Generation of activation tagging mutants in Arabidopsis
- 유전자의 기능을 알기 위한 유전학의 고전적 접근은 특정 유전자의 기능을 없앤 기능 손실 돌연변이체 (loss-of-function mutant)를 이용한 유전학적, 분자생물학적 방법을 통해 이루어져왔다. 이 기능 손실 돌연변이체를 사용한 연구가 각광을 받는 이유는 어떤 유전자의 기능을 손상시킨후에 일어나는 형질의 변화는 그 유전자의 기능을 추정하는데 가장 직접적인 증거를 제공하기 때문이다. 그러나 이러한 기능 손실 돌연변이체를 제조하여 특정 유전자의 기능을 연구하는 것은 여러가지 장점에도 불구하고 기능 손실 돌연변이체만 통해서는 해당 유전자의 기능을 알아내기 어려운 경우가 존재한다. 첫번째로는 어떤 유전자의 기능이 다른 유전자의 기능과 중복되는 경우이다 (functional redundancy). 즉, 그 유전자이외에도 유사한 역할을 하는 유전자가 존재하여 한 유전자의 기능상실만으로는 돌연변이체가 형질을 보이지 않는 경우이다. 두번째 경우는 배발생 초기에 발현하여 만약 그 유전자의 기능이 손실되었을때 생물체의 발생이 전혀 이루어지지 않게 되는 유전자들의 경우이다.
- 이러한 이유로 기존의 기능 손실 돌연변이체 선별 방법은 그 막강한 장점에도 불구하고 제한적으로 사용될 수 밖에 없다. 그런데 식물 분자생물학의 모델 식물인 애기장대에서 기능 손실 돌연변이체 선별 방법의 대안으로서 기능 획득 돌연변이체 선별 방법 (Activation Tagging Mutagenesis)이 확립되었고 본 연구실은 이를 통한 연구를 진행한다.
- 이 활성 표지 선별 방법은 Cauliflower 모자익 바이러스의35S 프로모터 enhancer 서열이 비교적 멀리 떨어져 있는 상태에서도 주변의 유전자의 전사를 활성화 (transcription activation) 시킬 수 있다는 점을 이용하여 기능 획득 돌연변이체를 얻는 방법이다. 먼저 이 enhancer 서열을 애기장대 게놈에 무작위로 도입시킨 후 주위의 유전자의 전사를 활성화시키고, 그 후 기능 획득 표현형을 보이는 식물체를 선별하고 게놈 DNA를 회수하여 전사 활성화된 유전자를 클로닝하는 방법이다.
- 본 활성 표지 선별 방법을 통해 본 연구실에서는 약 10만주의 애기장대 돌연변이를 분리하였고, 이 중 발달 과정 상에서 특이적인 표현형을 보이는 식물체를 선별하여 연구를 진행하고 있다. 본 연구실에서 진행되는 중인 연구를 하단에 소개한다.
1. 애기장대 Polycomb Group Complex의 후생유전학적 조절 기작 규명
- 본 연구실에서 분리한 두 종의 유전자를 통해 애기장대의 Polycomb Group Complex의 활성 조절을 추적하고자 한다.
UCL1 유전자를 통한 CLF의 degradation
- UCL1이 암호화하는 F-box 단백질은 Skp1, Cullin1 등과 함께 SCF complex를 형성하여 타겟 단백질의 ubiquitylation을 유도하는 proteasome을 형성한다.
- 애기장대의 F-box 유전자 그룹 중 하나인 UCL1은 종자의 배유에서 발현하여 Polycomb Group Protein의 활성을 조절한다.
- Polycomb Group Protein는 동물과 식물에 진화적 보존성이 높은 단백질로 이들은 complex를 형성한다. Polycomb Group Complex는 histone methyltransferase로서의 기능을 가져, 타겟 유전자의 H3K27me3를 유도함으로 이들의 활성을 저해시키는 역할을 한다.
- UCL1은 Polycomb Group Protein의 일종인 CLF의 degradation을 유도하여 Polycomb Group Complex의 활성을 조절하는 역할을 할 것으로 기대한다.
UCL1의 genomic imprinting 현상에 대한 이해
- UCL1은 부계를 통해서만 전달이 되는 유전자로, 이들이 일어나는 genomic imprinting 현상에 대한 원리 규명을 하고자 한다.
EFC 유전자를 통한 Polycomb Group Protein의 활성 조절
- EFC는 애기장대 종자의 배유에서 특이적으로 발현하는 아직 잘 알려지지 않은 유전자이다.
- EFC는 Polycomb Group Protein과 결합하여, Polycomb Group Complex의 활성을 억제시키는 역할을 하는 것으로 예상된다.
- EFC에 의한 Polycomb Group Complex의 억제 기작을 규명하고자 한다.
2. 애기장대의 브라시노스테로이드의 불활성화 조절 기작 규명
- 브라시노스테로이드는 식물에 존재하는 유일한 스테로이드 계열 호르몬이다. 이는 세포 신장 및 분화에 관여하며, 식물의 생장을 조절한다. 식물의 호르몬은 미세한 농도의 조절을 통해, homeostasis를 유지하며 발달 및 생장 과정에 기능을 하게 된다. 브라시노스테로이드의 생합성 과정은 그 기작에 관여하는 효소들이 잘 알려져 있지만, 반대로 이들의 생합성을 저해하거나 활성을 억제시키는 기작은 아직 잘 알려져 있지 않다.
- 본 연구실에서는 두 종의 브라시노스테로이드 생합성이 억제된 돌연변이를 분리하여, 이에 관여하는 유전자의 기능을 추적하였다. 그 결과 acyltransferase를 암호화하는 유전자에 의해 나타난 현상임을 확인하였고, 이에 의한 브라시노스테로이드의 불활성화 과정을 규명하고자 한다.
3. Regulation of Shoot Branching by the MATE transporters
- 식물의 곁가지 형성은 옥신 사이토키닌 스트리고락톤과 같은 다양한 호르몬의 상호작용에 의해 조절된다.
- 본 연구실에서는 곁가지 형성이 매우 증가된 돌연변이 두 종을 분리하였고, 이는 Multidrung And Toxin Extrusion (MATE) 단백질을 암호화하는 유전자에 의한 것임을 확인하였다.
- 분리한 돌연변이를 통해 다양한 호르몬과의 상호결합에 의한 곁가지 형성 조절 원리를 파악하고자 하며, 또한 곁가지 형성에 관여하는 신규 물질로 알려진 flavonoid와의 연관 관계 또한 규명하고자 한다.