생명과학과 정재훈 교수 연구팀,
식물 프리온 유사 단백질 ELF3의 액상응집체 형성을 통한 온도 센서로의 기능 규명
“상분리 현상을 통한 새로운 식물 온도인지 기작 제시”

[그림 1] 왼쪽부터, 백수정(공동저자, 석사과정), 정재훈 교수(제1저자), 김솔비(공동저자, 석박통합과정)

생명과학과 정재훈 교수 연구팀은 식물 프리온 유사 단백질인 ELF3가 상분리 과정을 통해 온도센서로 기능하는 것을 세계 최초로 발견했다고 밝혔다. 

한국연구재단 과학기술분야 기초연구사업의 신진연구의 지원으로 수행되었으며, 본 연구 성과는 세계적인 학술지인 ‘네이쳐 (Nature)’에 8.27(목) 온라인 게재되었다.
    ※ 논문명 : A prion-like domain in ELF3 functions as a thermosensor in Arabidopsis
    ※ 저자 : 정재훈 교수(제1저자, 성균관대), Antonio D. Barbosa(제1저자, 캠브리지대, 영국), Stephanie Huntin(제1저자, 그레노블대, 프랑스), 김솔비(공동저자, 성균관대), 백수정(공동저자, 성균관대), Philip A. Wigge 교수(교신저자, 라이프니츠 연구소, 독일)

식물은 겨울을 지나 따뜻한 봄이 되면 꽃을 피우기 시작한다. 겨울에도 반짝 날이 따뜻해지면, 개나리와 진달래의 꽃방울이 펼치는 경우를 자주 목격하곤 한다. 그런데 식물들은 어떻게 온도를 인지하는 것일까? 정재훈 교수 연구팀은 독일 라이프니츠 연구소, 영국 캠브리지대학교, 프랑스 그레노블대학교 연구팀과 함께 이러한 물음에 답을 줄 수 있는 연구결과를 발표하였다. 

연구팀은 식물 생체시계를 구성하는 중요한 요소이자 최근 식물 온도반응성 조절에 필요한 인자로 알려진 ELF3(EARLY FLOWERING 3)가 온도변화를 어떻게 인지하는지에 초점을 맞췄다. 저온에서는 ELF3가 다른 단백질과 복합체를 이뤄 유전자 발현을 억제하지만, 고온에서는 ELF3의 활성 감소로 단백질 복합체의 형성이 저해되어 고온 반응 유전자의 발현이 크게 증가하는 것으로 알려져 있다. 이는 고온에서 식물의 생장이 빨라지고 꽃 피는 시기가 앞당겨지는 결과를 초래한다.  

[그림 2] ELF3가 포함된 단백질 복합체는 저온에서 안정적으로 표적유전자의 전사억제기능을 수행하지만, 

고온에서는 ELF3 단백질이 상분리되는 격리작용이 발생하여 단백질 복합체의 형성이 억제된다. 

그 결과, 고온에서 식물의 개화가 촉진된다.

연구팀은 모델식물인 애기장대의 ELF3 단백질의 일부가 프리온 단백질과 유사한 구조를 가지고 있음에 주목하였다. 프리온은 광우병 같은 신경질환을 일으키는 원인으로 잘 알려져 있지만, 동물, 식물, 심지어 곰팡이에서도 발견되는 프리온 유사 단백질은 세포 내 다양한 생리 조절에 관여되는 것으로 알려져 있다. 프리온 유사 구조를 통해, ELF3가 온도에 따라 활성상태와 비활성상태를 가역적으로 전환할 수 있는 온도센서로 기능할 수 있다.

프리온 유사 구조의 유무에 따라 ELF3는 전혀 다른 온도반응성을 보인다. 특히 프리온 유사 구조가 포함된 ELF3는 온도가 높아짐에 따라 물방울 형태의 상분리 구조를 보이게 된다. 이러한 액상응집체 내에서 ELF3는 격리되고, 이는 ELF3가 정상적으로 기능하지 못하게 하는 원인이 된다. 연구팀은 다양한 실험과 분석을 통해 ELF3 단백질의 상분리라는 물리화학적 변화가 식물의 온도반응성을 조절하는 키메커니즘인 것을 증명하였다. 

모델 식물인 애기장대 내에는 500개 이상의 프리온 유사 단백질이 발견되었으며, 온도에 민감하게 반응하는 프리온의 특성상 이들 단백질 대다수가 ELF3와 같은 온도센서로 기능할 수 있을 것으로 예상된다.

정재훈 교수는 “전지구적인 기후 변화와 기온 상승에 따라 작물 수확량은 점차 감소하고 있다”며 “모든 식물에서 발견되는 프리온 유사 단백질은 고온저항성 품종 개발을 위한 육종 프로그램에서 중요한 엔지니어링 표적이 될 수 있다”고 말했다.