활성산소¹⁾는 사람의 노화와 질병의 주요 원인 중 하나다. 인간뿐만 아니라 식물의 노화에도 관여하는 것으로 알려져 있다. 활성산소는 세포에 손상을 입히는 모든 종류의 변형된 산소를 말한다. IBS 식물 노화․수명 연구단 연구팀은 애기장대 모델 식물을 이용해 잎의 노화 과정을 조절하는 활성산소의 발생 메커니즘을 밝히는데 성공했다. 이번 연구를 통해 활성산소를 발생시키는 분자 수준의 정확한 이해를 넓혀줄 것으로 기대된다.

활성산소는 식물이 태양으로부터 빛을 흡수해 에너지를 만드는 과정에서 부산물로 생성된다. 활성산소의 양이 증가하면, 식물의 성장과 건강 기능 유지에 필요한 유전자나 단백질의 기능이 저해되고, 정상 세포가 죽기도 한다(세포사멸). 결과적으로 식물의 노화가 촉진되는 것이다. 그러나 활성산소의 생성이 구체적으로 어떻게 노화에 영향을 미치는지 분자 수준에서의 메커니즘은 밝혀진 바가 없었다.

IBS 연구진은 애기장대 잎이 시간이 지남에 따라 자연적으로 노화될 때 세포막 단백질 RPK1 유전자 발현이 증가하는 것에 주목했다. 연구진은 RPK1의 기능을 연구한 결과, RPK1 단백질이 활성산소의 생성을 조절해 노화에 영향을 미친다는 사실을 발견했다. 이에 따라 RPK1 유전자 발현 정도를 증가시키면, 활성 산소의 생성이 증가하고 식물 세포가 죽어 잎이 노랗게 변하는(Yellowing) 노화현상이 촉진됨을 확인했다.

구체적으로 연구진은 실험 과정에서 RPK1에 의한 활성산소 조절에는 활성산소 생성 효소인 RbohF가 관여함을 발견했다. RbohF 유전자가 망가진 형질전환 식물에서는 RPK1이 작용해도 식물의 노화가 촉진되지 않았던 것이다. 그러나 이 두 단백질은 직접 결합하지 않는데, 연구진은 칼슘결합 단백질인 CaM4가 이 두 단백질의 연결고리임을 밝혔다.

즉 RPK1이 CaM4 단백질을 인산화하고, 인산화된 CaM4가 다시 RbohF에 결합해 활성산소가 생성되도록 하는 것이다. 이렇게 생성된 활성산소는 세포 내로 전달돼 세포 사멸과 노화에 관련된 유전자들의 발현을 유도하게 된다. 세 가지 단백질 RPK1-CaM4-RbohF 이 칼슘 결합 단백질 CaM4를 연결고리로 하여 트리오가 작용할 때, 활성산소가 생성되어 노화가 진행되는 것이다.

이번 연구는 분자 수준에서 활성산소와 식물 노화와의 관계를 밝혔다는 점에서 노화 연구에 크게 기여할 것으로 기대된다. 활성산소에 대한 식물의 복잡한 대응 전략 중 세포 사멸로 이르는 메커니즘을 명확히 규명한 데 의의가 있다. RPK1은 노화 뿐 아니라 추위나 가뭄 등 식물이 받을 수 있는 다양한 스트레스 신호전달 과정에도 관여하는 것으로 알려져 있어 이번 연구가 향후 식물의 스트레스 및 노화 연구에 기폭제가 될 것으로 보인다.

본 연구결과는 셀 리포트(Cell Reports, IF=8.282)에 미국시간으로 12월 12일자에 게재됐다.

그림설명

▲ [그림 1] 활성산소를 매개로 한 RPK1의 노화조절 작용에 대한 모식도RPK1는 활성산소 생성을 유도해 식물 노화를 조절한다. 이 과정에 칼슘 결합 단백질인 CaM4와 활성산소 생성 효소인 RbohF가 관여한다. 세포막에 위치한 인산화 단백질인 RPK1은 CaM4를 인산화하고, 인산화된 CaM4는 RbohF에 결합하여 활성산소 생성을 조절하게 된다. 단백질 트리오에 의해 생성된 활성 산소는 세포내로 전달되어 노화 및 세포사멸과 관련된 유전자들의 발현을 촉진하게 된다.

▲ [그림 2] RPK1에 의해 유도되는 식물노화와 활성산소 생성 효소인 RbohF의 역할좌측 그림은 RPK1 유전자 발현 유도제를 처리하지 않은 경우이고 (dimethyl sulfoxide; DMSO), 우측 그림은 RPK1의 발현을 유도제 (MOF; methoxyfenozide)로 유도한 경우다. 좌우를 비교해보면, 대조군 (DMSO)은 처리 용액에 따라 차이가 없는 반면, 유도제에 의해 RPK1 발현이 되도록 설계된 iRPK1 모델 식물 (가운데)은 MOF 처리가 있는 경우 RPK1 유전자 발현이 유도돼 잎이 노랗게 변하는 노화가 진행됐음을 알 수 있다. 그러나 MOF처리로 RPK1 유전자 발현을 유도하더라도 활성산소 생성 효소인 RbohF 유전자가 망가진 경우에는 (iRPK/rbohF, 세 번째 식물) 활성산소를 만들지 못해 노화가 진행되지 못했음을 확인할 수 있다.

▲ [그림 3] RPK1에 의한 애기장대 잎의 노화조절과 활성산소 생성 변화(A) RPK1의 유전자 발현이 억제된 경우(rpk1, knock-out mutant)에는 애기장대 잎의 노화가 야생형 (WT) 에 비해 지연되는 것을 확인할 수 있다.
(B) RPK1 유전자 발현이 유도제(MOF)에 의해 유도되도록 설계한 iRPK1 모델에서는 유도제 처리시 대조군 (Control)에 비해 잎이 시드는 노화가 촉진됨을 확인할 수 있다.