생화학분자생물학회

Plant Systems Genetics Laboratory

이지영

서울대학교 자연과학대학 생명과학부

[연구실소개]

  시스템유전학은 생물학적 현상을 일으키는 복잡한 유전자 조절 네트워크를 파악하고 이를 통해 네트워크의 다이내믹한 행동과 진화를 이해하는 학문분야이다. 우리 연구실은 2007년 8월 미국 코넬대학교에 위치한 Boyce Thompson Institute for Plant Research에 처음 개설된 이후 식물 뿌리 관속 조직의 패턴형성과 분화과정을 이해하기 위한 연구를 진행하여 왔다. 2012년 9월 서울대학교 자연과학대학 생명과학부로 이전하면서 식물시스템유전학 연구실로 명명하고 동일한 주제를 다각도로 연구하고 있다.

 

  최근 여러 오믹스 기술이 발전하면서 조직의 분화초기에 일어나는 복잡한 신호전달과 유전자 발현관계를 해부할 수 있게 되었다. 본 연구실은 조직 특이적인 유전자 발현 분석 기술을 도입하고 이를 한 단계 발전시켜, 세포 생성 및 분화를 조절하는 새로운 유전자를 발견하고 이들 유전자 간의 상호작용을 유추하는 데에 활용하고 있다.​

 

 

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[연구내용]

1. 뿌리 관속 조직 줄기세포의 유전자 네트워크 규명

  식물의 관속조직은 물과 양분을 운반하여 재분배하고 식물체를 지지하는 기능을 하며, 육상식물의 발달과 생리학적 현상 및 진화를 이해하는 데에 매우 중요하다. 식물이 무한생장을 하는 동안 관속조직이 지속적으로 생성이 되어야 하는데, 이를 관장하는 줄기세포를 Cambium이라 부른다 (그림 1). 본 연구실에서 관심을 갖고 있는 질문은 ‘관속조직 줄기세포가 어떻게 세포 분열과 분화를 거쳐 물관과 체관세포를 만들고 바이오메스 축적을 조절하는가?’ 이다. 이러한 질문에 대한 해답을 얻기 위해, 우선 관속조직 세포의 형성과정에 관여하는 유전자들을 찾는 작업에 착수하였고 그 일환으로 세포 타입 특이적인 전사체의 profiling을 진행하였다. 본 연구진은 여러 해외 연구자와의 협업을 통하여 Arabidopsis의 뿌리에서 세포 특이적인 전사체 지도를 생산하였고 그 가운데 관속 조직 줄기세포에 발현되는 유전자들에 대한 정보를 확보하였다.

 

  23개 세포타입의 전사체에 대한Microarray Data 분석과정을 통해 줄기세포 특이적인 발현양상을 보이는 유전자군(Module)을 도출하고 이들의 유전적 조절 관계를 전사인자들의 Perturbation을 통해 유추하는 일련의 연구를 진행하고 있는 중이다 (그림 2).

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​그림 1. 관속 조직 줄기세포의 비대칭 세포분열을 통한 세포 형성과정. Image is from Miyashima and Sebastian et al. (2013) EMBO J.

 

 

그림 2. Arabidopsis 뿌리의 세포특이적 전사체 발현 데이터 분석 파이프라인

 

 

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​2. 관속 조직 구성 세포의 형성 과정에서 일어나는 세포 간 신호전달 연구

  관속 조직의 대표적 구성 세포로서 물과 미네랄을 수송하는 물관세포와 당, 호르몬, 단백질, RNA등을 수송하는 체관세포가 있다. 이들의 전구세포가 줄기세포의 비대칭 세포분열을 거쳐 생성된 후 최종 분화되기까지 활발한 세포 간 신호전달이 일어난다. 그 가운데 본 연구실이 관심을 갖고 있는 것은 전사인자의 세포 간 이동을 통한 신호전달이다. 단백질이나 RNA의 세포 간 이동은 Plasmodesmata라는 작은 세포 간 통로를 통해 일어나는데, 식물과 같이 세포가 움직일 수 없는 시스템에서 이웃 세포와 정보를 주고 받는 데에 매우 중요한 통로로 이용된다. 흥미롭게도 몇몇 매우 중요한 전사인자들은 능동적인 방법을 이용하여 Plasmodesmata를 통과한다. 본 연구진은 SHR과 AHL3/4라는 전사인자가 세포 간 이동을 통해 관속 조직 구성세포의 분화를 조절한다는 것을 발견하고, 자세한 메카니즘을 규명하기 위한 연구를 진행 중이다 (그림 3).

 

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그림 3. SHR과 AHL3/4의 세포 간 이동을 통한 뿌리 관속 조직 구성 세포의 분화 조절 Images are from Jang and Lee (2014) Physiol. Plantarum

 

3. 뿌리 작물을 활용한 관속 조직 줄기 세포의 시스템 유전학적 연구 및 이의 활용​

  본 연구진은 무와 같은 뿌리 작물의 생산성이 뿌리 관속조직 줄기세포의 세포 분열 활성 정도에 의존한다는 것을 최근에 보고하였다. 작물의 특성이 육종을 통해 선택되는 과정에서 어떠한 유전자군이 기여하였는지를 밝히고 이러한 정보를 분자마커를 이용한 육종에 활용할 수 있도록 자료를 제공한다는 목표하에, 본 연구진은 무의 뿌리 특성을 유전체 기술을 이용하여 연구하고 있다. 뿌리 성장이 빠른 라인과 느린 라인의 유전체 상의 차이를 파악하고 뿌리 성장의 유전을 분석하는 작업을 진행 중이며, 성장의 차이를 유전자 발현 측면에서 이해하기 위해 관속조직 줄기세포와 주변 조직을 각각 Laser Capture Microdissection이라는 기술로 분리하여 전사체 프로파일링을 Next-Generation Sequencing으로 수행하고 있다.

  이러한 일련의 연구를 통하여 식물 줄기 세포가 무한 생장을 유도하는 과정을 유전자 수준에서 이해하고, 이러한 유전자 조절이 진화와 인위적인 선택과정에서 어떻게 재구성이 되었는 지 유추할 수 있을 것으로 기대하고 있다.

 

 

 

 

[연구책임자]

  

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​이지영 교수

주소: 서울시 관악구 관악로 1

서울대학교 자연과학대학 생명과학부

전화: 02-880-6537

E-mail: jl924@snu.ac.kr

Homepage: http://biosci.snu.ac.kr/jiyounglee

[연구진구성]

 

교수: 이지영

박사후 연구원: 최고

박사과정: 김효진

석사과정: 이정훈, 서민지

연구원: 구자경

​[대표논문]

 

1. Sebastian, J., Ryu, K.H., Zhou, J., Tarkowska, D., Tarkowski, P., Cho, Y.H., Yoo, S.D., Kim, E.S., and Lee, J.Y. (2015).

    PHABULOSA Controls the Quiescent Center-Independent Root Meristem Activities in Arabidopsis thaliana.

    PLoS Genet 11, e1004973.

2. Jang, G., Lee, J.H., Rastogi, K., Park, S., Oh, S.H., and Lee, J.Y. (2015) Cytokinin-dependent secondary growth determines

    root biomass in radish (Raphanus sativus L.). J. Exp. Bot. 66, 4607-4619.

3. Jang, G., and Lee, J.Y. (2014) Intercellular trafficking of transcription factors in the vascular tissue patterning.

    Physiol Plantarum 151, 184-191.

4. Zhou, J., Wang, X., Lee, J.Y., and Lee, J.Y. (2013). Cell-to-cell movement of two interacting AT-hook factors in Arabidopsis

    root vascular tissue patterning. Plant Cell 25, 187-201.

5. Miyashima, S., Sebastian, J., Lee, J.-Y., and Helariutta, Y. (2013). Stem cell function during plant vascular development.

    EMBO J 32, 178-193.

6. Carlsbecker, A., Lee, J.-Y., Roberts, C.J., Dettmer, J., Lehesranta, S., Zhou, J., Lindgren, O., Moreno-Risueno, M.A.,

    Vatén, A., Thitamadee, S., Campilho, A., Sebastian, J., Bowman, J.L., Helariutta, Y., and Benfey, P.N. (2010). Cell signalling

    by microRNA165/6 directs gene dose-dependent root cell fate. Nature 465, 316-321.

7. Cano-Delgado, A., Lee, J.-Y., and Demura, T. (2010). Regulatory Mechanisms for Specification and Patterning of Plant

    Vascular Tissues. Annu. Rev. Cell. Dev. Biol. 26, 605-637. 

  

 

 

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