연구진이 식물에서 DELLA 단백질 조절 메커니즘을 밝혀냈습니다.

인도 과학 연구소(IISc) 생화학과 연구진이 선태식물(이끼와 우산이끼 포함)과 같은 원시 육상 식물이 사용하는 오랫동안 찾아왔던 메커니즘을 발견했습니다.식물 생장 조절– 이는 비교적 최근에 진화한 속씨식물에서도 보존되어 온 메커니즘입니다.

학술지 네이처 케미컬 바이올로지에 발표된 이 연구는 배아 식물(육상 식물)의 세포 분열을 억제할 수 있는 주요 성장 조절 단백질인 DELLA 단백질의 비고전적 조절에 초점을 맞추고 있습니다.
"DELLA는 마치 과속방지턱과 같은 역할을 하는데, 이 과속방지턱이 계속 존재하면 식물은 움직일 수 없습니다."라고 생화학 부교수이자 이번 연구의 공동 저자인 데바브라타 라하는 설명합니다. 따라서 DELLA 단백질의 분해는 식물 성장을 촉진하는 데 매우 중요합니다. 꽃식물에서 DELLA는 식물 호르몬이 작용할 때 분해됩니다.지베렐린(GA)DELLA는 수용체인 GID1에 결합하여 GA-GID1-DELLA 복합체를 형성합니다. 이후, DELLA 억제 단백질은 유비퀴틴 사슬에 결합하여 26S 프로테아좀에 의해 분해됩니다.
흥미롭게도, 선태식물은 약 5억 년 전 육지를 개척한 최초의 식물 중 하나였습니다. 이들은 식물 호르몬인 지베렐린(GA)을 생성하지만, GID1 수용체는 가지고 있지 않습니다. 이는 초기 육상 식물의 성장과 발달이 어떻게 조절되었는지에 대한 의문을 제기합니다.
연구진은 CRISPR-Cas9 시스템을 이용하여 해당 VIH 유전자를 제거함으로써 VIH의 역할을 확인했습니다. 기능적인 VIH 효소가 결핍된 식물은 엽상체가 빽빽하게 자라거나, 방사형 생장이 저해되거나, 꽃받침이 없는 등의 심각한 생장 및 발달 결함과 형태적 이상을 나타냅니다. 이러한 결함은 식물 유전체를 변형하여 VIH 효소의 한쪽 끝(N-말단)만 생성하도록 함으로써 교정되었습니다. 연구팀은 첨단 크로마토그래피 기술을 사용하여 N-말단에 InsP₈ 생성을 촉매하는 키나아제 도메인이 포함되어 있음을 발견했습니다.
연구진은 DELLA가 VIH 키나아제의 세포 표적 중 하나임을 발견했습니다. 또한, MpVIH 결핍 식물의 표현형이 DELLA 발현이 증가된 억새 식물의 표현형과 유사하다는 것을 관찰했습니다.
"현재로서는 MpVIH 결핍 식물에서 DELLA의 안정성이나 활성이 향상되는지 여부를 확인하는 것이 목표입니다."라고 라헤이 연구팀의 박사 과정 학생이자 이번 논문의 제1 저자인 프리얀시 라나는 말했다. 연구진은 가설과 일치하게 DELLA 억제가 MpVIH 돌연변이 식물의 생장 및 발달 결함을 유의미하게 회복시킨다는 사실을 발견했다. 이러한 결과는 VIH 키나아제가 DELLA를 음성적으로 조절하여 식물의 생장과 발달을 촉진한다는 것을 시사한다.
연구진은 유전학적, 생화학적, 생물물리학적 방법을 결합하여 이 선태식물에서 이노시톨 피로인산이 DELLA 단백질 발현을 조절하는 메커니즘을 규명했습니다. 구체적으로, MpVIH에서 생성된 InsP₈는 MpDELLA 단백질에 결합하여 폴리유비퀴틴화를 촉진하고, 이는 결국 프로테아좀에 의한 이 억제 단백질의 분해로 이어집니다.
델라 단백질에 대한 연구는 녹색 혁명 시대로 거슬러 올라갑니다. 당시 과학자들은 자신도 모르게 이 단백질의 잠재력을 활용하여 수확량이 많은 반왜성 품종을 개발했습니다. 당시에는 작용 메커니즘이 알려지지 않았지만, 현대 기술의 발전으로 과학자들은 유전자 편집 기술을 사용하여 이 단백질의 기능을 조작함으로써 작물 수확량을 효과적으로 증가시킬 수 있게 되었습니다.
"인구 증가와 경작지 감소로 인해 작물 수확량 증대가 매우 중요해졌습니다."라고 라하 교수는 말했습니다. InsP₈에 의해 조절되는 DELLA 분해가 배아 식물에서 광범위하게 일어날 수 있다는 점을 고려할 때, 이번 발견은 차세대 고수확 작물 개발의 길을 열어줄 수 있을 것입니다.