기초과학연구원(원장 김두철) 식물 노화·수명 연구단(단장 남홍길/ DGIST Fellow) 연구팀은 식물이 하루(24시간 주기)를 인지하도록 하는 일주기 생체시계 유전자가 주요 노화 유전자의 발현에 영향을 미쳐 잎의 노화를 조절할 수 있음을 밝혔다.

식물은 하루 주기를 인지하는 일주기 생체시계¹⁾시스템을 지니고 있다. 이 시스템을 통해 언제 잎을 펼칠지, 꽃을 피울지 등 생애에 중요한 시기를 결정할 수 있다. 최근 식물 노화에 관여하는 유전자들의 발현이 이러한 일주기 리듬에 영향을 받는다는 단서가 보고되기 시작했으나, 일주기 생체시계와 노화 유전자 발현과의 상관관계를 구체적으로 규명한 연구는 없었다.

이에 따라 IBS 식물 노화·수명 연구단 연구팀은 모델 식물인 애기장대(Arabidopsis)를 이용, 식물의 일주기 시계를 조절하는 유전자가 식물 노화 핵심 유전자인 오래사라1(ORESARA1; ORE1)²⁾의 발현을 직·간접적으로 조절해 결국 잎의 노화에도 영향을 미친다는 사실을 발견하는 데 성공했다.

본 연구진은 2009년 시간이 흐름에 따라 애기장대의 오래사라1 유전자와 관련된 노화 회로를 밝힌 바 있다(Science誌 게재). 그러나 이번 연구는 단순히 시간의 흐름에 따른 노화가 아닌, 일주기 리듬에 따른 보다 세밀한 노화의 메커니즘을 규명한 것에 의의가 있다.

연구진은 식물의 일주기 생체시계를 담당하는 여러 유전자 중, 아침에 활성화되는 PRR9(PSEUDO-RESPONSE REGULATORS 9)라는 유전자가 오래사라1 유전자의 발현에 중요한 역할을 수행한다는 사실을 알아냈다. PRR9은 오래사라1 유전자를 직접 활성화 시키거나 오래사라1 유전자의 발현을 막는 마이크로 RNA³⁾를 억제하는 간접적인 방식으로 잎의 노화를 촉진하는 것으로 확인됐다.

▲ 생체시계 유전자 돌연변이들의 잎의 노화 표현형연구진은 잎의 생애에 따라 9종의 생체시계 주요 유전자에 돌연변이가 일어나 제 기능을 하지 못하는 돌연변이 식물에서 잎의 노화 현상을 관찰하였다. 잎이 생성된 후 20일부터 노화되어 잎의 노랗게 변하는 현상(yellowing)을 관찰한 결과, 야생형(Col-0)과 비교하여 elf3-7, elf4-209, lux-2와 같은 돌연변이는 노화가 빨라진 것을 확인했다. 이와 비교하여, cca1-11, prr7-3, prr9-1, toc1-101, gi-2와 같은 돌연변이는 야생형과 비교하여 노화가 지연된 현상을 보였다. 이 결과를 통해, 생체시계가 잎의 노화 조절에 밀접하게 관련하고 있음을 확인할 수 있다.

특히 PRR9 유전자가 오래사라1 유전자를 직접 활성화 시키는 경우, PRR9이 관장하는 일주기 리듬에 따라 오래사라1 유전자의 발현 정도 또한 하루 단위 내에서도 진동(Oscillation) 형태의 주기를 띠는 것으로 확인됐다. 예를 들면, PRR9유전자는 아침 해가 뜬 뒤로 1시간 후에 활성화되는데, 이에 영향을 받아 오래사라1 유전자가 그로부터 3시간 정도 후에 활성화된다. 즉 주요 노화 유전자가 일주기 생체시계에 의해 조절된다는 결론에 이를 수 있다.

이번 연구는 잎의 노화에 관여하는 핵심 유전자 오래사라1의 발현이 선형적으로 조절되는 생체 회로 외에도 일주기 시계에 따라 진동 형태로 조절되는 생체시계 회로도 있음을 새롭게 밝혔다. 이러한 생체시계 회로를 통해 식물 잎은 노화를 보다 미세하게 조절할 수 있는 것이다.

▲ 일주기 시계 유전자 PRR9의 노화 조절 유전자 ORE1 조절 경로와
기존 Trifurcate feedforward loop의 네트워크식물의 일주기 생체시계 인자 PRR9이 오래사라1 유전자의 발현을 조절하는 방법은 기존 애기장대 잎의 노화를 조절하는 메커니즘으로 알려진 “Trifurcate feedforward loop”을 이용한다. 기존의 회로는 2009년 Science지에 EIN2 유전자와 마이크로 RNA인 miR164를 통해 잎의 나이에 따른 오래사라1 유전자의 발현에 영향을 주어 잎의 노화를 조절한다는 것이 보고됐다. 본 연구팀은 2009년 발표한 EIN2와 유사한 경로로, 생체시계 인자 PRR9이 오래사라1 유전자의 발현에 영향을 준다는 것을 확인했다. 이러한 기존 노화 회로와 일주기 생체시계 회로의 협력을 통해 노화 핵심 유전자 오래사라1의 발현이 보다 미세하게 조절, 외부 환경 변화에 민감하게 반응한다는 것을 알 수 있다.

식물 노화·수명 연구단의 남홍길 연구단장은 “본 연구는 24 시간 주기로 진동하는 일주기 리듬을 지닌 생체시계가 노화를 조절하는 생애 시계에 관여하고 있음을 시사한다”고 말했다. 이번 연구 결과는 국제학술지 미국국립과학원회보(PNAS, IF 9.661) 온라인 판에 미국 동부시간으로 7월 30일(DOI : 10.1073/pnas.1722407115) 게재됐다.

IBS 커뮤니케이션팀
김주연