서울시립대학 환경원예학과 김승일 교수 연구팀이 경희대학교 연구팀(정기홍 유전공학과 교수)과의 공동연구를 통해 식물 유전체 내에 다수로 존재하는 전이인자에서 유래된 유전자들이 다양한 서열 및 기능을 획득하게 된 진화기작을 규명했다.

연구 결과는 생명과학 분야 국제 학술지 Nucleic acid research(IF=16.971, 상위 2.71%)에 11월 2일자로 ‘Recurrent mutations promote widespread structural and functional divergence of MULE-derived genes in plants’라는 제목으로 온라인 게재됐다.

김승일 교수는 “본 연구는 FAR1이라는 유전자에 대하여, 전체 식물 종의 유전자 정보 업데이트, 비교 유전체 및 기능분석을 수행한 종합선물세트와 같은 결과물이다.”라고 설명했다. 또한 “유전자의 진화기작을 이해하면 기능이 어떻게 생성되었는지 이해할 수 있으며 이를 바탕으로 중요 형질 연관 유전자를 밝혀낼 수 있을 것이다.”라고 덧붙였다.

전이인자(Transposable elements)는 유전체 내에 가장 많은 부분을 차지하는 DNA 서열이지만 생명체 내에서 그 역할은 잘 알려지지 않았다. 연구팀은 전이인자의 한 종류인 MULE(Mutator-like elements)로부터 유래한 전사인자인 FAR1(FAR-RED IMPAIRED) 유전자들을 식물 80종에 대한 유전체 정보에서 재 동정하여 종합적인 비교 유전체 및 기능 분석을 수행했다.

재 동정 결과로 발견한 18,744개의 FAR1 유전자 중 15,536개(83%)는 기존의 유전자 정보에 없던 새롭게 발견된 유전자들이었으며, 그 중 대다수(82%)는 벼, 밀과 같은 단자엽 식물의 유전자들이었다. 

FAR1은 FAR1(F), MULE(M), SWIM(S) 도메인으로 구성되는데 FM, F, FMS 구조의 유전자가 전체의 90%를 차지했다. 일반적으로 유전자의 구조가 다르면 다른 계통으로부터 유래하여 기능 등이 다를 수 있지만, 세 가지 유형의 FAR1 유전자들은 전 계통에 고르게 분포하였으며, 이는 공통 조상으로부터 유래하였음을 의미한다.

연구팀은 이와 같은 현상이 반복되는 서열 변이가 FAR1 유전자에 발생하여 조기 번역 종료(Premature translation termination)를 일으켜 FMS의 구조가 F 또는 FM으로 짧아지게 되었다는 것을 밝혀냈다.

이는 식물 유전체 전반에 걸쳐 일어난 현상으로, 반복적 서열 변이가 광합성 관련 전사인자인 FAR1 유전자 구조의 다양화, 식물 종 특이적 유전자 형성에 기여했음을 의미한다.

연구팀은 벼에서 꽃가루 내 전사기작을 조절하여 수정에 관여하는 새로운 FAR1 유전자를 발견했는데, 해당 유전자는 서열 변이에 의해 FMS에서 FM 구조로 짧아지며 기능을 획득한 것임을 확인하였다.

연구는 한국연구재단의 대통령 포스닥 펠로우쉽 프로그램 및 연구재단의 중견연구, 농촌진흥청의 차세대 바이오그린 21 프로그램의 지원을 받아 수행되었다.