연꽃 게놈 해독, 1300년 장수 비밀이 풀렸다

　

  미국과 중국, 호주, 일본의 과학자 70명으로 구성된 한 연구팀이 연꽃(Nelumbo nucifera) 게놈 서열의 86% 이상을 해독했다. 연꽃은 유전적 결함을 고치는 강력한 능력을 가져서, 노화 방지와 장수의 비밀을 가지고 있었다. 또한 연꽃은 중국에서 순결과 장수를 뜻하는 식물로 통하며, 지난 90년대 초반, 중국에서 1,300년 동안 생명력을 유지해온 연꽃 씨앗을 발견하였다.

  연꽃 유전자가 스트레스 받는 동안 유전자의 작동과 씨앗의 생존력에 대해 분자생물학적으로 설명할 수 있게 된 것이다. 연꽃이 제공할 노화방지에 대한 비밀을 캐는 데 도움이 되었다. 연꽃의 유전자 복구 메커니즘이 인간이나 쌀, 옥수수, 밀 같은 곡물에서도 가능해 진다면, 노화 방지에 매우 유용할 것으로 예측하고 있다.

  연구팀은 90년대 초에 중국 북동부의 호수바닥에서 1,300년이나 된 살아있는 연꽃 씨앗을 발견하였고, 대부분의 식물 씨앗의 수명이 20년 미만을 고려하면 매우 놀라운 발견이다. 지질학적 기록상 연꽃은 공룡이 지구에 살았던 1억 3,500만년 전부터 서식했다. 이전에 450~500년 정도된 약 100개의 연꽃 씨앗의 생존 검사 중, 수집한 씨앗들 중 80% 이상이 발아를 하는 등 세월을 거치면서 발아 결함이 생겼을지라도, 복구가 가능한 강력한 유전체계를 갖추고 있었다.

  연꽃의 유전자 복구 메커니즘의 작동과 인간에 적용 가능한 지 확인이 필요하다. 게놈의 염기서열을 해독하고, 유전자 중 장수에 영향을 끼치는 것과 유전자 손상 복구를 담당하는 유전자가 무엇인지를 알아내야 한다. 앞의 것들이 가능하다면, 인간에게 적용하여 노화방지와 장수에 이용한다.

연꽃 연구의 배경

  연꽃은 농업, 의약, 문화, 종교 등 다양한 분야에서 신성시 되는 식물이다. 7천년 전부터 아시아에서 식량작물로 뿌리, 줄기, 씨앗을 재배해왔다. 종자의 수명이 1,300년이나 되며, 뛰어난 발수성으로 유명하여 청소, 산업용 페인트와 포장에 이용되어왔다. 뿐만 아니라 암 치료 및 우울증, 설사, 심장 질환, 고혈압, 불면증에 의약품으로 이용된다.

  연꽃 과에는 연꽃 속만 있을 정도로 단일 계통이며, 크게 아시아, 호주, 러시아에 자생하는 N.nucifera와 북아메리카 동남쪽에 자생하는 N.lutea로 나뉜다. 연꽃은 Proteales(진정쌍자엽식물군) 중 가장 가까운 종이 Proteaceae과 Platanaceae에 속하는 관목이다. 연꽃은 7천년 동안 뿌리와 줄기를 재배하는 식물로 번식과정에서 유전적 병목현상을 거쳐, 종자의 수명과 진화역사에서 세대 수가 감소하였다.

  피자식물의 오래된 혈통인 중국 고대 연꽃 게놈을 일루미나와 454로 해독하여 전체 게놈 사이즈의 86,5%를 커버하는 약 929Mb를 확인하였다. 또 이를 분석하여 포도보다 30% 느린 염기변이 속도로 진화가 더디고, 따라서 더 나은 자원을 생산하였다. 고대 토지식물과 수생환경에 적응하는 등의 독특한 기능을 관장하는 유전자를 가졌으며, 연꽃 뿌리는 여섯 가지 산화효소 단백질을 가지고 있으며, 수생환경에서 제한적인 영양소를 이용하는 데 적응하여, 뿌리를 분열하는 조직에서 인산 생성에 참여하여 외떡잎 간의 비교 분석에 이용할 수 있었다.

연꽃 게놈의 특징

  중국 고대 연꽃의 게놈을 일루미나로 101배수 해독하여 94.2Gb를 생산하였고, 454로 5.2배수 해독하여 4.8Gb를 생산하였다. 연꽃 게놈은 서열 기반의 조절에 관련된 DNA를 RAD-seq(restriction associated DNA sequencing)을 수행하여 3,895개 표지자와 156개 중복서열(SSR; simple sequence repeat)로 고밀도 유전자 지도를 구축하였다. 이동성 유전인자의 47.7%가 반복서열을 차지하며, 특히 Tc1/Mariner 유전인자가 연꽃과 포도에서는 모두 결실되어 있었다. 유전자는 말초지역에 풍부하였고, 총 26,685개 단백질 발현 유전자를 예측하였다. 그 중 82%는 BLAST에 의해 식별되었고, SwissProt(단백질 DB)로 단백질의 유사성을 확인하였다.

  추가적으로 연꽃의 뿌리, 줄기, 잎의 RNA를 해독하였다. 유전자의 발현 가능성이 씨앗, 꽃 등의 조직으로 제한되어 있었고, 3,094개 단백질 발현 유전자는 뿌리와 줄기에만 위치하였다. 1,910개 유전자는 특정 조직에서 발현하며, 14,477개 유전자는 모든 조직에서 발현한다. 특히 AP2 유전자는 에틸렌 반응에 관여하는데, TFS, BTB/POZ 도메인을 포함하는 단백질, 열 충격 단백질, 호메오박스(homeobox)의 TFS, 키네신과 pentatricopeptide 반복 함유 단백질(PPRS) 등을 발현하였다.

피자식물의 게놈

  연꽃을 포함하여 16가지 피자 식물 종의 유전자를 발현하는 단백질을 클러스터링 하였다. 유사 유전자 클러스터를 식별하는 Proteinortho(v4.20)를 이용하여 4,585개 유사그룹에서 7,165개 유전자를 확인하였고, 계통 가지에서 유사 그룹의 차이를 확인하였다.

　

  피자식물의 게놈 구조를 형성하는 중요한 진화는 전체 게놈의 중복서열을 감지하는 것이다. 이는 상동 유전자의 손실을 재배열하여 확인한다. 유전자 손실은 synteny 신호를 감소하는 경향이 있기 때문에, 이를 이용하여 염기서열 사이의 거리로 진화를 유추할 수 있다. 연꽃과 포도의 synteny 지역을 확인하여 33.3%가 보존되고, 54.1%가 중복된 것을 발견하였다. 또 synteny를 비교하여 멸종된 연꽃 종의 계통분석이 가능한데, 다른 식물보다 높은 상동성(homeolog)을 유지하며, 인트론 길이의 차이로 인해 유전자 조절이 가능하다는 특징을 발견하였다.

  L 중복 연꽃 유전자는 1억 2,500년~1억 3,500년 사이 가장 가까운 계보가 갈라졌으며, 6,500년부터 연꽃의 변이속도가 느려졌다.  중복구간에서는 연꽃과 포도 각각 528개 유사그룹에서 포도의 유전자 688개가 왕머루(Vitis), 파파야(papaya), 사시나무(Populus)의 게놈에서도 관찰되었다. 다배체(Paleopolyploids)로 계통 분석하여 50%가 synteny 일치의 중복서열을 가졌으며, 연꽃과 같은 단일 그룹에서는 18~28%의 신호경로가 차이 났다.

  다배체는 진핵생물과 속씨식물에서 일반적으로 나타나는 데, 연꽃은 대부분 계통 초기에 3배체로 갈라져 나온다. 연꽃 혈통의 염기치환 속도가 느린 것과, 계통 발생 위치에 따른 피자 식물을 비교하였다. 계통 발생학적으로 3배체인 연꽃과 포도의 발산 사이에 영83개 색소체 유전자가 분화하면서 포도보다 30%정도 느리게 진화되었다. 느린 진화 속도의 원인은 뿌리와 줄기를 통해 종자의 수명과 식물의 번식이 가능한데, 높은 동형 접합의 게놈이 발견되었기 때문이다. 또한 연꽃 씨앗에서 장수, 수생환경에 적응하며 독특한 소수성과 잎의 자체 정화 등의 특징이 발견되어 수생환경에 적응하는 다른 식물과의 게놈을 비교해 볼 수 있게 되었다. 진정한 수생식물은 고유 유전자 가족이 확장되어 있는데, 저 산소, 산화환원의 잠재력, 중금속 침전 등의 원인 유전자를 가지고 있다.

침수식물의 특징

  침수식물의 성장은 독특한 생리학적 특징을 보유하는데, 연꽃은 수중 생활에 대처하기 위해 새로운 기능을 진화시켰다. 63개 단백질이 이산화탄소에 적응하는 도메인을 형성하였고, 다른 식물에 비해 구리 단백질이 풍부하고 COG2132를 발현시킨다. COG2132는 유사 클러스터 그룹을 의미하는데, 주로 인산을 생성하는 유전자 클러스터이다.

　

  애기장대는 LPR1 및 LPR2 신호경로가 분열되어 인산이 부족하지만, 연꽃은 뿌리에 국한되어 LPR1/2와 같은 단백질로 분리된 계통을 형성하였다. 또한 연꽃은 miR399에 의해 인산이 부족해도 침수생활에 적응이 가능하다. miR399는 가뭄에 노출되지 않게 하는 생리적 과정에 관여한다.

  몇 가지 다른 유전자 가족은 수중 생활에 적응하는 특이한 구성을 지닌다. 발아, 개화, 황화 등 뿌리와 꽃의 개발과 빛 반응에 관련된 Bhlh 유전자 가족에 따라 20가지 아과의 뿌리 분열 조직이 발달된다. 많은 식물 종에 걸쳐 보존된 PRR1/TOC1 유전자는 다른 식물에는 1~2개 있으나, 연꽃에는 3개 이상 존재한다. PRR 단백질이 생체 시계에 변조 빛과 온도의 핵심 역할을 하며, 따라서 연꽃이 다른 식물보다 환경에 더 민감하게 조절이 가능하다. 부른 빛의 광 수용체 CRY는 애기장대 3개, 포플러 4개에 비해 연꽃은 5개나 있다. 개화시기에 관련된 유전자 수가 증가하면서 온대와 열대 기후의 넓은 범위에서 생장하게 되었다.

맺음말

  연꽃은 농업과 의약품적 중요성뿐만 아니라, 독특한 생물학적 특징과 눈에 띄는 종자 수명 등의 특징을 가진다. 연꽃의 줄기를 개발하고 개화시기와 같은 농경과 원예 특성에 대한 연구를 하기 위해 게놈을 해독하였다. 식물 번식의 결과, 동형접합이 높은 수준으로 있었으며, 6,500만년 전에 발생한 게놈 중복으로 인해 단일 계통이 형성되었다. 뿌리에 특이적인 6개의 COG2132 구리 산화효소를 가지고 있어 수생환경에서 제한적인 영양소를 흡수가 가능해졌다. 외떡잎식물 간의 비교분석으로 연꽃의 작물 개선을 위한 뿌리, 줄기의 품질, 종자 크기 및 영양, 꽃 형태, 개화시기를 조절하는 유전자를 식별하였다.

참고문헌

Genome of the long-living sacred lotus (Nelumbo nucifera Gaertn.)

역저자

글 : Park.HyeonJi

편집 : Jeon.EunSook, Ahn.Kung

키워드 : 연꽃(Nelumbo nucifera), Proteaceae과 Platanaceae, RAD-seq(restriction associated DNA sequencing), 다배체(Paleopolyploids) 등