과학자로서 평생 한번 싣기도 어렵다는 세계 최고 권위의 생명과학저널 ‘셀’(Cell)에 지방대에 재직중인 지도교수와 미국 유학중인 제자가 잇따라 논문을 발표해 화제가 되고 있다.

화제의 주인공은 경상대학교(총장 조무제) 자연과학대학 생화학과 88학번으로 같은 과에서 석사과정을 마친 뒤 현재 미국 오하이오주립대학교 박사과정 중인 김민갑(36 사진) 씨와 경상대학교 자연과학대학 생화학과 이상열(48·국가핵심연구센터 소장) 교수.

김민갑 씨는 경상대 생화학과를 졸업한 뒤 이상열 교수의 지도하에 석사과정을 마치고 지난‘00년부터 미국 오하이오 주립대에서 박사과정을 밟으며 ‘식물의 병 저항성 조절과정에 핵심기능을 수행하는 린4(Rin4) 단백질의 생체방어 신호전달 기작에 대한 연구’를 수행한 결과 식물의 병 저항성 핵심신호전달 과정을 규명하게 됐다.

이같은 내용을 담은 김민갑 씨의 논문은 ‘슈도모나스 시린게 타입3 이팩터에 의한 린4-매개 식물 생체방어 저해체계’라는 제목으로 셀지 2005년 6월호(한국시각 6월4일 발행)에 실린다.

김민갑 씨의 석사과정 지도교수였던 이상열 교수는 지난해 5월 순수하게 경상대에서 연구한 토종 연구결과로 셀지에 논문을 발표한 바 있기 때문에 지도교수와 제자가 함께 세계 최고 학술지인 셀지에 논문을 발표하는 진기록을 세웠다.

김민갑씨의 석사과정 지도교수인 이상열 교수는 “김민갑 학생은 성격이 활발하면서도 연구에는 대단한 집중력을 보이는 우수한 연구능력을 소유해 앞으로 더 큰 성과가 기대된다”며 극찬을 아끼지 않았다.

이상열 교수는 자신이 지도한 대학원생 중, 지난해 장호희 씨에 이어 올해 또다시 김민갑 씨 논문이 셀지에 발표되는 등 세계 최고 수준의 연구결과를 연이어 발표할 수 있게 된 데 대해 “하루에 최소 14-15시간을 학생들과 함께 직접 연구하고 결과를 분석하고 토론하며, 철저하게 학생들 각자의 수준에 맞는 ‘눈높이 교육’을 한 것이 학생들의 연구 능력배양에 절대적 영향을 주는 것으로 판단된다”고 설명했다.

발표논문 요약

Two Pseudomonas syringae type III effectors inhibit RIN4-regulated basal defense in Arabidopsis

▲연구 배경

병원균에 강한 저항성을 지닌 식물체의 개발은 경제적인 측면과 환경보호의 관점에서 무엇보다 중요한 과제라 할 수 있다.

이를 위해서는 어떠한 경로를 통해서 병원균들이 식물체내로 침입하여 병을 일으키며 이에 대응해서 식물은 어떻게 반응하며 또 어떤 기작을 통해 저항성을 나타내는지를 규명하는 것이 내병성 작물 개발을 위한 선결과제라 할 수 있겠다.

식물은 박테리아 병원균에 대항해 두 가지 종류의 방어 기작을 가지고 있는데, 대부분의 박테리아들을 인식해 감염을 방지하는 기본 방어 체제(Basal Defense System)와 식물 저항성 단백질들(Plant Resistance Proteins, R Proteins)에 의한 방어 기작으로 구분될 수 있다.

대부분의 박테리아에 의한 감염은 기본 방어 체제 수준에서 방지될 수 있다. 하지만 식물내로 이팩트 프로틴(Effector Protein)이라고 하는 박테리아 단백질이 식물의 세포막내로 침입하면 식물은 이 물질을 인식함으로써 아주 강력한 방어 기작을 작동하게 되는데, 이는 식물저항성단백질들에 의해서 조절된다.

이러한 반응은 병원균이 침입한 자리에 아주 빠르게 세포괴사(Hypersensitive Response, HR)를 일으켜 식물체의 방어기작을 작동시킴으로써 병원균의 전이와 증식을 차단하고 식물체를 보호하게 된다.

이러한 방어기작은 인체의 면역 체계와 많은 유사성을 보여주며 특정 감염 부위를 희생시킴으로써 식물 전체를 병원균으로부터 보호하는 행태를 보여준다. 하지만 이러한 식물체의 방어기작은 항상 작동하고 있는 것이 아니라 병원균에서 유래된 특정의 신호 물질을 인식함으로써 방어기작을 작동시킨다.

따라서 특정 병원균에 대한 식물의 저항성은 얼마나 빨리 그리고 정확하게 외부에서 침입하는 병원균들을 제대로 인식하고 이에 적절한 방어기작을 작동하는가에 달려있다. 식물의 저항성 단백질들(Plant Resistance Proteins, R Proteins)에 의해서 매개되는 이러한 기능을 조기경보체제(Surveillance System)라 하며 이 단계가 식물의 저항성 여부를 결정하는 아주 중요한 단계이다.

병원성 박테리아는 식물체의 세포 사이에서 기생하며 분비기구(Secretion System)를 통해 이팩터 단백질들(Effector Proteins)을 세포막내로 주입하게 된다. 저항성 단백질들이 모든 이팩터 단백질들을 인식하는 것이 아니라 이 단백질에 특이한 이팩터 단백질만을 인식하고 이는 방어기작 작동으로 이어진다.

일단 이렇게 저항성 단백질들을 통하여 이팩터 단백질들의 침입을 인식하게 되면 식물은 침입부위에 빠르게 세포괴사를 일으켜 식물 방어 기작을 운영하고 식물체를 보호한다.

반대로, 식물체내로 침입한 이팩터 단백질들을 식물체가 제대로 인식하지 못하면 이는 식물병으로 이어진다. 따라서 저항성 단백질들에 의한 이팩터 단백질의 인식이 무엇보다 중요하다 할 수 있으며, 박테리아가 분비하는 이팩터 단백질들과 식물체가 보유하고 있는 저항성 단백질들의 구성에 의하여 식물체의 저항성 여부가 결정된다 할 수 있겠다. 이는 또한 같은 박테리아가 어떤 식물에서는 병을 일으키지만 다른 식물에서는 전혀 피해를 주지 못하는 현상을 잘 설명해준다

지금까지 저항성 단백질에 의한 방어 기작의 작동 유도는 비교적 잘 밝혀져 있으나, 이팩터 단백질을 인식하는 저항성 단백질이 식물체 내에 존재하지 않을 때 어떠한 경로를 통해 병을 일으키는지에 대한 연구는 미미한 실정이다. 또한 식물의 두 가지 방어 기작인 기본 방어 체제와 식물저항성단백질들(Plant Resistance Proteins, R Proteins)에 의한 방어 기작의 상호 조절 여부는 밝혀지지 않았다.

▲연구 내용

실험에서는 이 분야에서 가장 널리 쓰이고 있는 애기장대(Arabidopsis)와 슈도모나스 시링게(Pseudomonas syringe) 박테리아를 모델로 사용했으며, 이 박테리아에 의하여 특정 이팩터 단백질이 분비되었을 때 이에 상응하는 저항성 단백질의 존재 유무에 따라 각각 식물체가 어떤 방응을 보이는지를 비교 연구함으로써, 어떤 기작을 통해서 박테리아가 식물에서 병을 일으키는지를 연구하였다.

에뷔알알피엠원(AvrRpm1)과 에뷔알피티투(AvrRpt2)라는 이팩터 단백질은 애기장대에 있는 알피엠원(RPM1)과 알피티투(RPT2) 저항성 단백질에 의해서 각각 인식되며 이로 인해 식물체는 저항성을 보인다.

하지만 이러한 저항성 단백질들이 식물체 내에 존재하지 않으면, 식물체는 이팩터 단백질의 침입을 인식하지 못하고 병을 일으키게 된다. 이러한 과정에서 이팩터 단백질들은 식물체에서 유도되는 피알 단백질들(PR Proteins, Pathogenesis Related Proteins)의 발현을 억제하고 다른 저항성 관련 단백질들의 정상적인 전사 (Transcription)를 방해하여 식물체의 정상적인 방어 신호체제를 교란시킨다는 것이 밝혀졌다. 따라서 식물체는 정상적인 방어체제를 작동하지 못하고 병원균에 노출됨으로써 병을 일으키게 된다는 것이다.

또한 이번 연구는 피엠알포(PMR4)라고 하는 단백질의 기능을 밝혔는데, 이 단백질은 박테리아 침입시 세포벽에 칼로스(callose)를 주요 구성물질로 이용하는 두터운 층을 형성함으로써 식물의 저항성에 기여한다는 것을 밝혔다.

이 실험에서 이용된 정상적인 저항성 단백질들은(알피엠원(RPM1)과 알피티투(RPT2)) 박테리아의 이팩터 단백질이 분비되었을 때 린포(RIN4)라는 단백질을 매개로 신호전달을 하게 되는데, 이팩터 단백질들은 저항성 단백질들이 존재하지 않으면, 이 단계를 교란 및 방해함으로써 식물체내의 방어기작 작동을 억제시키고 병을 유발하는 것으로 밝혀졌다. 또한 이는 식물체가 보유하고 있는 두개의 방어 기작이 상호 조절되고 있음을 보여준다.

▲연구 성과

이 연구는 병원성 박테리아에서 분비되는 이팩터 단백질들이 어떤 기작을 통해 식물병을 유발하는지를 밝혀냄으로써 저항성 식물 개발을 위한 새로운 해답을 찾을 수 있을 것으로 기대된다.

이는 경제적인 그리고 환경적인 측면에서 많은 파급효과를 기대할 수 있는 것은 물론, 의학적으로도 많은 응용이 가능하다 할 수 있겠다.

조기 경보체제에 해당하는 Surveillance System은 동물과 식물에 걸쳐 많은 부분에서 유사성을 보인다. 따라서 이 연구결과는 박테리아에 의한 질병에 대한 대처 방법에도 많은 정보를 제공할 수 있을 것으로 판단된다.