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BioWave Vol. 21 No. 3

서울대학교 식물세포생물학 연구실

이유리 교수

실험실 소개

구조는 목적과 기능을 품고 있게 마련인데, 억만년의 세월을 이겨내고 살아남은 식물 세포들의 다양한 구조 속에 담긴 의미는 무엇일까? 본 연구실은 식물 세포가 세포벽의 리모델링을 통해 만들어 내는 건축물을 이해하고 그 기능을 파악하며 숨겨진 설계도를 찾아내어 그 원리를 파악해 보고자 합니다.

세포를 둘러 싸고 있는 세포벽의 존재는 식물 세포를 특징 짓는 중요 요인입니다. 세포의 특이적 활성은 세포벽의 구조와 밀접하게 연결되어 있고, 세포의 발달 및 분화는 필연적으로 세포벽의 리모델링 과정을 동반하게 됩니다. 식물세포의 신호전달 체계나 유전적 조절 메커니즘에 대한 연구들은 활발히 이루어 지고 있지만, 대부분의 연구가 세포 내의 과정에 중점을 두고 있어 세포 밖 단백질들의 조절 메커니즘이나 세포벽의 리모델링 과정에 대한 이해는 매우 제한적입니다.

본 연구실은 세포의 특이적 활성과 세포벽의 구조 사이의 연관 관계를 규명하고, 세포벽 리모델링 과정의 분자적 메커니즘을 이해하고자 합니다. 세포벽의 존재 하에서 어떻게 세포의 특이성이 구현되며, 어떻게 공간이 인식되고, 어떻게 나와 남을 구별하는가라는 근본적인 질문의 답을 구하고자 하는데, 이를 통해 세포의 기능 및 시공간 조절의 메커니즘을 이해하는 단초를 제공할 뿐 아니라, 동물과 다른 방면으로 진화해온 식물의 근본을 이해하는 토대를 제공할 것으로 기대하고 있습니다. 이와 더불어 바이오 에너지의 연료 및 석유 화학 유래제품을 대체할 바이오폴리머 자원으로 주목 받고 있는 세포벽의 특성을 고려하면, 세포벽의 분자적 메커니즘을 이해하는 것은 기초 과학뿐 아니라 산업적은 응용 면에 있어서도 많은 기여를 할 수 있을 것으로 기대합니다.

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연구분야

1. Abscission Zone을 모델로 한 세포의 운명 전환 메커니즘 연구

“세포 특이적 운명과 활성이 어떻게 결정되고 유지되는가”에 대한 답을 찾는 것은 오랜 기간 세포생물학 및 발달생물학 분야의 성배가 되어왔고 여전히 그 노력은 계속되고 있다. 본 연구는 식물의 abscission zone을 모 델로 하여 이 질문에 대한 답을 찾고자 하는데, 발달과정에서 높은 가변성(plasticity)을 보이는 식물에서의 세포 특이성이 의미하는 분자생물학적 메커니즘을 규명하고, 생리학적 조건에서 발생하는 세포의 운명 전환 과정에 대한 통합적이고 시스템적인 이해를 제시하고자 한다.

식물의 가변성은 움직이지 못하는 식물의 생존에 필수불가결한 요소이지만, 탈분화 또는 전환분화에 대한 분자 생물학적 메커니즘에 대한 우리의 이해는 매우 제한적이다. 이는 생리학적 조건에서 세포의 identity가 변하는 모델 시스템의 부재에 그 주요 원인이 있는데, 최근 선행 연구를 통해 Abscission Zone (AZ)이 cellular identity의 transition을 in vivo 상에서 연구하기에 좋은 모델시스템이 될 수 있음을 제시하였다. Abscission이 진행됨에 따라 조직의 안쪽에 있던 세포층이 바깥에 노출되게 되는데, 이 과정에서 표피세포로의 전환이 일어난다. 이는 표피세포로의 identity는 embryogenesis 기간에 결정된다는 기존의 패러다임을 바꾸는 새로운 발견인데, 지속적인 연구를 통해 이 과정에서 일어나는 세포내의 genetic/epigenetic transition의 궤적을 파악하고, 이들을 조절하는 인자와 신호전달 네트웍을 규명하고자 한다.

Abscission Zone을 모델로 한 세포의 운명 전환 메커니즘 연구

2. 세포의 기능과 구조 사이의 연관관계 규명

기술적인 한계 및 세포벽을 불변의 구조물로 바라보는 편향성 때문에 세포벽에 대한 연구는 많이 간과되어 오거나 생화학적인 분석에 국한되어 왔다. 본 연구실에서는 최근의 진일보한 세포생물학적 기법들을 이용하여 세포벽을 재조명 하고자 하며, 단순히 세포를 담고 있는 그릇으로써가 아닌 다이나믹한 유기체로써의 세포벽의 역할을 새롭게 규명하고자 한다.

3. ROS의 시공간적 다이나믹스와 분자적 메커니즘 규명

ROS는 칼슘과 더불어 세포 내 다양한 신호전달 과정에서 핵심적인 messenger로 작용하고 있다. ROS가 매개하는 신호전달 경로에 관한 보고는 매해 늘어나고 있는 추세인데, 그럼에도 불구하고 어떻게 specificity를 획득하는지, 다양한 종류의 ROS의 역할은 어떻게 다르며, 서로 다른 ROS간의 다이나믹스는 어떻게 조절되는지, ROS가 그 targets을 어떻게 찾아가는지 등의 핵심적인 작용메커니즘은 여전히 의문으로 남아있다. 우리 실험실에서는 이러한 ROS에 대한 근본적인 질문에 대한 답을 찾고자 하는데, 시공간을 조절하는데 있어 핵심적인 역할을 수행하는 ROS의 분자생물학적 메커니즘을 규명하고, ROS가 매개하는 외부 신호와 내재적 프로그램 사이의 통합에 대한 통찰을 제시하고자 한다.

ROS의 시공간적 다이나믹스와 분자적 메커니즘 규명

4. 리그닌에 의한 세포벽 리모델링의 분자생물학적 메커니즘 규명

바닷속에서 생활하던 원시 조류의 육상 정복이 성공할 수 있었던 배경에는 “리그닌”이라는 진화적 발명품이 크게 한몫을 했다. 육상과 대기라는 이원화된 시스템을 연결해주는 관다발조직, 영양분은 흡수하지만 pathogen의 침입은 막을 수 있는 뿌리 내피세포의 Casparian Strip, 종자 분출을 가능하게 하는 abscission zone의 발달에 모두 리그닌이 핵심적인 역할을 수행하고 있다. 목재의 주요 성분이기도 한 리그닌은 펄프산업 및 바이오에너지 분야에서 먼저 주목하기 시작했는데, 이뿐 아니라 화장품, 건강기능식품, 의약품 및 석유 화학 유래제품을 대체할 바이오 폴리머의 생산에 이르기까지 그 성장 잠재력은 무궁무진하다 하겠다. 이러한 중요성 및 활용 가능성에도 불구하고 리그닌의 생화학적인 pathway 조차 아직 다 밝혀져 있지 않은 상태이다. 우리 연구실에서는 다방면의 분자생물학적 연구를 통해 리그닌의 생화학적인 pathway를 규명하고, 이를 공학적으로 활용할 수 있는 방안을 모색하고자 한다.

리그닌에 의한 세포벽 리모델링의 분자생물학적 메커니즘 규명

연구성과

Selected Publications (대표논문)

Lee Y†, Yoon TH, Lee J, Jeon SY, Lee JH, Lee MK, Chen H, Yun J, Oh SY, Wen X, Cho HK, Mang H, Kwak JM† (2018)
A Lignin Molecular Brace Controls Precision Processing of Cell Walls Critical for Surface Integrity in Arabidopsis.
Cell, 173:1468-1480, († corresponding authors)

Koo JC*, Lee IC*, Dai C*, Lee Y*, Cho HK, Kim Y, Phee BK, Kim H, Lee IH, Choi SH, Park SJ, Jeon IS, Nam HG, Kwak JM (2017)
The Protein Trio RPK1-CaM4-RbohF Mediates Transient Superoxide Production to Trigger Age-Dependent Cell Death in Arabidopsis.
Cell Rep., 21:3373-3380, (* co-first authors)

Vermeer J, Wangenheim V, Barberon M, Lee Y, Stelzer E, Maizel A, Geldner N (2014)
A spatial accommodation by neighboring cells is required for organ initiation in Arabidopsis.
Science, 343:178-183

Lee Y, Rubio MC, Alassimone J, Geldner N (2013)
A mechanism for localized lignin deposition in the endodermis.
Cell, 153:402-412

Alejandro S*, Lee Y*, Tohge T*, Sudre D*, Osorio S, Park J, Bovet L, Lee Y, Geldner N, Fernie AR, Martinoia E (2012)
AtABCG29 Is a Monolignol Transporter Involved in Lignin Biosynthesis.
Curr Biol., 22:1207-1212, (* co-first authors)

지도교수: 이유리

박사후연구원: 이진수

석박통합과정 : 권명

석사연구원: 김현호

석박통합 인턴연구원: 정민정

박사과정 인턴연구원: 신예솔, 홍신애
Contact : 02-880-2136(Tel.) /
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< 본 정보는 해당 대학/연구실에서 제공하는 자료를 바탕으로 구성된 내용으로, BRIC에서 작성한 정보가 아님을 밝힙니다. >

등록 2019.02.20

[대한암학회] 제12회 대한암학회 동계 Workshop - 2020년 1월 31일(금), 서울성모병원 성의회관 마리아홀