식물 발달을 위한 옥신 수송 조절의 새로운 메커니즘 A new mechanism of auxin transport regulation for plant development
[연구필요성]
식물은 한자리에 고정된 채 살아가기 때문에 주변 환경 변화에 맞춰 스스로 생장 방향을 바꾸는 정교한 능력을 진화시켜 왔다. 빛을 향해 줄기와 잎이 자라고, 뿌리가 양분과 수분이 있는 쪽으로 뻗는 것은 대표적 예다. 이러한 현상의 중심에는 식물 생장호르몬 옥신(auxin)의 비대칭적 흐름과 이를 조절하는 PIN 단백질이 있다. 옥신 수송체인 PIN은 세포막의 한쪽 면에만 위치해 옥신의 방향성 있는 이동을 가능하게 한다. 이러한 단백질의 극성분포(polar localization)는 식물뿐 아니라 모든 진핵생물의 발달에서도 핵심 역할을 하는데, PIN 단백질은 극성분포의 원리를 밝히는 데 매우 적합한 연구 모델로 주목받고 있다.
[연구성과/기대효과]
이번 연구는 식물이 생장호르몬의 흐름 방향을 조절함으로써 스스로의 발달 과정을 어떻게 바꿀 수 있는지에 대한 오랜 수수께끼를 푸는 실마리를 제시했다. 이 성과는 식물 발달의 원리를 밝히는 데 그치지 않고, 동물을 포함한 모든 진핵생물에서 세포의 극성과 조직 형성이 어떻게 이뤄지는지를 이해하는 데에도 중요한 단서를 제공한다. 또한, 이러한 발견을 통해 식물이 환경 변화에 따라 생장과 발달을 조절하는 적응 메커니즘을 규명함으로써, 향후 생리.생태 연구와 농업 기술 발전에도 폭넓게 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
[본문]
식물은 이동할 수 없기 때문에, 변화하는 환경 속에서도 스스로 적응하고 생장과 발달을 조절하는 놀라운 능력을 갖추도록 진화해 왔다. 줄기와 잎이 빛을 향해 자라고 뿌리가 중력 방향이나 수분 또는 양분이 있는 쪽으로 뻗어 나가는 현상은 대표적인 예다. 하지만 식물이 어떻게 이런 환경 자극을 향해 실제 생장 방향을 바꾸는지 세포 수준에서의 현상은 오랫동안 풀리지 않은 생명과학의 수수께끼였다. 그 해답의 중심에는 식물 생장호르몬 옥신(auxin)의 비대칭적 흐름이 있다. 옥신은 세포를 통해 특정 방향으로 이동하여 줄기, 잎, 뿌리와 같은 식물의 기본 기관의 발생과 생장을 정교하게 조절한다. 이러한 방향성 있는 옥신의 수송은 PIN 단백질이 세포막의 한쪽 면에만 비대칭으로 자리하는 덕분에 가능하다. 세포막에서 단백질이 한쪽으로 치우쳐 분포하는 극성분포(polar localization)는 식물만의 현상이 아니다. 이는 동물을 포함한 모든 진핵생물의 세포 발달과 조직 형성을 결정짓는 근본적 원리로서 생명체가 형태를 갖추는 과정의 출발점이다. 특히 PIN 단백질은 이러한 극성분포의 비밀을 풀어낼 수 있는 최적의 모델 단백질로, 식물의 적응 전략을 이해할 뿐 아니라 생명체 전반의 발달 메커니즘을 밝히는 열쇠로 주목받고 있다.
지금까지 식물의 생장 방향을 결정짓는 핵심 단백질인 PIN 단백질이 어떻게 세포막의 한쪽 면에만 비대칭적으로 자리 잡는지에 대해서는 명확한 메커니즘이 알려져 있지 않았다. 토토사이트 자연과학대학 생명과학부 조형택 교수 연구팀의 맹광호·이효동 연구원은 이번 연구를 통해 그 미스터리에 대한 중요한 실마리를 제시했다.
연구팀은 식물(애기장대)의 GTPase Activating Proteins(GAP) 가운데 하나인 ROPGAP3가 PIN 단백질과 직접 결합하여 세포막에서 PIN의 비대칭적, 즉 극성분포를 조절한다는 사실을 밝혀냈다. ROPGAP3는 다른 유사 단백질(homolog)들과 달리 세포막에서 PIN 단백질의 클러스터링(clustering, 뭉침)을 강화시켜 PIN의 극성분포를 더욱 공고히 하며, 이러한 작용은 기존에 알려진 GAP의 GTPase 활성화 기능과는 독립적인 경로로 작동하는 것으로 확인되었다. 다시 말해, ROPGAP3는 PIN 단백질의 공간적 배열을 직접 조절함으로써 식물 세포막에서 PIN의 극성을 유지하고 옥신의 비대칭 흐름을 일으키고 나아가 식물 기관의 생장 방향을 결정짓는 중요한 조절자로 작용한다.
이번 발견은 GAP 단백질이 GTPase를 비활성시킨다는 전통적인 기능을 넘어 세포막 단백질의 극성 유지와 조직적 배열을 직접 조절하는 새로운 기능을 수행할 수 있음을 처음으로 규명한 사례다. 이 결과는 단지 식물의 발달 메커니즘을 밝히는 데 그치지 않고, 동물을 포함한 진핵생물 전체에서 세포의 극성과 형태 형성에 대한 근본적인 이해를 확장하는 데 중요한 학문적 의의를 지닌다.
이 연구결과는 미국학술원 회보 PNAS 2025년 11월 24일자 온라인판에 게재되었다.
그림 1 옥신수송체 PIN의 비대칭분포에 의한 옥신(IAA)의 극성수송, 국소적 옥신 고농도 형성과 그에 따른 식물 기관의 발생 및 비대칭 생장 유도. 그림 2 ROPGAP3의 직접적 결합에 의한 PIN의 클러스터링 증대와 내포작용 억제에 따른 PIN 극성분포 조절 메커니즘.
[연구결과]
ROPGAP3 interacts with PIN2 and modulates its clustering and trafficking in Arabidopsis Kwang-Ho Maeng, Hyodong Lee, and Hyung-Taeg Cho (PNAS)
옥신은 자라나는 가지, 잎, 뿌리 쪽으로 수송되어 이러한 기관의 발생과 생장을 조절한다. 식물 기관의 방향성 있는 생장은, 옥신 수송체 단백질인 PIN이 세포막의 한쪽 면에만 선택적으로 분포하기 때문에 가능하다. 따라서 식물의 기관이 어떻게 발생하고 성장하는지를 이해하기 위해서는, 세포막에서 PIN 단백질의 위치가 어떻게 결정되는지를 밝히는 것이 중요하다.