겨울에도 꽃이 지지 않는 인동의 게놈은 어떻게 생겼나?

　

  인동(Lonicera japonica)은 항산화, 항염증, 항암, 항 바이러스 약물 속성을 가진 중국의 전통의학에 이용되는 식물이다. 달콤한 냄새의 꽃으로 관상용으로도 많이 재배되고 있으며, 중국어로는 금은화라고도 불린다. 강력한 생존 능력으로 인해 아메리카 국가의 생태계에서도 살아남았으며, 상업적 가치로 인해 일본과 한국 등 다른 아시아 국가뿐만 아니라 전세계적으로 재배되고 있다.

  특히 인동의 마른 꽃 봉오리는 해열, 해독, 항 염증 속성을 가졌으며, 중국 의학에서 17세기 초부터 수천 년 동안 사용되어 왔다. 뿐만 아니라 최근 인플루엔자 바이러스의 치료 약물로도 이용되고 있으며, 특히 SARS와 조류독감 바이러스 발발 이후, 인동의 사용이 크게 증가하였다. 인동에 많은 성분으로는 페놀산, 플라본, 트리테르페노이드, 사포닌, 휘발성 오일 등이 있으며, 주요 대사 산물은 클로로겐산(CGA; Chlorogenic acid)과 시나로시드(Cynaroside)로 생합성 경로는 잘 알려져 있으나, 인동에 의한 활성 성분의 생합성 이용 경로가 유전적으로 조절될 수 있다.

  베이징 협화 의학원에서는 Roche/454 GS FLX 티타늄 플랫폼을 이용하여 인동의 전체 게놈을 해독하였다. 이번 연구에서 인동의 unigene의 85.69%가 annotation되었으며, 그 중 325개가 차 대사 경로에 관여하고, 2,039개는 전사 인자로서 작용하였다. 클로로겐산과 시나로시드의 생합성에 관여하는 hydroxycinnamoyl-CoA shikimate/quinate hydroxycinnamoyl transferase(HCT) 유전자 3가지의 효소가 인동에서 처음 발견되었다. 인동의 유전적 표지자, 발현, 기능적 게놈 데이터를 제공한 연구결과이다.

  GS FLX로 새싹과 잎의 전사체 염기서열을 해독하고, Illumina GAIIx로 인동의 꽃에서 세 가지 단계를 나누어 6,000개의 발현을 확인하였다. 일루미나 GA II외에도 Roche/454 GS FLX 등의 NGS 기기는 약용식물의 전사체 분석에 이용하며, 유전자를 발견하고 표지자를 분석한다.

인동의 유전체에서 밝혀진 사실들

　　　　　　　　　　　　　　　　　　표 1 GS FLX로 인동의 새싹과 잎을 해독, 어셈블리한 통계값

  인동의 활성 성분 생합성 경로에 관여하는 유전자를 찾기 위해, 새싹과 잎의 전사체 염기서열을 분석하였다. 새싹과 잎은 의료 자원을 개발하는 주요 약용부분으로, 신선한 인동의 새싹과 잎의 RNA에서 2가지 cDNA 라이브러리를 SMART 기술을 사용하여 제작하였다. 제작된 라이브러리로 454 GS FLX로 해독하였으며, 어셈블리(표1)하였다.

　　　　　　　　　　　　　　그림 1 세포 구성 요소로 분자적 기능, 생물 공정 및 34개 하위 범주

  잎에서 14,566개, 새싹에서 32,907개 unigene이 발견되었으며, 생물학적 기능이 아직 조사되지 않고 다른 종과 상동인 인동의 특정 유전자가 약 20%정도 되었다. InterPro 검사 결과에 따라, GO를 사용하여 분류하였다. GO는 표준화된 유전자 기능에 대한 국제 분류 시스템이다. 총 19,785개 unigene에 대해 세 가지 독립적인 범주로 분류하였고, 단백질 결합(44.8%)과 대사과정(35.3%)이 가장 큰 범주에 속하였다.

  생합성 경로에 관여하는 unigene에 대한 KEGG 대사 경로의 카테고리를 분류하였다. 249가지 경로에 43,129개 unigene을 매핑하였고, 그 중 9,594개는 대사 경로에 관여하였다. 특히 phenylpropanoid 생합성 경로에 128개 unigene이 관련 있었고, 이로 인해 플라보노이드 생합성이 이루어졌다. 세 가지 범주에서 클로로겐산과 시나로시드의 활성 화합물이 생합성되는 경로를 모두 관여하고 있었다.

표 2 인동에 많은 10가지 전사 인자

  인동은 강한 적응력을 가져, 중국 남서부의 바위 사막환경에서도 재배가 가능하다. 낮은 온도, 가뭄 스트레스에서 생리적 특성에 관한 저항적 분자 메커니즘이 불분명하지만, 차 대사 산물은 미생물, 초식동물, 자외선 공격으로부터 식물을 보호한다. 식물의 이차 대사에 관여하는 전사인자의 발견은 다양한 방어 신호경로에 영향을 끼치는 스트레스에 식물의 방어 반응을 규명하기 위한 연구의 중요한 영역이다. 전사인자의 발견은 환경 변화에 반응하는L.japonica의 분자 메커니즘을 규명할 수 있다. 목록의 C2H2, MYB 및 AP2/EREBP 전사인자는 환경적인 스트레스에 대한 반응을 조절하는데 중요한 역할을 한다. 특히 MYB 및 AP2/EREBP 전사인자는 phenylpropanoids와 테르펜 인돌 알칼로이드의 생합성을 위한 식물 대사 경로에 관여한다.

그림 2 각 효소에 해당하는 unigene의 수

  클로로겐산 생합성의 3가지 경로에 61개의 unigene이 영향을 끼치며, 그 중 C4H, C39H, HCT는 인동에서 처음 발견되었다. Luteolin는 식물에서 luteoloside을 형성하는 포도당과 결합하며, FSII 및 F39H는 CYP93B 및 CYP75B에 속하는 패밀리 유전자이다. 각각 FSII를 코딩하는 1개의 unigene과 F39H를 코딩하는 2개의 unigenes이 인동에서 처음 발견된 것이다.

HQT(hydroxycinnamoyl-CoA quinate hydroxycinnamoyl transferase)

그림 3 HQT와 HCT 비교분석

  HQT 분석은 단백질 도메인에 따라 17개 HCT와 3개의 HQT를 분석하는 것인데, 생명정보학적 분석을 통해 확인하는 방법이다. HQT와 HCT 사이의 관계를 통해 다른 종에서 동일한 효소를 검색하는 데 이용한다. 이번 연구에서는 8종의 식물에서 19가지 염기서열을 분석하였다. [그림 3]의 B에서 HQT와 HCT를 두 그룹으로 나누었는데, LjHCT1 유전자는 인동에서 발견되는 새로운 HCT 유전자이고, LjHQT 유전자는 새로운 HQT 유전자이다. 인스턴트 커피의 주원료인 코페아 카네포라(Coffea canephora)와 타바쿰담배(N.tabacum), 토마토(S.lycopersicum) 등의 하위 그룹에서 HQT 단백질 사이의 공유 정도는 약 70%이다.

맺음말

  항 염증 및 항 통각 속성을 포함하여 약물 특성을 가진 인동은 수천 년 동안 중국 의학에서 효과적으로 이용되고 있다. 그 동안의 많은 연구들은 페놀산과 플라보노이드를 포함한 생리 활성 성분의 분리와 약리 작용에 대한 것들이였다. 클로로겐산과 시나로시드 생합성을 일으키는 분자 메커니즘에 대해서는 포괄적인 연구가 더 이루어져야 하고, 다양한 전사체를 비교하여 알려진 대사 경로와 유전자 발현 간의 상관관계를 확인해야 한다. 인동에서 새롭게 발견된 HCT와 HQT는 다른 종과는 다른 경로의 발현을 이루었으며, 이로 인해 다양한 약물 특성을 가지게 된 것으로 확인되었다.

참고문헌

Transcriptome Analysis of Buds and Leaves Using 454 Pyrosequencing to Discover Genes Associated with the Biosynthesis of Active Ingredients in Lonicera japonica Thunb.

역저자

글 : Park.HyeonJi

편집 : Ahn,Kung

키워드 : 인동(Lonicera japonica), 클로로겐산(CGA; Chlorogenic acid), 시나로시드(Cynaroside), unigene, HQT(hydroxycinnamoyl-CoA quinate hydroxycinnamoyl transferase) 등