결과, PWR은 HDA9와 직접 결합해 복합체를 이루고, 아세틸화된 히스톤 단백질에 결합해 탈아세틸화를 촉진하는 것으로 나타났다. 결과적으로 PWR-HDA9 복합체는 애기 장대의 개화 조절 유전자 중 하나인 AGL19의 탈아세틸화를 촉진함으로써 유전자의 발현 정도를 조절, 식물의 개화 시기를 조절함이 증명됐다.

▲ [그림 3] PWR과 HDA9의 AGL19 유전자 발현 조절을 통한 개화 시기 조절

이 연구는 식물에서 PWR-HDA9 복합체의 구성과 PWR 단백질의 탈아세틸화 기능을 처음으로 밝힌 데 의의가 있으며, 향후 정교하게 조절되는 식물 후성유전학적 메커니즘의 이해에 기여할 것이다. 연구결과는 ‘미국국립과학원회보(PNAS, IF 9.423)’ 온라인판에 12월 5일(미국 동부 시간) 게재됐다.