KOSEN 한인과학기술자네트워크

 사람은 말과 몸짓을 사용하여 자신을 표현하며 서신, 전신, 전화, 인터넷 등의 도구를 통해 의사소통을 수행한다. 그렇다면 세포수준에서 세포간 의사소통은 어떻게 일어나는가? 세포가 사용하는 의사소통의 언어는 무엇이며 어떤 방법을 통해 전달되는가? 또한 이러한 정보교환의 결과는 어떠한 생명현상으로 나타나는가? 이러한 질문들에 답하고자 본 연구실은 식물세포간에 일어나는 정보교환의 메커니즘에 대한 연구를 수행하고 있다. 또한 식물세포간 일어나는 정보교환의 물질 중 단백질 및 핵산 등 거대생체분자 신호를 규명하는 연구와 이러한 신호물질이 다른 세포로 가기위해 통과하는 관문인 플라스모데스마타라고 하는 식물세포에만 존재하는 세포간 나노채널의 구성물질을 규명하고 이 나노채널이 어떻게 조절되는지 풀어내고자 하는 연구를 수행하고 있다. 이를 위해 유전학, 분자생물학, 생화학 및 생물정보학 등 복합적인 접근방법을 사용하고 있다.

 세포간 정보교환과 신호전달에는 어떤 물질신호의 이동이 필수적이다. 하지만 이런 신호 중에서도 거대 고분자가 세포간에 이동하는 신호로 작용할 수 있다는 사실은 최근에 밝혀졌으며 현재 연구가 집중되고 있는 분야 중 하나이다. 우리는 체관을 통해 이동하는 단백질들의 프로테오믹스 분석과 형광단백질을 사용한 세포간 이동 분석법을 활용한 세포간 이동 전사인자 분리 및 특성분석을 통해 세포간 이동의 신호로 작용하는 단백질을 분석하였다. 이를 통해 세포간 이동에 관여하는 신호를 규명하였고 이러한 신호들이 만들어지는 진화학적인 과정을 고찰하고 있다.

 일단 식물세포간 이동하는 생체고분자가 분리되면 이러한 생체고분자의 이동을 활용한 분석시스템이 구축되고 이를 활용하여 어떻게 세포사이에 생체고분자 물질이 이동하는 지에 대한 고찰이 가능할 것이다. 우리는 직접적인 분석이 어려운 세포간 단백질이동 현상을 단백질 이동이 일어나면 눈에 보이는 표현형이 변화가 일어나도록 만들어 관찰을 하는 방법으로 유전학적인 돌연변이를 선발하고 돌연변이 유전자를 분리, 특성 분석하여 세포간 단백질 이동에 필요한 관련 요소들을 규명하는 연구를 수행하고 있다.

 플라스모데스마타는 거의 모든 식물세포에 존재하며 세포간을 연결하는 세포간 채널로 광합성 산물 등의 영양물질의 이동, 생체고분자인 단백질 및 RNA의 이동이 일어나는 곳이다. 또한 바이러스는 식물세포를 감염하여 자신의 유전자를 복제한 후 이 플라스모데스마타를 통해 다른 세포로 이동한다. 그러므로 플라스모데스마타에 대한 이해의 증진은 세포간 광합성 산물의 재분배 조절에 의한 수확량 증진, 생체고분자 및 저분자 신호의 이동조절을 통한 발달조절, 세포간 바이러스 이동 억제 식물개발 등 다양한 산업적인 응용이 가능한 원천기술의 성배이다. 하지만 전자현미경 수준에서만 보이는 세포간 채널인 플라스모데스마타의 구성인자를 찾는 연구는 매우 도전적인 연구분야이다. 우리는 프로테오믹스, 세포생물학적인 방법과 유전학적인 방법을 사용하여 플라스모데스마타의 구성 및 조절인자를 찾는 연구를 수행하고 있다.

 옥수수 전사인자인 나티드원의 C-말단에 위치한 호메오도메인이 단백질/RNA의 이동에 필요할 뿐만 아니라 충분하다는 사실을 규명하였다. 기존에 호메오도메인은 전사인자의 DNA에 결합하는 도메인으로만 알려졌으나 이 연구를 통해 호메오도메인의 새로운 기능을 추가시키는 성과를 올렸다. 이 이동신호는 채널의 크기를 증가시킬 수 있는 게이팅신호(gating signal) 및 RNA이동을 조절한다.
 이 연구결과는 눈에 볼 수 없는 세포간의 단백질 이동을 간단하게 확인할 수 있는 새로운 분석법의 개발에 힘입었다. 그림에서 보는 것처럼 정상적인 야생형 식물세포는 표면세포에서 털세포를 만든다. 하지만 GL1 단백질이 고장이 난 식물은 털세포를 만들 수 없다. 이 GL1 단백질을 속세포에 발현시키면 세포 사이에 이동할 수 없기 때문에 표피세포에서 털세포를 만들 수 없다. 하지만 단백질 이동신호를 갖는 단백질과 융합하여 속세포에 발현시키면 표피세포로 이동하여 털세포를 만들게 된다. 이런 분석법을 사용하여 본 연구실은 나티드원의 C-말단에 호메오도메인에 단백질 이동신호가 있다는 사실을 규명하였다.

 사람들이 사용하는 휴대폰처럼 식물에도 세포간 정보교환에 사용되는 ‘셀폰’(Cell Phone)이 있을까?! 본 연구실은 식물 세포 사이에 정보교환의 일환으로 전사인자 단백질 이동이 일어날 때  휴대폰에서 신호를 변조하는 ‘셀폰’과 같은 기능을 하는 단백질을 규명하였다. 한 세포에서 만들어진 전사인자의 구조가 풀리면서 나노채널을 통해 이동하고 다시 원래 상태로 재변형되어 신호물질로 작용하는 데 필요한 핵심인자인 ‘샤페로닌’이 바로 셀폰 단백질에 해당한다. 현대 생물학에서 풀리지 않은 화두의 하나는, 하등 단세포 생명체로부터 어떻게 수 억 개의 세포들이 서로 소통하며 맡겨진 고유한 역할을 수행하는, 고도로 분화되고 조직화된 생명체로 진화하였는지에 대한 경이로운 의문이다. 세포간 또는 장거리 신호전달은 동ㆍ식물과 같은 다세포 고등생명체의 생존을 위해 필수적이며, 식물에서 이런 세포간 신호전달 및 물질교환은 식물 특유의 나노채널인 ‘플라스모데스마타’ 또는 ‘원형질연락사’를 통해 일어난다.  최근 놀랍게도 유전자의 발현을 조절하는 전사인자와 같은 생체고분자 단백질이 이 세포간 나노채널을 통해 이동하는 신호로 작용한다는 사실이 밝혀졌다. 하지만 거대 생체고분자가 어떻게 작은 나노채널을 통해 수신세포로 이동하며 정상적인 기능을 수행하는지는 아직도 알려지지 않았다. 본 연구실은 한 세포에서 만들어진 전사인자는 구조가 풀리며 나노채널을 통해 이동하고 다시 원래의 상태로 재변형되어 신호물질로 작용하는 데 필요한 핵심인자인 ‘샤페로닌’을 분리하고 특성을 규명하였다. 우리가 사용하는 휴대폰과 같이 음성/영상 신호가 전파로 변환되고 다시 음성/영상신호로 변조되는 과정에서 작용하는 단백질이 바로 ‘샤페로닌’인 것이다.

 속세포에서 표피세포로 단백질 이동을 통해 털세포가 만들어지는 식물시스템(A, C)에서 세포간 이동이 저해되면 털세포가 없어진다(B, D). 형광단백질 리포터를 살펴보면 표피세포로 이동된 야생형(E)에서는 표피세포에서 녹색 형광신호가 보이나 돌연변이(F)에서는 형광신호가 보이지 않는다.

 본 연구실은 북경유전체연구소 (BGI-Shenzhen) , 중국대학 2곳, 미국대학 3곳, 한국·네덜란드의  공동연구연구팀을 구성하여 오이게놈 해독을 발표하였다. 오이는 경제적으로 중요한 작물일뿐만아니라 관다발생물학 및 성의 결정 연구의 모델 작물이다. 우리는 식물로는 7번째, 채소로는 최초로  Sanger and next-generation Illumina GA sequencing technologies를 사용하여 오이의 유전체 지도를 완성하였다. 이 지도는 약 72.2 배의 게놈의 중복 염기서열정보로부터 구축되었다. 적은 수의 tandem duplications과 전체 게놈 duplication일 일어나지 않아 오이는 상대적으로 작은 수의 유전자로를 갖는다. 오이는 7개의 염색체를 갖는데 이중 5개는 멜론과 분리된후 그 분화된 10개의 조상 염색체의 융합으로부터 유래한다. 오이 유전체정보를 이용한 분석은 성결정유전자, 병저항성, cucurbitacin and ‘fresh green’ odor의 생합성에 관련된 통찰을 준다. 우리는 역시 686개의 체관에서 기능하는 유전자를 동정하였고 오이 유전체의 해독은 엘리트 오이 종자의 개발과 식물 관다발 시스템의 기능과 진화에 대한 연구를 위한 귀중한 자료를 제공한다.

 분자유전학적인 방법을 통해 칼로스 합성효소인 GSL8의 생리학적 의미를 최초로 증명하였다! 식물발달(식물 꽃가루 생성 및 발달, 체관 및 물관세포 형성) 동안 다양한 기능을 수행하는 다당류 ‘칼로스(callose)’는 식물발달뿐 아니라 신호전달(플라스모데스마타), 세포질분열(cytokinesis) 시 세포판 형성, 각종 스트레스 대응(고온, 병해충, 상처 등)에서 중요한 기능을 수행하는 세포벽 베타-1,3-글루칸(beta-1,3-glucan)이다. 최근 칼로스의 기능과 그 합성 분해 메커니즘에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 연구팀은 애기장대 12개의 칼로스 합성유전자 중 GSL8(GLUCAN SYNTHASE-LIKE 8)이 식물 세포질분열 시 세포판 형성의 중요 조절인자임을 규명하였다.
 세포질분열은 하나의 진핵세포(eukaryotic cell)의 세포질이 두 개의 딸세포로 분열하는 과정이다. 이 과정은 염색체 복제의 마지막 단계에서 시작하는데, 다음 세대에서 염색체 수가 일정하게 유지되도록 두 개의 핵을 갖는 한 세포가 두 개의 세포로 나누어지는 과정이다.

  연구팀은 세포질분열 동안에 칼로스의 합성과 그 기능을 알아보기 위해 애기장대에 존재하는 GLUCAN SYNTHASE-LIKE(GSL; 또는 CALLOSE SYNTHASE 유전자의 T-DNA 삽입 돌연변이들을 분리하고 그 특성을 규명하였다. 연구결과 12개의 GSL 멤버 중 gsl1-gsl7, gsl9, gsl11, gsl12 돌연변이들은 외관상 정상적인 식물성장과 발달표현형을 보였는데, gsl8 돌연변이는 초기 생장단계에서 발달이 정지하고 죽으며 배아발달 및 초기 영양성장단계에서 다양한 표현형을 보였다. 또한 연구팀은 gsl8 돌연변이의 배아와 어린 식물의 표피세포는 불완전한 세포벽 형태를 갖거나 한 세포가 2개의 핵을 갖는 특이한 표현형을 발견하였고, 결론적으로 gsl8 돌연변이는 세포질 분열에 문제를 일으킨다는 사실을 확인하였다. 이는 GSL8 전사 RNA의 양을 낮추는 GSL8 RNAi 라인을 통해서 다시 한 번 확인되었다. 그리고 gsl8 homozygote 돌연변이와 RNAi 라인은 세포판과 새로 생성된 세포벽에서 칼로스의 축적이 야생형에 비해 현저히 감소하였는데, 이는 현재까지 세포분열 시 관찰된 칼로스 축적이 중요한 생리학적인 의미를 갖는다는 사실을 분자유전학적인 방법을 통해 최초로 증명한 것이었다. 특히 연구팀은 이 프로세스에서 GSL8이 중요한 유전자임을 규명하는 한편, gsl8 돌연변이는 세포 및 조직 발달 패턴에서 이상을 보여주어 정확한 메커니즘의 연구 필요성을 제기하였다.

1.  Program Head, World Class University (WCU) Program of Plant Cell Communication, Gyeongsang National University
2.  Deputy Director, Systems & Synthetic Agrobiotech Center, Rural Development Administration

Current Research Interests:
Plant Intercellular Communication
Cell-to-Cell Trafficking through Plasmodesmata and Phloem
Receptor-Like Kinase Mediated Signaling

Education
1998 January Ph. D., University of Paris XI, France
1992 March M.S., Korean Advanced Institute of Science and Technology (KAIST), Korea
1990 March B.S., Seoul National University, Korea

Research Experience
1998 - 2000 Postdoctoral Fellow, University of Warwick (UK) 
2000-2003  Postdoctoral Fellow, Cold Spring Harbor Laboratory (USA) 
2003-present Professor, Gyeongsang National University

Selected Publications
1.  Vaten et al (2011) Callose biosynthesis regulates symplastic molecular traffic during root development. Developmental Cell  21(6):1144-1155.
2.  Rim et al (2011) Analysis of Arabidopsis transcription factor families revealed extensive capacity for cell-to-cell movement as well as discrete trafficking patterns. Mol Cells 32(6): 519-526
3.  Xu et al (2011) Chaperonins facilitate KNOTTED1 cell-to-cell trafficking and stem cell function. Science 333: 1141-1144
4.  Jo et al (2011) Plasmodesmal receptor-like kinases identified through analysis of a rice cell wall proteomics database. Protoplasma (Special issue for Plasmodesmata) 248(1): 101-116
5.  Hyun et al (2011) Cell-to-cell trafficking of RNA and RNA silencing through plasmodesmata. Protoplasma 248(1): 191-203 (invited review).
6.  Lucas et al (2009) Plasmodesmata-bridging the gaps between neighboring plant cells. Trendin Cell Biol19(10): 495-503 (invited review).
7.  Huang et al (2009) The genome of the cucumber, Cucumis sativus L. Nature Genetics41(12): 1275-1281
8.  Spensley et al (2009) Evolutionarily conserved regulatory motifs in the promoter of the Arabidopsis clock gene LHY. Plant Cell  21(9): 2606-2623
9.  Chen et al (2009) The Arabidopsis callose synthase gene, GSL8, is required for cytokinesis and cell patterning. Plant Physiol, 2009. 150: p. 105-113.
10.  Rim et al (2009) A Non-cell Autonomous Mechanism for Control of Plant Architecture and Epidermal Differentiation Involves Intercellular Trafficking of BREVIPEDICELLUS. Functional Plant Biol 36: 280-289.
11.  Kim et al (2005). A novel cell-to-cell trafficking assay indicates that the KNOX homeodomain is necessary and sufficient for intercellular protein and mRNA trafficking. GenesDev 19(7): 788-793.
12.  Kim (2005) Regulation of short-distance transport of RNA and protein. Curr Opin Plant Biol,2005.8(1):p.45-52(Invitedreview).
13.  Kim et al (2003) Developmental regulation and significance of KNOX protein trafficking in Arabidopsis. Development130:4351-4362.
14.  Kim et al (2003) Light-regulated translation mediates gated induction of the Arabidopsis clock protein LHY. EMBO J22(4): 935-944.
15.  Jackson and Kim (2003) Intercellular signaling: an elusive player steps forth. CurrBiol 13(9): R349-50 (Invited review).
16.  Kim et al (2002) Intercellular trafficking of a KNOTTED1 green fluorescent protein fusion in the leaf and shoot meristem of Arabidopsis. ProcNatlAcadSciUSA 99(6):  4103-4108.

 본 연구실은 경상대학교 공동실험실습관 (식물생명공학연구동) 6동 3층 306호에 위치하고 있습니다. 저희 연구분야에 관심이 있는 학생, 연구원들을 환영합니다. 전화: 055) 772-1361 Home page: http://kimjy.gnu.ac.kr, email: kimjy@gnu.ac.kr

 본 연구실은 WCU프로그램을 통한 해외석학인 William Lucas (UC Davis)교수를 포함해 중국, 인도 및 방글라데시 등 아시아계 학생, 연구원을 포함하는 다국적인 연구원들로 구성된 연구실로 다양한 문화체험이 가능한 연구실이다. 본 연구실은 지도교수/WCU 석학과 개인, 그룹미팅, 랩미팅을 통해 연구지도가 이루어진다. 물론 연구실의 공용어는 영어이다. 다양한 연구비 지원프로그램을 통해 모든 학생이 학비와 생계비에 해당하는 장학금을 인건비로 지원받는다. 또한 석,박사 학위과정생 및 포스트독 연구원의 연구지도뿐만 아니라  고등학생 멘터링, 학부생 체험프로그램, 학부생 졸업논문 실험등을 지원하고 있다. 본 연구실은 매년 WCU 세포정보교환 관련 심포지움과 워크샵을 경상대에서 주최하고 있으며 이를 통해 연구원들은 국내외 유명학자들에게 연구결과를 발표하고 토론하는 기회를 갖음은 물론이고 인적네트워크 구축의 계기를 갖는다. 또한 다양한 국내외 관련학회에 참석하여 연구결과를 발표할 기회를 갖는다.