한국과학기술원(KAIST·총장 이광형)을 포함한 국내외 연구진이 식물 '자가면역 반응' 유발 메커니즘을 규명하고, 이를 사전 예측·회피할 수 있는 신개념 품종 개량 전략 제시에 성공했다.
KAIST는 송지준 교수팀이 국립싱가포르대(NUS), 옥스퍼드대 연구팀과 공동연구로 초저온 전자현미경(Cryo-EM) 기술을 활용, 식물 자가면역 반응을 유발하는 단백질 복합체 'DM3' 구조·기능을 규명했다고 21일 밝혔다.
이번 연구는 식물 잡종 간 교배 시 면역 수용체의 비정상적 반응으로 발생하는'잡종 괴사' 원인을 '단백질 구조 결함'에서 찾았다는 점에서 주목받는다.
DM3는 원래 식물 면역 반응에 관여하는 효소인데, '위험 조합(DM)'이라 불리는 특정 단백질 조합에서 DM3 단백질 구조가 망가지면서 문제를 일으킨다.
특히 DM3 변이체 중 하나인 'DM3Col-0' 변이체는 6개 단백질이 안정적으로 결합하며 정상으로 인식, 면역 반응을 일으키지 않는데 반해, 'DM3Hh-0' 변이체는 6개 단백질 간 결합이 제대로 안돼 식물은 이를 '비정상적인 상태'로 인식하고 면역 경보를 울리며 자가 면역을 유발한다.
연구팀은 해당 구조를 원자 해상도 Cryo-EM으로 시각화했으며, 면역 유도 능력은 DM3 단백질 효소 기능 때문이 아닌, '단백질 결합력의 차이' 때문임을 밝혀냈다.
이는 식물이 '외부 병원균' 뿐만 아니라'내부 단백질 구조'가 비정상적으로 변화하는 경우에도 이를 병균으로 인식해 면역반응을 일으킬 수 있음을 보여준다.
해당 연구는 서로 다른 품종의 식물을 교배하면서 유전자가 섞이고 단백질 구조가 변할 경우, 식물 면역계가 얼마나 민감하게 변화하며 자가면역반응을 일으키는지 보여주며, 자연교배 및 품종개량 과정에서 발생할 수 있는 유전적 충돌에 대한 이해를 크게 높였다.
제1 저자 김기정 박사는 “국제적 연구 협력을 통해 구조생화학, 유전학, 세포생물학적 실험을 망라해 완성도 높은 연구로 자가면역현상을 이용, 식물 면역계를 이해하는 새로운 관점을 제시했다”고 말했다.
송지준 교수는 “면역 시스템이 외부 병원균뿐 아니라 자기 단백질의 구조적 이상까지 감지할 수 있다는 사실은 식물 생명공학 및 작물 교배 전략에 새로운 기준을 제시할 것”이라며, “초저온 전자현미경 기반의 구조 분석이 유전자 간 상호작용의 본질을 이해하는 데 중요한 도구가 될 것”이라고 말했다.
이번 연구는 셀(Cell) 자매지인 분자 세포(Molecular Cell) 17일 자에 출판됐다.
김영준 기자 kyj85@etnews.com
