초록 ▼

연구의 목적 및 내용
본 연구과제는 식물의 생체리듬 조절 및 체내 생리활성과 외부 환경간의 동조화에 기저된 후성유전학적 메커니즘에 대한 연구를 포함한다. 본 연구 제안은 일주기에 따른 DNA 및 히스톤의 구조적 변형에 대한 분석과 이 과정에 관여하는 조절인자를 동정하는 연구로 구성되며, 이를 통해 궁극적으로 식물 내부 발달 신호와 환경 신호가 어떻게 일주기 환경 하에 융합되고 조율되는지에 대한 분자적 원리를 정립하고자 한다.

연구결과
본 연구에서는 식물의 크로마틴 구조가 하루 주기로 역동적인 변화를 보이고 있

연구의 목적 및 내용
본 연구과제는 식물의 생체리듬 조절 및 체내 생리활성과 외부 환경간의 동조화에 기저된 후성유전학적 메커니즘에 대한 연구를 포함한다. 본 연구 제안은 일주기에 따른 DNA 및 히스톤의 구조적 변형에 대한 분석과 이 과정에 관여하는 조절인자를 동정하는 연구로 구성되며, 이를 통해 궁극적으로 식물 내부 발달 신호와 환경 신호가 어떻게 일주기 환경 하에 융합되고 조율되는지에 대한 분자적 원리를 정립하고자 한다.

연구결과
본 연구에서는 식물의 크로마틴 구조가 하루 주기로 역동적인 변화를 보이고 있음을 제시하였다. DNA 메틸화, 히스톤의 아세틸화, 메틸화, 히스톤 variant의 교체 등의 메커니즘이 전반적으로 생체시계를 조절하는데 관여하는 것을 보고하였고, 특히 정교한 생체리듬의 정립은 식물의 환경적응성에 크게 기여한다는 사실을 함께 제시하였다.

지난 3년간의 연구를 정리하면 두 가지의 독립적인 연구가 중심축을 이루었는데, specific aim 1은 생체시계를 조절하는 크로마틴 리모델링 인자 (chromatin remodeling factor)의 동정 및 기능 분석이었고, specific aim 2는 생체시계와 환경 스트레스 반응 사이의 양방향성 조절 (bidirectional regulation) 메커니즘에 관한 연구였다.

Specific aim 1에서 생체리듬 조절에 관여할 것으로 예상되는 총 22개의 크로마틴 리모델링 인자를 동정하였고, 해당 유전자의 돌연변이체를 확보하여 생체리듬을 모니터링한 결과 18개의 유전자가 생체시계 조절에 관여하는 것으로 확인되었다. 이어 yeast-two-hybrid screening을 통해 각 크로마틴 리모델링 인자의 단백질 상호작용 네트워크를 구성하였고, 특히 생체시계 구성 단백질들과의 상호작용에 집중하여 기능을 분석하였다. 각 크로마틴 리모델링 유전자는 생체시계 유전자의 프로모터 지역에서 하루 중 특정시간동안에만 크로마틴 변형을 유도하여 일주기성 생체시계 유전자 발현을 조절하였다.

Specific aim 2에서는 생체시계의 대표적 output pathway 중 하나인 환경 스트레스 반응경로에 집중하여, 생체시계와 환경적응성 사이의 관계를 분자적으로 조명하였다. 상당수의 환경 스트레스 반응은 일주기에 의존적이며, 하루 중 특정시간에만 활성화되는 특징을 보인다. 이를 위해 환경 스트레스 반응 경로와 생체시계 네트워크의 각 주요 조절자가 양방향으로 신호를 전달한다는 사실을 규명하였다.

3개년에 걸친 연구를 통해 식물 생체리듬의 후성유전학적 조절 메커니즘을 구체적으로 규명하였고, 더불어 환경적응성 측면에서 생체시계의 생물학적 의미를 제시한 부분은 큰 학문적 진전을 이룬 것으로 자체 평가한다. 하지만 보다 심도있는 연구의 완성과 최근 빠르게 성장하는 다차원의 조절 메커니즘을 생체시계 네트워크에 접목하여 후속 연구함으로써 해당 연구를 더욱 수준 높은 학문적 성과로 연결시킬 수 있을 것으로 예상한다.

연구결과의 활용계획
생체시계는 생체 대사를 외부 환경에 동조시킴으로써, 가용한 에너지를 효율적으로 분배하여 식물의 환경적응성을 극대화한다. 식물의 성장과 스트레스 저항성은 서로 길항관계에 놓여있다고 생각하였으나 생체시계의 연구를 통해 성장과 스트레스 저항성을 동시에 증진시킬 수 있는 가능성이 시사되었다. 본 연구 결과는 후성유전학 학문적 원리 규명 및 분자 모델 정립을 통하여 국내 식물학 생체리듬 및 환경적응성 연구에 크게 기여한 것으로 평가하며, 정립된 연구방법과 동정된 유전자들은 주곡작물들을 대상으로 한 연구에도 향후 적용이 가능할 것으로 예상한다. 특히 후성유전학적 접근은 학문적으로 영향력이 클 뿐만 아니라 실용적으로 적용하였을 때에도 그 효과가 안정적으로 나타나는 장점이 있기 때문에 분자유전학에 기반한 식물생명공학적 응용에 크게 기여할 것으로 예상된다.

(출처 : 한글요약문 4p)

Abstract ▼

Purpose&contents
This proposal describes epigenetic mechanism underlying circadian oscillation and coincidence of endogenous physiology with environmental stimuli in plants.
Diurnal changes in DNA methylation and histone modification in plant genome and chromatin remodeling factors in this pro

Purpose&contents
This proposal describes epigenetic mechanism underlying circadian oscillation and coincidence of endogenous physiology with environmental stimuli in plants.
Diurnal changes in DNA methylation and histone modification in plant genome and chromatin remodeling factors in this process have been investigated. In addition, we tried to provide the mechanistic insight into how endogenous and environmental signals are integrated.

Result
The aim of this study is to illustrate diurnal changes in chromatin structure in the control of plant circadian clock networks. We showed that several types of chromatin modifications, including DNA methylation, histone methylation and acetylation, and histone variant exchanges, underlie circadian clock oscillation and plant adaptation to diurnal environmental fluctuation.

Specific aim 1: We isolated 22 chromatin remodeling candidate genes that possibly act as clock components. To validate their involvement in clock oscillation, we obtained genetic mutants on each gene and used them to monitor endogenous circadian rhythm. As a result, we concluded that 18 genes are associated with core clock network. To unravel molecular mechanisms underlying chromatin-regulated circadian clock, we performed yeast-two-hybrid analysis and chromatin immunoprecipitation and suggested possible genetic network. Based on several studies completed, some chromatin remodeling factors unequivocally participate in diurnal chromatin modification and regulate transcript accumulation of circadian clock and circadian output genes to coordinate plant developmental processes with environmental cycles.

Specific aim 2: Diurnal chromatin structure potentiates gating responses of a variety of hormone and stress signaling. In particular, we highlighted the possible connections between circadian clock and plant responses to environmental stress. Large proportion of stress-responsive genes were diurnally regulated and activated at a specific time-of-day. It is noteworthy that circadian and stress signaling are tightly intertwined with bidirectional regulatory loops.
We successfully completed past 3-year research and made an important step-forward in epigenetic regulation of circadian clock. In addition, we also shed light on mechanistic background about gating effects of stress signaling with the novel concept of bidirectional regulation.

Expected Contribution
We were able to publish top-notch scientific research articles by identifying clock components and by establishing molecular schemes of the clock oscillation in response to environmental changes. The identification of novel regulators involved in circadian clock regulation extended our knowledge of plant physiology, development and adaptation to the environment. Our project will also contribute to the development of clock-based means of improving crop quality and quantity under changing environments.

(출처 : SUMMARY 5p)

목차 Contents

• 표지 ... 1목차 ... 2연구계획 요약문 ... 3연구결과 요약문 ... 4 한글요약문 ... 4 SUMMARY ... 5연구내용 및 결과 ... 6 1. 연구개발과제의 개요 ... 6 2. 국내외 기술개발 현황 ... 8 4. 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ... 14 5. 연구결과의 활용계획 ... 18 6. 연구과정에서 수집한 해외 과학기술정보 ... 19 7. 참고문헌 ... 21 8. 연구성과 ... 22 9. 국가과학기술지식정보서비스에 등록한 연구시설‧장비 현황 ... 34 10. 연구개발과제 수행에 따른 연구실 등의 안전조치 이행실적 ... 34 11. 기타사항 ... 34끝페이지 ... 34