식물세포사멸억제시스템 자식작용

일본의 독립행정법인 이화학연구소 (리켄)와 대학공동이용기관법인 기초생물학연구소는 세포의 분해 재활용 시스템인 “Autophagy (자식작용)”이 식물성 호르몬인 살리실산에 의한 신호 전달을 부정적으로 제어하고 노화 및 병원균의 감염에 의해 유도된 세포의 죽음을 억제한다는 사실을 세계에서 처음으로 밝혔다고 2009년 9월 24일자 보도를 통하여 발표했다. 이것은 리켄 식물과학 연구센터의 식물면역 연구팀과 생장제어 연구팀, 그리고 메타볼롬 기반 연구팀, 기초 생물학 연구소 및 독일 막스 플랑크 연구소와의 공동 연구에 의한 연구 성과이다.

자식작용은 세포가 가진 단백질과 구조체 (세포내 소기관)를 대규모로 분해시켜 재활용하는 기작으로, 효모에서 동식물에 이르기까지 진핵생물에서 보편적으로 존재하고 있다. 자식작용은 세포 내의 신진 대사를 증가시킴으로써 영양고갈과 같은 위급 시에 분해산물로부터 에너지를 얻는 등 다양한 생명 활동에 있어서 중요한 역할을 하고 있다고 생각되어 왔다. 식물에서 자식작용의 존재는 1960 년대부터 전자 현미경 등에 의한 형태학적 관찰에 의해 많이 보고되어 왔지만, 해석법의 한계에 의해 현상론에 머물러 자식작용의 중요성과 분자 메커니즘에 대해서는 깊게 논의가 이루어지지 못했다. 그러나, 최근의 게놈 와이드 분석법을 활용함으로써 효모에서 발견된 자식작용에 필수적인 ATG (autophagy-related) 유전자군이 동정되고, 이들의 유사체 (homologue)가 고등식물에서도 존재한다는 사실이 확인되었다. 이들을 파괴 또는 발현 억제시킨 돌연변이 분석을 통해서 자식작용이 불가능한 식물 (자식작용 불능 변이체)의 세포가 노화나 병원성 세균의 감염 등에 의해 빠르게 세포 죽음이 유발된다는 것을 확인했지만, 그 이유는 아직도 수수께끼에 싸여있었다.

위의 공동 연구팀은 모델 식물인 애기장대 (Arabidopsis)의 자식작용 불능 변이체를 대상으로 고성능 질량분석기를 이용한 포괄적인 식물 호르몬의 분석을 실시한 결과, 자식작용이 결핍되면 세포 내의 살리실산의 양이 증가하고, 살리실산 신호 전달계가 과도하게 움직인다는 사실을 발견했으며, 이로인해 세포의 사멸이 유도된다는 사실도 확인하였다. 또한, 교배법을 이용하여 자식작용 불능 변이체와 NahG (salicylate hydroxylase)를 과도하게 발현시킨 변이체를 비롯한 살리실산의 생합성을 저해한 변이체 등의 이중변이체의 경우, 자식작용 불능 변이체의 증가된 살리실산 신호 전달계가 억제됨으로써 세포 사멸의 촉진이 억제된다는 사실을 증명하였다. 살리실산은 식물에 병해 저항성을 부여하는 식물 호르몬으로 알려져 있지만, 과도하게 존재할 경우 오히려 해롭다고 알려져 있다. 식물에서 자식작용의 역할은 에너지 자원의 재활용뿐 아니라 살리실산 신호를 적당히 억제함으로써 과도한 세포 죽음을 억제하여 생명을 연장하는 장치로 작동하고 있음이 새롭게 밝혀졌다.

앞으로 더 자세하게 관련 메커니즘을 해명하고, 자식작용을 교묘하게 조작함으로써 장수 식물이나 병해에 저항성을 나타내는 특수 작물을 개발할 수 있을 것으로 기대된다. 위 연구 성과는 미국의 과학 잡지인 `The Plant Cell`의 온라인 버전을 통해서 가까운 시일안에 공개될 예정이다.