우리 연구실은 비정상적인 mRNA 형성과 분해를 통한 유전자 발현 조절기전을 공부합니다. 정상적인 유전자는 첫 번째 exon에 번역 개시코돈이 있고, 마지막 exon에 종결코돈이 있으며, 3ʹ UTR의 길이가 150~250 nt 범위 내에 있습니다. Nonsense-mediated mRNA decay (NMD)라고 불리는 과정은 효모로부터 사람에 이르기까지 모든 진핵생물체에서 갖고 있는 mRNA 분해 현상으로, main ORF 앞에 짧은 upstream ORF가 있거나, 종결코돈이 마지막 exon이 아닌 exon에 있거나, 비정상적으로 긴 3ʹ UTR 등을 갖은 mRNA(이 세 가지 모습을 NMD signature=NMD-sensitive feature = “NMD에 의해 조절되는 구조”라고 부르죠.)를 인식하여 세포질에서 분해함으로써 이 비정상적인 mRNA들로부터 독성을 가질지도 모르는 단백질의 생산을 미연에 방지하는 진핵생물의 mRNA 검사 도구입니다. 우리 연구진은 애기장대(비록 잡초의 일종이지만 유전체의 크기가 작아 많은 연구실에서 모델식물로 연구하는 식물재료입니다)에서 대부분의 저항성 유전자(R gene)들이 위에서 언급한 NMD signature 를 보유하고 있으며, 세균 감염 시 NMD의 핵심인자인 UPF1, UPF2, UPF3의 분해가 유도되고 그 결과 평상시에 조절되고 있는 R 전사체가 안정화됨으로써 식물에 면역성을 부여하게 되는 현상(그림1), 즉 식물 면역에 어떻게 NMD가 관여하는지를 구체적으로 밝혔습니다. 구체적인 결과를 아래에 소개합니다, 

  ○ NMD 돌연변이체의 RNA-seq을 통해 애기장대 잎에서 발현하는 85개의 TIR-NBS-LRR (TNL)과 43개의 CC-NBS-LRR (CNL) 전사체 분석: 식물은 1~2%의 유전자가 NMD에 의해 조절된다고 알려진 바 있으나, 대부분의 R gene들(TNL 81.2%, CNL 62.8%)이 NMD-regulated signature (NMD에 의해 조절되는 구조 = NMD-sensitive feature)를 나타내고 있었습니다(그림2). 이는 병 감염 등 다양한 환경조건에 따라 NMD가 억제되는 상황이 발생한다면 R gene들이 상승발현 요인이 될 것입니다.

  ○ Pattern-triggered immunity (PTI)의 중개자인 pattern-recognition receptor (PRR)의 세균감염 인식이 일어나면 감염 후 30분 이내에 UPF1과 UPF3의 ubiquitination이 유도되고 26S proteasome complex를 통해 이 단백질들을 분해하여 NMD 기구가 파괴되었습니다(Figure 2). 이에 따라 R gene 발현이 전사 후 단계에서 상승발현 되는 것을 관찰하였는데, 대부분의 R gene들이 NMD signature를 갖고있는 사실과 일맥상통합니다(그림3).  

  ○ 이 NMD 억제는 PTI(pattern-triggered immunity)라고 불리는 식물의 기초면역반응의 중요한 과정인 MAP kinase의 활성화를 통해 일어나지만, 활성화산소의 발생(reactive oxygen burst)나 salicylic acid 관련 현상들 과는 무관하게 작용하였습니다. 따라서 식물의 면역반응에 있어서 중요한 현상으로 알려져 있는 MAP kinase의 중요한 기능은 UPF1/UPF3의 ubiquitination 유도하는 것과 그 결과로 R gene의 폭발적인 발현을 초래하는 것이죠. R protein은 세균에서 유래한 cognite effector를 인식하여  effector-triggered immunity (ETI)를 유도하는 기능이 잘 알려져 있으므로 PTI 과정에서 MAP kinase 활성화를 통해 R protein이 생산됨으로써 ETI가 일어날 수 있음을 암시하는 것입니다.

  ○ 세균감염 후 상승발현되는 R gene들에 의하여 PTI가 강화될까요? 우리는 RNA-seq 분석과정에서 현재까지 알려져 있지 않은 서로 독립적으로 annotation된 2개의 유전자가 서로 융합됨으로써 온전한 TNL을 형성하는 전사체 4개를 발견하였고 NMD에 의해 조절되고 있는 것을 확인하였습니다. 이들 중 2개의 유전자가 과발현되면 면역성이 현저히 증가하는 것을 관찰하였는데, 이 결과는 R gene은 ETI뿐 아니라 기초 면역성을 부여하는 단백질인 것으로 드러났습니다.

  ○ 효모에서는 E3 ubiquitin ligase의 RING domain과 닮아있는 UPF1의 cysteine/histidine-rich domain이 NMD activity 자체를 강화하는 활성이 확인되었고, UPF3가 UPF1의 ubiquitination에 관여하고 있음을 발표하였으나 우리는 UPF3 돌연변이체에서 UPF1의 ubiquitination에 아무런 영향을 주지 못했고, 오히려 UPF1 돌연변이체에서 UPF3의 ubiquitinase이 약 1.43배 감소되는 것을 확인하였습니다. 따라서 식물의 UPF 단백질의 ubiquitination 현상은 효모의 그것과 다르게 진화한 것으로 보입니다.

이 현상은 평화시에도 우리 나라가 언제 적으로부터 공격받을지도 모르는 상황에 대비하여 군대를 양성(저항성유전자의 mRNA 전사)하고 있는 모습으로 비유될 수 있겠습니다. 젊은이들을 모집해서 훈련시키지만 2년 후에는 제대시키죠. 이것은 NMD에 의한 비정상적인 저항성 유전자의 mRNA 분해에 해당됩니다. 하지만 적군이 쳐들어오면 더 준비된 국군들은 적에 맞서 싸우게 됩니다. 즉, 세균이 침입하게 되면 세포는 NMD인자들을 분해하여 비정상적인 저항성 유전자 mRNA들이 분해되지 않고, 저항성 단백질들을 생산하게 되고 식물은 면역성을 부여받게 됩니다. 그리고, 면역반응에만 모든 에너지를 사용하는 식물은 결국 죽게되는 것은 당연한 결과 입니다(그림2A와 B). 한 국가가 국방에만 예산을 모두 집행한다면 국민들의 삶은 피폐해 지듯이 말이죠.

현재 우리 연구실에서는 UPF1/UPF3 단백질들이 분해되지 않을 때, 즉 세균이 침입하더라도 NMD가 붕괴되지 않는다면 구체적인 면역반응들이 어떻게 전개될지에 대해 연구하고 있습니다. 즉 현재까지 알려진 PTI와 ETI는 서로 독립적인 면역반응으로 알려져 있지만, 위에서 소개한 우리 실험실의 결과는 두 면역반응이 서로 연계되어 있음을 암시하고 있거든요. 그밖에, UPF1 단백질의 self-ubiquitination activity에 의한 유전자발현 조절과 다른 NMD 인자들의 기능 연구들을 공부하고 있는데, 지면에 소개되지 못한 다른 궁금한 점 있으면 언제든 이메일로 문의해 주세요.

• Ph.D (1993-2000), Korea University 
  
• M.S. (1990-1993), Korea University
  
• B.S. (1986-1990), Korea University
  

• Assistant Professor ~ Professor, Dept. Biosciences and Bioinformtics, Myongji University, Korea (Sep 2007 – Present)
  
• Research Associate, James Hutton Research Institute, UK (Jan 2005 - Aug 2007)
  
• Band 6 Postdoc, James Hutton Research Institute, UK (Mar 2001 - Dec 2004)
  
• Postdoc, Graduate School of Biotechnology, Korea University (Mar 2000 - Feb 2001)
  

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