[서울=뉴스핌] 김영섭 기자 = 지구에 사는 거의 모든 생명체는 지구 자전에 의해 생기는 주기적 환경 변화에 적응하기 위한 내부 시스템을 갖고 있다. 생명체의 다양한 생리 활동을 24시간 주기인 일주기 리듬에 맞춰 조직화하는 시스템을 ‘일주기 생체시계’라고 한다. 

식물도 하루 주기를 인지하는 일주기 생체시계 시스템을 지니고 있다. 기초과학연구원(IBS·원장 김두철) 식물 노화·수명 연구단은 식물의 일주기 생체시계 유전자가 주요 노화 유전자의 발현에 영향을 미쳐 잎의 노화를 조절할 수 있음을 규명했다고 5일 밝혔다. 

생체시계를 넘어 식물의 노화를 조절하는 '노화시계' 규명에 성큼 다가선 것이다. 

연구진은 모델 식물인 애기장대(Arabidopsis)를 이용, 식물의 일주기 시계를 조절하는 유전자가 식물 노화 핵심 유전자인 ‘오래사라1(ORESARA1· ORE1)’의 발현을 직·간접적으로 조절해 결국 잎의 노화에도 영향을 미친다는 사실을 발견하는 데 성공했다. 

[그림] 일주기 시계 유전자 PRR9의 노화 조절 유전자 ORE1 조절 경로와 기존 Trifurcate feedforward loop의 네트워크 : 식물의 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. 2018.08.05 [자료=IBS]

연구진은 2009년 사이언스 발표 논문에서 시간이 흐름에 따라 애기장대의 ‘오래사라1’ 유전자와 관련한 노화 회로를 밝힌 바 있다. 하지만 이번 연구는 단순히 시간의 흐름에 따른 노화가 아니라 일주기 리듬에 따른 보다 세밀한 노화의 메커니즘을 규명한 데 의의가 있다. 

연구진은 식물의 일주기 생체시계를 담당하는 여러 유전자 가운데 아침에 활성화하는 ‘PRR9(PSEUDO-RESPONSE REGULATORS 9)’라는 유전자가 '오래사라1' 유전자의 발현에 중요한 역할을 수행한다는 사실을 알아냈다. 

‘PRR9’은 ‘오래사라1’ 유전자를 직접 활성화시키거나 ‘오래사라1’ 유전자의 발현을 막는 마이크로 RNA(miRNA)를 억제하는 간접적인 방식으로 잎의 노화를 촉진하는 것으로 확인됐다. 

이번 연구는 잎의 노화에 관여하는 핵심 유전자 ‘오래사라1’의 발현이 선형적으로 조절되는 생체 회로 외에도 일주기 시계에 따라 진동 형태로 조절되는 생체시계 회로도 있음을 새롭게 밝혔다. 이런 생체시계 회로를 통해 식물 잎은 노화를 보다 미세하게 조절할 수 있는 것이다.

식물 노화·수명 연구단의 남홍길 연구단장은 “이번 연구는 24 시간 주기로 진동하는 일주기 리듬을 지닌 생체시계가 노화를 조절하는 생애 시계에 관여하고 있음을 시사한다”고 말했다.

연구결과는 국제학술지 미국 국립과학원회보(PNAS) 온라인 판에 미국 동부시간 기준 7월 30일 게재됐다. 

◆ 연구자가 직접 전하는 '연구 이야기'

기초과학연구원(IBS) 식물노화수명연구단 소속 연구진. 김현민 연구위원(왼쪽·제1저자), 남홍길 단장(가운데·공동교신저자), 홍성현 연구위원(오른쪽·공동교신저자) 2018.08.05 [사진=IBS]

- 연구배경을 설명하면. 

▲식물 잎의 노화는 시간을 인식해서 진행되는 생애 주기 과정이다. 하지만 노화를 조절하는 최상위 인자인 ‘시간’을 어떻게 인식하는지 또한 그 시간이 어떻게 노화를 조절하는지에 대해서는 거의 알려진 바가 없다. 따라서 생체시계 시스템이 잘 발달한 식물을 이용해 생체시계와 노화 사이의 관계를 규명하는 연구가 필요했다.

- 어려웠던 점은.

▲생체시계 연구는 하루 24시간 동안의 전사체 또는 단백질의 변화를 관찰하는 것이 필요하다. 몇 달에 걸친 변화를 관찰해야 하는 노화 연구와 결합해 실험을 구성하고 결과를 분석하는 부분이 어려웠다. 또한, 노화 유전자가 생체시계에 의해 사이클의 주기나 발현 시간이 달라지는 현상뿐만 아니라 발현의 양적인 변화도 함께 확인하는 작업이 어려웠지만 이를 통해 생체시계가 어떻게 노화를 조절하고 있는지 보다 구체적으로 분석할 수 있었다.

- 성과의 차별점을 설명하면.

▲ 식물 생애주기에서 노화작용이 생체시계에 의해 조절되고 있음을 확인한 부분이 가장 큰 성과다. 생체시계가 노화를 조절하는 방법이, 두 가지 다른 방식으로 하나의 유전자의 발현을 조절하는 형태로 나타나는 'trifurcate feedforward loop'을 통해 이뤄지고 있다는 점도 중요한 발견이라고 할 수 있다.

- 향후 연구계획을 밝히면.

▲ 이번 연구에서 확인한 일주기 시계에 의한 노화 조절 메커니즘을 확장하여 생체시계와 노화 사이에 상호 영향을 주는 네트워크를 구축하고자 한다. 궁극적으로 식물의 노화를 조절하는 노화시계를 규명하는 것이 목표이다.

kimys@newspim.com