[논문]방사선 스트레스 반응 방어 유전자의 탐색 및 발현 분석

박누리; 하혜정; 사미나단 수브라야; 최서희; 전용삼; 진용태; 도옥화; 쉬프라 쿠마리; 이긍주

doi:10.5010/jpb.2016.43.3.359

방사선 스트레스 반응 방어 유전자의 탐색 및 발현 분석
Expression profile of defense-related genes in response to gamma radiation stress 원문보기

Journal of plant biotechnology = 식물생명공학회지, v.43 no.3, 2016년, pp.359 - 366

박누리 (충남대학교 원예학과) , 하혜정 (충남대학교 원예학과) , 사미나단 수브라야 (충남대학교 원예학과) , 최서희 (충남대학교 원예학과) , 전용삼 (충남대학교 원예학과) , 진용태 (충남대학교 원예학과) , 도옥화 (충남대학교 원예학과) , 쉬프라 쿠마리 (충남대학교 원예학과) , 이긍주 (충남대학교 원예학과)

초록
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자주달개비는 닭의장풀과의 다년생 식물로, 자주달개비의 수술털은 이온화 방사선에 노출될 경우 분홍색 또는 흰색으로 체세포 돌연변이가 쉽게 일어나 방사선 지표식물로 생물학적인 반응 연구 등에 효과적으로 이용되어 왔다. 본 연구에서는, 자주달개비 BNL 4430을 대상으로 50, 250, 500, 1000 mGy에 해당하는 감마선($^{60}Co$)을 조사한 후 13일차에 있는 샘플을 대상으로 만개한 꽃을 채취하여 RNA를 추출하였다. 추출한 RNA를 바탕으로 Illumina Hi-seq를 이용하여 각 선량에 해당하는 전사체 및 특이발현유전자(Differentially expressed genes, DEGs)를 분석하였다. 전사체는 총 77,326개로, 방사선 비처리구에 비해 2배 이상 상향 발현된 유전자는 50 mGy에서 116개, 250 mGy에서 222개, 500 mGy에서 246개, 1000 mGy에서 308개로 밝혀졌으며, 이 중 각 선량별 특이적으로 반응하는 유전자인 heat shock protein 70 famaily protein, IQ-domain 6, KAR-UP oxidoreductase, zinc transporter 1 precursor를 선발하여 13일차의 RNA 샘플을 대상으로 RT-PCR 및 qRT-PCR을 이용하여 저선량 방사선에 반응하는 유전자를 검정하였다. 검정 결과 DEGs data와 매우 유사한 양상을 보였으며, 선량별로 2.3배에서 최대 96.59배의 높은 발현을 확인하였다. 선발한 유전자는 대부분 세포 내 방어기작과 관련이 되어있는 유전자였으며, 이중 KAR-UP oxidoreductase의 경우 A. thaliana에서 발아와 관련이 있는 유전자로 알려져 있었는데, 이번 연구를 통해 저선량 방사선에 의해서 반응하는 유전자로도 확인이 되었다. 저선량 방사선에 노출된 자주달개비의 유전자 정보를 바탕으로, 저선량의 방사선이 식물체에 미치는 영향과 발현 기작을 연구하는 데에 분자적 수준의 정보를 제공할 수 있게 되었으며, 저선량 방사선의 생물학적 안정성 확보를 위한 감시 보조수단으로 자주달개비가 유용하게 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

Abstract ▼ AI-Helper

Tradescantia is a perennial plant in the family of Commelinaceae. It is known to be sensitive to radiation. In this study, Tradescantia BNL 4430 was irradiated with gamma radiation at doses of 50 to 1,000 mGy in a phytotron equipped with a $^{60}Co$ radiation source at Korea Atomic Energy Research Institute, Korea. At 13 days after irradiation, we extracted RNA from irradiated floral tissues for RNA-seq. Transcriptome assembly produced a total of 77, 326 unique transcripts. In plantlets exposed to 50, 250, 500, and 1000 mGy, the numbers of up-regulated genes with more than 2-fold of expression compared that in the control were 116, 222, 246, and 308, respectively. Most of the up-regulated genes induced by 50 mGy were heat shock proteins (HSPs) such as HSP 70, indicating that protein misfolding, aggregation, and translocation might have occurred during radiation stress. Similarly, highly up-regulated transcripts of the IQ-domain 6 were induced by 250 mGy, KAR-UP oxidoreductase 1 was induced by 500 mGy, and zinc transporter 1 precursor was induced by 1000 mGy. Reverse transcriptase (RT) PCR and quantitative real time PCR (qRT-PCR) further validated the increased mRNA expression levels of selected genes, consistent with DEG analysis results. However, 2.3 to 97- fold higher expression activities were induced by different doses of radiation based on qRT-PCR results. Results on the transcriptome of Tradescantia in response to radiation might provide unique identifiers to develop in situ monitoring kit for measuring radiation exposure around radiation facilities.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 방사선에 민감한 자주달개비 T-4430 종간잡종 유전자원을 대상으로 하여 0, 50, 250, 500, 1000 mGy에 해당하는 저선량의 방사선을 조사한 후, RNA-seq을 통해 얻은 전사체 정보를 바탕으로 선량별로 발현차이를 보이는 유전자들을 우선 찾아내고, 발현기작과 방사선 조사에 따른 반응 기작을 알아보고자 실험을 수행하였다. 따라서 본 연구를 통해 얻어진 유전자 및 발현정보는 저선량의 감마선에 특이적으로 반응하여 조절되는지를 유전자 전사(transcription) 수준에서 검증하고, 최종적으로 자주달개비의 저선량 방사선 지표 유전자로서 방사선 피폭과 정량적 변화를 세포수준에서 모니터링할 수 있는지 알아보고자 한다.
하지만 저선량의 방사선 조사 이후, 자주달개비의 세포 내에서 반응을 보이는 유전자에 대한 정보와 이들 유전자 발현 상의 변화를 분석한 연구는 이제까지 보고된 바가 없다. 따라서 본 연구에서는 방사선에 민감한 자주달개비 T-4430 종간잡종 유전자원을 대상으로 하여 0, 50, 250, 500, 1000 mGy에 해당하는 저선량의 방사선을 조사한 후, RNA-seq을 통해 얻은 전사체 정보를 바탕으로 선량별로 발현차이를 보이는 유전자들을 우선 찾아내고, 발현기작과 방사선 조사에 따른 반응 기작을 알아보고자 실험을 수행하였다. 따라서 본 연구를 통해 얻어진 유전자 및 발현정보는 저선량의 감마선에 특이적으로 반응하여 조절되는지를 유전자 전사(transcription) 수준에서 검증하고, 최종적으로 자주달개비의 저선량 방사선 지표 유전자로서 방사선 피폭과 정량적 변화를 세포수준에서 모니터링할 수 있는지 알아보고자 한다.

제안 방법

합성된 cDNA를 template으로 유전자 증폭을 진행하였다(Table 2). PCR 산물은 1.0% agarose gel에 Ecodye (Bioneer, Korea)를 사용하여 염색한 후, band를 확인하였다.
0 kit로 cDNA 합성 및 증폭을 진행하였다. PCR을 위해 사용한 total RNA는 200 ng으로 정량하였고, primer는 각 유전자 4종의 염기서열에 대한 특이적인 primer를 제작하였다(Table 1). PCR반응은 42°C에서 1시간동안 반응시킨 후 99°C에서 5분간 reverse transcriptase를 inactivation 시켰다.
Total RNA의 추출은 Geneall Hybrid-R RNA kit를 사용하였다. RT-PCR은 TaKaRa PCR Thermal Cycler (TaKaRa TP600, Japan)을 이용하여 TaKaRa RNA PCR kit (AMV) Version 3.0 kit로 cDNA 합성 및 증폭을 진행하였다. PCR을 위해 사용한 total RNA는 200 ng으로 정량하였고, primer는 각 유전자 4종의 염기서열에 대한 특이적인 primer를 제작하였다(Table 1).
Threshold cycle(Ct) 값에 의한 발현량 분석은 2-△△Ct으로 계산하였고, △△Ct은 방사선 처리 식물체(Cttarget gene – Ctactin gene) – 방사선 비처리 식물체(Cttarget gene – Ctactin gene)에 의해 계산하여 수치화 하였다(Livak and Schmittgen 2001).
qRT-PCR은 각 선량별 방사선을 조사한 화기조직에서 total RNA 250 ng을 TaKaRa PrimeScript 1^st strand cDNA Synthesis kit(TaKaRa, Japan)를 이용하여 cDNA를 합성하고, 1/100로 희석한 것으로 template을 사용하였다. 희석한 template 4 ul, 2X SYBR Green (Geneer, Korea) 10 ul, 10 uM gene-specific primer(Table 3)를 각 0.
또한 annotation data로부터 얻어진 염기서열을 바탕으로 단자엽 모델식물인 벼(Oryza sativa), 옥수수(Zea mays), 숲개밀(Brachypodium distachyon)과 쌍자엽 모델식물인 애기장대(Arabidopsis thaliana), 대두(Glycine max), 토마토(Solanum lycopersicum), 유채(Brassica napus) 등 총 7개의 식물체의 유전자들을 가지고 각각 해당하는 유전자의 유연관계를 분석하였다. 유전자간 유연관계 분석은 MEGA version 6.
정제한 데이터를 이용하여 자주달개비의 선량별 유전자 세트를 생성하기 위하여 de nove transcriptome assembly를 수행하였으며, 생성된 유전자 세트를 이용하여 각 샘플의 발현값을 측정하였다. 마지막으로 측정된 발현값을 이용하여 DEG (differentially expressed gene)를 추출하고, clustering 기법을 이용하여 각각의 선량에서 상향 조절(up-regulated genes) 혹은 하향 조절(down-regulated genes)된 유전자들의 정보를 확보하였다.
방사선 비처리구에 비하여 최소 2배 이상의 높은 발현차이를 보이는 유전자 중 각 선량별로 특이적으로 up-regulated 되는 유전자 4개를 최종 선발하여 후속 검증실험을 실시하였다. 이들 유전자들의 기능분석은 Phytozome (http://www.
방사선 조사 후 시간에 따른 수술털 색의 변화를 조사하여, 변화율이 가장 높았던 13일 째 자주달개비 화기조직으로부터 total RNA를 추출하였고, 전기영동 분석과 Spectrophotometer 분석을 통해 추출한 total RNA의 순도와 농도를 확인하였다(manuscript in preparation). 전사체 염기서열 분석은 Illumina Hi-seq 2000을 이용하여 약 230 K의 전사체로부터 총 287 mbp의 염기서열 정보를 확보하였다(manuscript in preparation).
자주달개비는 닭의장풀과의 다년생 식물로, 자주달개비의 수술털은 이온화 방사선에 노출될 경우 분홍색 또는 흰색으로 체세포 돌연변이가 쉽게 일어나 방사선 지표식물로 생물학적인 반응 연구 등에 효과적으로 이용되어 왔다. 본연구에서는, 자주달개비 BNL 4430을 대상으로 50, 250, 500, 1000 mGy에 해당하는 감마선(⁶⁰Co)을 조사한 후 13일차에 있는 샘플을 대상으로 만개한 꽃을 채취하여 RNA를 추출하였다. 추출한 RNA를 바탕으로 Illumina Hi-seq를 이용하여각 선량에 해당하는 전사체 및 특이발현유전자(Differentially expressed genes, DEGs)를 분석하였다.
선량별 방사선 처리구와 비처리구에서 RNA를 추출하여 heat shock protein 70에 특이적인 primer를 디자인하여 유전자 발현 정도를 DEG, RT-PCR, qRT-PCR를 사용하여 비교 분석하였다(Fig. 1A). 분석 결과, DEG 결과와 RT-PCR, qRT-PCR 패턴이 상당히 유사하며, 저선량 스트레스 처리시 heat shock protein 70 유전자의 발현은 50 mGy에서 2.
본 연구에 이용한 자주달개비 T-4430 식물은 한국원자력연구원 정읍 첨단방사선연구소에서 분양 받은 자원으로 영양번식을 통해 개체를 증식시키면서 유지하였다. 유리온실 하에서 직경 15 cm의 화분에 3개월 이상 생육시킨 후 꽃대가 올라온 식물체 전체를 대상으로 방사선 조사 실험을 진행하였다. 조사 시기는 3월 19일로 방사선 처리는 한국원자력연구원 정읍 연구소에 있는 감마파이토트론(gammaphytotron)을 사용하였고, 25°C에서 감마선(⁶⁰Co)을 0, 50, 250, 500, 1000 mGy의 선량별로 4개의 화분에 조사하였다.
방사선 비처리구에 비하여 최소 2배 이상의 높은 발현차이를 보이는 유전자 중 각 선량별로 특이적으로 up-regulated 되는 유전자 4개를 최종 선발하여 후속 검증실험을 실시하였다. 이들 유전자들의 기능분석은 Phytozome (http://www.phytozome.net/) 데이터베이스에 존재하는 약 40종의 식물 유전체 정보들과 비교하여 실시하였고, 추가로 NCBI의 Basic Local Alignment and Search Tool (BLAST, http://www.ncbi.nlm.nih.gov/blast/)의 검색을 수행하였다.
방사선 조사 후 시간에 따른 수술털 색의 변화를 조사하여, 변화율이 가장 높았던 13일 째 자주달개비 화기조직으로부터 total RNA를 추출하였고, 전기영동 분석과 Spectrophotometer 분석을 통해 추출한 total RNA의 순도와 농도를 확인하였다(manuscript in preparation). 전사체 염기서열 분석은 Illumina Hi-seq 2000을 이용하여 약 230 K의 전사체로부터 총 287 mbp의 염기서열 정보를 확보하였다(manuscript in preparation).
추출한 RNA를 바탕으로 Illumina Hi-seq를 이용하여각 선량에 해당하는 전사체 및 특이발현유전자(Differentially expressed genes, DEGs)를 분석하였다. 전사체는 총 77,326개로, 방사선 비처리구에 비해 2배 이상 상향 발현된 유전자는 50 mGy에서 116개, 250 mGy에서 222개, 500 mGy에서 246개, 1000 mGy에서 308개로 밝혀졌으며, 이 중 각 선량별 특이적으로 반응하는 유전자인 heat shock protein 70 famaily protein, IQ-domain 6, KAR-UP oxidoreductase, zinc transporter 1 precursor를 선발하여 13일차의 RNA 샘플을 대상으로 RT-PCR 및 qRT-PCR을 이용하여 저선량 방사선에 반응하는 유전자를 검정하였다. 검정 결과 DEGs data와 매우 유사한 양상을 보였으며, 선량별로 2.
정제한 데이터를 이용하여 자주달개비의 선량별 유전자 세트를 생성하기 위하여 de nove transcriptome assembly를 수행하였으며, 생성된 유전자 세트를 이용하여 각 샘플의 발현값을 측정하였다. 마지막으로 측정된 발현값을 이용하여 DEG (differentially expressed gene)를 추출하고, clustering 기법을 이용하여 각각의 선량에서 상향 조절(up-regulated genes) 혹은 하향 조절(down-regulated genes)된 유전자들의 정보를 확보하였다.
조사 시기는 3월 19일로 방사선 처리는 한국원자력연구원 정읍 연구소에 있는 감마파이토트론(gammaphytotron)을 사용하였고, 25°C에서 감마선(60Co)을 0, 50, 250, 500, 1000 mGy의 선량별로 4개의 화분에 조사하였다.
본연구에서는, 자주달개비 BNL 4430을 대상으로 50, 250, 500, 1000 mGy에 해당하는 감마선(⁶⁰Co)을 조사한 후 13일차에 있는 샘플을 대상으로 만개한 꽃을 채취하여 RNA를 추출하였다. 추출한 RNA를 바탕으로 Illumina Hi-seq를 이용하여각 선량에 해당하는 전사체 및 특이발현유전자(Differentially expressed genes, DEGs)를 분석하였다. 전사체는 총 77,326개로, 방사선 비처리구에 비해 2배 이상 상향 발현된 유전자는 50 mGy에서 116개, 250 mGy에서 222개, 500 mGy에서 246개, 1000 mGy에서 308개로 밝혀졌으며, 이 중 각 선량별 특이적으로 반응하는 유전자인 heat shock protein 70 famaily protein, IQ-domain 6, KAR-UP oxidoreductase, zinc transporter 1 precursor를 선발하여 13일차의 RNA 샘플을 대상으로 RT-PCR 및 qRT-PCR을 이용하여 저선량 방사선에 반응하는 유전자를 검정하였다.
PCR반응은 42°C에서 1시간동안 반응시킨 후 99°C에서 5분간 reverse transcriptase를 inactivation 시켰다. 합성된 cDNA를 template으로 유전자 증폭을 진행하였다(Table 2). PCR 산물은 1.
strand cDNA Synthesis kit(TaKaRa, Japan)를 이용하여 cDNA를 합성하고, 1/100로 희석한 것으로 template을 사용하였다. 희석한 template 4 ul, 2X SYBR Green (Geneer, Korea) 10 ul, 10 uM gene-specific primer(Table 3)를 각 0.4 ul, DEPC 처리한 T.D.W. 0.2 ul를 혼합하여 Illumina Eco 기기를 이용하여 유전자의 발현 양상을 분석하였다. Threshold cycle(Ct) 값에 의한 발현량 분석은 2^-△△Ct으로 계산하였고, △△Ct은 방사선 처리 식물체(Ct_{target gene} – Ct_{actin gene}) – 방사선 비처리 식물체(Ct_{target gene} – Ct_{actin gene})에 의해 계산하여 수치화 하였다(Livak and Schmittgen 2001).

대상 데이터

감마선 조사 13일 후, 방사선 처리를 한 자주달개비를 대상으로 화기조직을 채취하여, 액체질소로 동결시킨 후 마쇄하여 100 mg의 샘플을 total RNA를 추출하는데 사용하였다. Total RNA의 추출은 Geneall Hybrid-R RNA kit를 사용하였다.
본 연구에 이용한 자주달개비 T-4430 식물은 한국원자력연구원 정읍 첨단방사선연구소에서 분양 받은 자원으로 영양번식을 통해 개체를 증식시키면서 유지하였다. 유리온실 하에서 직경 15 cm의 화분에 3개월 이상 생육시킨 후 꽃대가 올라온 식물체 전체를 대상으로 방사선 조사 실험을 진행하였다.
그 중 방사선 비조사 대조구와 비교하여 높은 발현 차이를 보이는 유전자 중 선량별로 특이적으로 발현이 증가된 유전자는 총 2,296개였고, 그 중 방사선 비처리구에 비해 2배 이상 발현 차이를 보이는 유전자는 각 선량 별로 116, 222, 246, 308개였다. 한편 방사선 비처리구에 비하여 최소 2배 이상의 높은 발현값을 가지는 유전자 중 각 선량에서 특이적으로 발현이 증가된 유전자 4개를 선별하였는데(Table 4), 이들 유전자로는 Heat shock protein 70 family protein, IQ-domain 6, KAR-UP oxidoreductase, zinc transporter 1 precursor가 포함된다. 이들의 특징은 주로 세포가 스트레스를 받았을 때 세포 내 방어 및 신호전달 기작과 밀접한 관련이 되어있는 것으로 보고되고 있다(Samali and Cotter 1996; Jäättelä et al.

데이터처리

또한 annotation data로부터 얻어진 염기서열을 바탕으로 단자엽 모델식물인 벼(Oryza sativa), 옥수수(Zea mays), 숲개밀(Brachypodium distachyon)과 쌍자엽 모델식물인 애기장대(Arabidopsis thaliana), 대두(Glycine max), 토마토(Solanum lycopersicum), 유채(Brassica napus) 등 총 7개의 식물체의 유전자들을 가지고 각각 해당하는 유전자의 유연관계를 분석하였다. 유전자간 유연관계 분석은 MEGA version 6.0 프로그램(Kumar et al. 2001)을 이용하였다.

성능/효과

1000 mGy 이하의 저선량의 이온화 방사선에서 반응하는 자주달개비 T-4430 자연 잡종개체로부터 total RNA를 추출하여 EST 염기서열 정보를 분석한 결과 총 77, 326개의 전사체(전사체 평균 길이 약 850 bp)를 얻을 수 있었다(manuscript in preparation). 그 중 방사선 비조사 대조구와 비교하여 높은 발현 차이를 보이는 유전자 중 선량별로 특이적으로 발현이 증가된 유전자는 총 2,296개였고, 그 중 방사선 비처리구에 비해 2배 이상 발현 차이를 보이는 유전자는 각 선량 별로 116, 222, 246, 308개였다.
2009). 각각의 선량에서 방사선 비처리구와 KAR-UP oxidoreductase 유전자 발현 정도를 비교한 결과한 결과, RNA-seq을 통해 얻은 전사체의 DEG 값과 RT-PCR, qRT-PCR패턴이 유사하다는 사실을 검증할 수 있었다(Fig. 3A).
전사체는 총 77,326개로, 방사선 비처리구에 비해 2배 이상 상향 발현된 유전자는 50 mGy에서 116개, 250 mGy에서 222개, 500 mGy에서 246개, 1000 mGy에서 308개로 밝혀졌으며, 이 중 각 선량별 특이적으로 반응하는 유전자인 heat shock protein 70 famaily protein, IQ-domain 6, KAR-UP oxidoreductase, zinc transporter 1 precursor를 선발하여 13일차의 RNA 샘플을 대상으로 RT-PCR 및 qRT-PCR을 이용하여 저선량 방사선에 반응하는 유전자를 검정하였다. 검정 결과 DEGs data와 매우 유사한 양상을 보였으며, 선량별로 2.3배에서 최대 96.59배의 높은 발현을 확인하였다. 선발한 유전자는 대부분 세포 내 방어기작과 관련이 되어있는 유전자였으며, 이중 KAR-UP oxidoreductase 의 경우 A.
1000 mGy 이하의 저선량의 이온화 방사선에서 반응하는 자주달개비 T-4430 자연 잡종개체로부터 total RNA를 추출하여 EST 염기서열 정보를 분석한 결과 총 77, 326개의 전사체(전사체 평균 길이 약 850 bp)를 얻을 수 있었다(manuscript in preparation). 그 중 방사선 비조사 대조구와 비교하여 높은 발현 차이를 보이는 유전자 중 선량별로 특이적으로 발현이 증가된 유전자는 총 2,296개였고, 그 중 방사선 비처리구에 비해 2배 이상 발현 차이를 보이는 유전자는 각 선량 별로 116, 222, 246, 308개였다. 한편 방사선 비처리구에 비하여 최소 2배 이상의 높은 발현값을 가지는 유전자 중 각 선량에서 특이적으로 발현이 증가된 유전자 4개를 선별하였는데(Table 4), 이들 유전자로는 Heat shock protein 70 family protein, IQ-domain 6, KAR-UP oxidoreductase, zinc transporter 1 precursor가 포함된다.
따라서 자주달개비의 zinc transporter 유전자도 소포체 내의 아연 이온 농도의 변화를 가져와 방사선 스트레스로부터 식물체를 보호 또는 방어하는 기작을 보일 것으로 여겨진다. 단자엽과 쌍자엽 대표식물 7종에 있는 zinc transporter 유전자와 유사성을 확인해본 결과, 자주달개비는 옥수수, 애기장대, 유채와 유사성을 보이는 것을 확인할 수 있었다(Fig. 4 B).
1A). 분석 결과, DEG 결과와 RT-PCR, qRT-PCR 패턴이 상당히 유사하며, 저선량 스트레스 처리시 heat shock protein 70 유전자의 발현은 50 mGy에서 2.1배, 100 mGy에서 96.6배, 250 mGy에서 11.2배, 500 mGy에서 5.9배, 1000 mGy에서 9.5배로 방사선 스트레스 처리를 한 식물체가 전반적으로 높은 발현을 보이고 있다.
IQ-domain은 신호전달에 관여하는 calmodulin과 결합하는 핵 단백질로 calmodulin은 Ca²⁺과 특이적으로 결합하는 단백질이다. 선량별 방사선 처리구와 비처리구에서 RNA를 추출하여 IQ-domain 유전자 발현 정도를 분석한 결과, RNA-seq을 통해 얻은 DEG 값과 RT-PCR, qRT-PCR 패턴이 유사하다는 사실을 확인할 수 있었다(Fig. 2A).
2004). 선량별 방사선 처리구와 비처리구에서 zinc transporter precursor 유전자발현 정도를 DEG, RT-PCR, qRT-PCR를 사용하여 분석한 결과, DEG 값과 RT-PCR, qRT-PCR 패턴이 상당히 유사함을 확인 할 수 있었다(Fig. 4A).
59배의 높은 발현을 확인하였다. 선발한 유전자는 대부분 세포 내 방어기작과 관련이 되어있는 유전자였으며, 이중 KAR-UP oxidoreductase 의 경우 A. thaliana에서 발아와 관련이 있는 유전자로 알려져 있었는데, 이번 연구를 통해 저선량 방사선에 의해서 반응하는 유전자로도 확인이 되었다. 저선량 방사선에 노출된 자주달개비의 유전자 정보를 바탕으로, 저선량의 방사선이 식물체에 미치는 영향과 발현 기작을 연구하는 데에 분자적 수준의 정보를 제공할 수 있게 되었으며, 저선량 방사선의 생물학적 안정성 확보를 위한 감시 보조수단으로 자주달개비가 유용하게 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
이는 방사선을 처리한 경우 세포 내 신호전달 과정에 영향을 끼쳐 세포막의 Ca²⁺ 이온 전달에 관여하는 IQ-domain에 영향을 주었을 것이라는 가능성을 시사해 주고 있다. 실험에 사용한 유전자를 단자엽과 쌍자엽 모델식물 7종에 있는 IQ-domain 유전자와 비교한 결과, 숲개밀과 애기장대의 유전자와 유전적 유사도가 높은 것을 알 수 있다(Fig. 2B). 식물체에 열 스트레스가 가해지면 세포 세포질 안에 Ca²⁺ 농도의 상승을 유도하게 되고, Ca2+과 calmodulin이 이러한 환경변화 조건에서 신호 전달 경로를 조절하는 역할을 하는 것과 유사한 반응기작이라고 할 수 있다(Gong et al.
따라서 이번 저선량 방사선 처리의 경우에도 UV-B를 처리한 것과 비슷하게 강한 에너지 자극을 주었기 때문에 KAR-UP oxidoreductase가 발현을 높게 했을 것이라는 가능성을 보여준다. 실험에 사용한 유전자를 단자엽과 쌍자엽 모델식물 7종에 있는 KAR-UPoxidoreductase 유전자와 비교한 결과, 대두, 유채, 숲개밀, 벼와 유사성을 가지고 있는 것을 확인할 수 있었다(Fig. 3B). KAR-UP oxidoreductase의 경우 그동안 애기장대에서 발아와 관련된 실험이 진행되어 왔으나, 이번 실험을 통하여 이 유전자가 식물체에 저선량 방사선을 처리하였을 때, 세포 내 방어 기작에도 관련될 가능성이 있을 것으로 보여진다.
6배의 가장 높은 발현율을 보였던 결과로 비추어 볼 때 비생물학적 스트레스인 감마선 조사, 특히 저선량의 방사선 처리에도 heat shock protein 70이 선량 특이적으로 민감하게 반응함을 알 수 있었다. 실험에 사용한 유전자를 단자엽과 쌍자엽 모델식물 7종에 있는 heat shock protein 70 유전자와 비교한 결과, 자주달개비의 heat shock protein 70 유전자는 벼와 애기장대의 유전자와 가장 가까운 것을 알 수 있다(Fig. 1B).
이 실험에서 검증한 유전자인 heat shock protein, IQ-domain, zinc transporter의 경우 세포 내 단백질의 구조적 변성에 관여하여, 칼슘 또는 아연 이온의 결합과 세포 내 신호전달 기작에 영향을 주어 식물체가 방사선 스트레스 환경에 놓였을 때 생육 또는 대사의 변화를 유도할 것으로 해석된다. 따라서 방사선 선량 특이적으로 민감하게 반응하는 이들 유전자들의 발현 차이를 실시간으로 모니터링 하게 된다면 방사선 피폭을 사전에 감지하거나, 사고 지역에서 환경복원 시점을 예측할 수 있는 수단으로도 활용이 가능할 것으로 여겨진다.
저선량 스트레스 처리시 IQ-domain 유전자의 발현은 50mGy에서 1.6배, 100 mGy에서 1.5배, 250 mGy에서 2.3배, 500mGy에서 1.6배, 1000 mGy에서 1.7배로 방사선 스트레스 처리를 한 식물체가 전반적으로 높은 발현을 보이고 있었다. 이는 방사선을 처리한 경우 세포 내 신호전달 과정에 영향을 끼쳐 세포막의 Ca²⁺ 이온 전달에 관여하는 IQ-domain에 영향을 주었을 것이라는 가능성을 시사해 주고 있다.
저선량 스트레스 처리시 유전자의 발현은 50 mGy에서 1.3배, 100 mGy에서 0.4배, 250 mGy에서 7.5배, 500 mGy에서 6.5배, 1000 mGy에서 6.3배로 방사선 스트레스 처리를 한 식물체 중에서도 250 mGy 이상의 선량에서 전반적으로 높은 발현을 보이고 있다. 식물체에 방사선을 조사하게 되면, 식물체 내부에서는 단백질이 합성되는 과정에서 단백질의 구조적 변화(unfolding 혹은 misfolding)가 일어나게 되고, 작은 크기의 단백질들의 축적이 소포체와 같이 다른 세포 소기관에서 방어기능을 담당하게 됨을 보고하고 있다(Miaoyinget al.
특히 저선량인 100 mGy에서는 방사선 비처리구에 비하여 96.6배의 가장 높은 발현율을 보였던 결과로 비추어 볼 때 비생물학적 스트레스인 감마선 조사, 특히 저선량의 방사선 처리에도 heat shock protein 70이 선량 특이적으로 민감하게 반응함을 알 수 있었다. 실험에 사용한 유전자를 단자엽과 쌍자엽 모델식물 7종에 있는 heat shock protein 70 유전자와 비교한 결과, 자주달개비의 heat shock protein 70 유전자는 벼와 애기장대의 유전자와 가장 가까운 것을 알 수 있다(Fig.

후속연구

이 실험에서 검증한 유전자인 heat shock protein, IQ-domain, zinc transporter의 경우 세포 내 단백질의 구조적 변성에 관여하여, 칼슘 또는 아연 이온의 결합과 세포 내 신호전달 기작에 영향을 주어 식물체가 방사선 스트레스 환경에 놓였을 때 생육 또는 대사의 변화를 유도할 것으로 해석된다. 따라서 방사선 선량 특이적으로 민감하게 반응하는 이들 유전자들의 발현 차이를 실시간으로 모니터링 하게 된다면 방사선 피폭을 사전에 감지하거나, 사고 지역에서 환경복원 시점을 예측할 수 있는 수단으로도 활용이 가능할 것으로 여겨진다.
2011). 따라서 이러한 유전자의 발현양상과 방사선에 대하여 민감도가 검증된다면 낮은 선량의 방사선에 자주달개비 식물체가 노출되었을 경우에도 반응을 보여 방사선 지표유전자로서의 기능을 기대해 볼 수 있을 것으로 판단되었다.
thaliana에서 발아와 관련이 있는 유전자로 알려져 있었는데, 이번 연구를 통해 저선량 방사선에 의해서 반응하는 유전자로도 확인이 되었다. 저선량 방사선에 노출된 자주달개비의 유전자 정보를 바탕으로, 저선량의 방사선이 식물체에 미치는 영향과 발현 기작을 연구하는 데에 분자적 수준의 정보를 제공할 수 있게 되었으며, 저선량 방사선의 생물학적 안정성 확보를 위한 감시 보조수단으로 자주달개비가 유용하게 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	자주달개비 BNL 4430 (T-4430) 클론은 무엇이며 이거의 특징은 어떠합니까?	)는 닭의장풀과(Commelinaceae family)에 속하는 식물로 전 세계에 약 70 여 종이 분포하고 있고, 그 중 어떤 종은 이온화 방사선 또는 여러 화학물질에 노출되었을 때 체세포 변화 또는 유전적 변이가 상대적으로 쉽게 발생하여, 이러한 환경스트레스를 감지하기 위한 생물지표로 보고되고 있다(Ichikawa and Ishii 1991). 자주달개비 BNL 4430 (T-4430) 클론은 T. hirsutiflora와 T. subacaulis 간의 자연잡종개체군으로부터 선발한 교배 후대 종간 잡종으로, 돌연변이원(mutagen)에 노출이 되었을 경우 수술털 세포의 분열과정에서 남색의 수술털이 분홍색 또는 무색으로 바뀌는 체세포성 화색변화가 쉽게 일어나는 특징을 가지고 있다(Christianson 1975; Schairer et al. 1978).
	자주달개비란 무엇이며 이것의 특징은 어떠합니까?	자주달개비(Tradescantia spp.)는 닭의장풀과(Commelinaceae family)에 속하는 식물로 전 세계에 약 70 여 종이 분포하고 있고, 그 중 어떤 종은 이온화 방사선 또는 여러 화학물질에 노출되었을 때 체세포 변화 또는 유전적 변이가 상대적으로 쉽게 발생하여, 이러한 환경스트레스를 감지하기 위한 생물지표로 보고되고 있다(Ichikawa and Ishii 1991). 자주달개비 BNL 4430 (T-4430) 클론은 T.
	Heat shock protein(HSP)는 무엇에 반응합니까?	1996). 또한 식물체에서 열, 저온, UV와 같은 비생물학적 스트레스에 반응할 뿐만 아니라(lindquist and Craig 1988; Vierling 1991; Boston et al. 1996), 생물학적 스트레스인 병원균 감염, 곤충에 의한 피해에 의해서도 반응(Boston et al. 1996; Bhattarai et al. 2007; Breiman 2014)한다고 밝혀져 있다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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