경상대 출신 박순주 박사, 『셀』 표지논문 장식
-다수확 ‘유전자가위 토마토’ 원천기술 개발
-토마토 교화유전자 ‘MADS box’ 변이연구로 다수확성 구조 개발
-유전자 가위로 돌연변이 잡종강세 형질개발
-경상대 졸업생 2002년 이후 15번째 ‘CNS’에 논문 발표

국립 경상대학교(GNUㆍ총장 이상경) 출신 과학자가 세계 3대 과학저널 중 하나인 『셀(Cell)』 표지논문(6월 1일자)을 장식했다. 이로써 경상대 출신 과학자들이 세계 3대 과학저널에 꾸준히 논문을 발표해 온 빛나는 전통을 이어가게 됐다.

화제의 주인공은 최근 원광대 생명과학부에 임용된 박순주 교수(생화학과(현 생명과학부) 94학번)로, 박순주 교수는 최근 세계적 핫 이슈인 ‘유전자가위’를 활용해 맞춤형 농작물 개발 가능성을 제시하는 논문을 발표, 학계ㆍ산업계에서 비상한 관심을 끌고 있다.

박순주 교수는 경상대에서 학부를 졸업한 뒤 석사학위와 박사학위를 모두 경상대 분자생물학과에서 취득했다. 2009년부터 2015년까지 미국 Cold Spring Harbor Laboratory에서 포스닥연수를 마친 뒤 2015년 원광대 교수로 임용됐다. 연구분야는 ▲작물의 초우성인자 및 잡종강세 ▲토마토 분자육종과 유전자 편집 ▲토마토 줄기 및 꽃대 구조 개선 등이다.

이번 연구는 박순주 교수 연구팀(이하 ‘연구팀’)과 미국 연구팀(Cold Spring Harbor Lab.)이 공동으로 수행했다. 연구 결과, 이들은 “토마토 생산 농가의 소득을 증대시키는데 중요한 유전자원과 고부가가치 농생명체를 개발할 수 있는 원천기반기술을 확보했다.”고 밝혔다. 

이 결과는 생명과학분야 세계 최고의 학술지 『셀(Cell)』지(IF 28.710) 6월 1일자에 게재될 예정이다(5월 18일, 온라인 게재). 특히 이번 연구 결과는 『셀』지 표지로 선정되어 그 중요성을 인정받았다.

※논문명: Bypassing negative epistasis from a domestication gene to improve tomato yield(토마토 교화 유전자의 표현형적 ‘negative epistasis’로 토마토의 수확성 밝히다)

경상대는 이로써 2002년 이후 경상대 졸업생이 ‘CNS’(『셀』, 『네이처』, 『사이언스』)에 15번째 논문을 발표하게 됐다고 강조했다. 『셀』에는 허원도(2003), 장호희(2004), 김민갑(2005), 박찬영(2009), 박순주(2017) 씨가 각각 논문을 발표했고, 『네이처』에는 김민철(2002), 김외연(2003), 하성철(2005), 김외연(2007) 씨가 논문을 발표했다. 또한 『사이언스』에는 김민철(2005), 허원도(2006), 박찬영(2010), 허재복(2010), 송영훈(2012), 강창호(2013) 씨가 이름을 올린 것이다.

박순주 교수의 이번 연구는 농촌진흥청(청장 정황근) 차세대바이오그린21사업 시스템합성농생명공학사업단(단장 이상열 경상대 생명과학부 교수)으로부터 지원을 받아 수행하였다.

생명체의 지도라 불리는 DNA(유전자를 구성하는 물질)를 원하는 대로 자르고 붙일 수 있다면 어떨까? 최근 전 세계적으로 관심이 집중되고 있는 ‘유전자 가위(크리스퍼(CRISPR))’라는 기술이 있다. 특히, 농생명 분야에서 차세대 농생명 기술로 유전자 편집의 활용이 주목받고 있는데, 이 기술의 활용법 개발이 절실한 상태다.

이번 연구에서는 대봉토마토의 형질을 결정하는 MADS-box 유전자들을 편집하여 유전적, 표현형적 epistasis*를 유도하고 잡종강세**를 유도하는 기법을 개발하였다.

*epistasis: 유전자-유전자 상호작용에 의한 시너지 효과(한 유전자가 발현형질로 나타날 때 다른 유전자가 영향을 주는 현상)
**잡종강세: 유성생식과 같이 생각할 수 있는 것 중의 한 현상, 서로 다른 계통(strains)의 식물이나 동물을 잡종 교배시키면 그 자손이 부모 세대에 비해 더 건강한 현상

이는 변이와 표현형질 간의 유전적 연관관계를 활용하여 잡종강세를 유발하는 획기적인 방법이다. 이 연구결과는 종자회사에 다수확성 종자생산의 경쟁력을 제공할 것으로 기대된다. 이번 연구결과에 대하여 글로벌 종자회사와 과학계가 높은 관심을 보내오는 것은 이 때문이다.

연구팀은 아래와 같은 핵심적인 성과를 이루어냈다고 밝혔다.
  
첫째 연구팀은 대봉토마토 품종의 형질 중에 열매자루의 탈리층 제거와 큰 꽃받침의 형질의 유전적 비밀을 밝혔다.
 
열매자루의 탈리층은 MADS-box 유전자인 토마토 Jointless2 (j2)에 의해서 결정되며, 꽃받침의 크기는 MADS-box 유전자인 Enhancer-of-jointless2 (ej2)에 의해서 조절됨을 밝혔다. 게다가, 이들의 이중돌연변이 compound inflorescence (s2)는 꽃대가지와 꽃생산을 매우 증진시키는 표형형질을 나타냄을 알아냈다. 

둘째, 연구팀은 대봉토마토 개발을 위해 육종가들이 꽃대가지를 억제하는 유전자원을 활용했다는 것을 밝혔다.

대봉토마토는 열매자루의 탈리층이 없고 큰 꽃받침을 가지는 j2, ej2 이중돌연변이다. 그런데 육종가들은 j2, ej2가 나타내는 꽃대가지와 꽃의 발생을 촉진하는 표현형을 억제하도록 품종을 만들었는데, 이는 염색체 2번에 존재하는 알려지지 않은 유전자원에 의한 것임을 밝혔다.

셋째, 연구팀은 j2와 ej2의 유전형적 교배조합으로 꽃대가지와 꽃 발생 수를 조절하는 방법을 개발하였다.

j2와 ej2의 이중돌연변이가 꽃대와 꽃의 생산을 촉진시키는 표현형적 epistasis를 나타냄을 밝히고, 같은 MADS-box 유전자가 서로 복합체를 형성함을 밝히게 되었는데, 이들은 잡종강세현상을 설명하는 한 모델인 dominant negative 효과를 적용하기에 이상적인 증거들이다. 따라서 우리는 두 돌연변이 사이에 교배를 실시하여 나타날 수 있는 유전적 조합을 선별 및 표현형적 분석을 실시한 결과 다양한 꽃대 구조와 꽃의 생산성을 확인할 수 있었다.

넷째, 연구팀은 잡종강세의 초우성 유전모델로 다수확성 잡종강세 유전자형을 개발했다. Dominant negative 효과는 잡종강세가 투여량 효과에 의해서 표형형의 다양성을 확보하고 다수확성의 유전자형을 찾아내는 데 아주 유용함을 밝혀냈다.

이번 연구에서 사용한 대부분의 돌연변이들은 유전자 편집 기술을 통해 만들어낸 것이다.

 
연구팀은 미국 Cold Spring Harbor Lab 연구팀과 공동연구를 통하여 작년에 세계적 저명학술지 『Genes & Development』(IF 10.042), 『Genome research』(IF 11.351)에 논문을 연속 발표했고, 올 1월에는 광주기성 개화인자 연구논문을 유전학 및 유전체학 분야의 최고 저널인 『Nature genetics』(IF 31.616)에 보고했으며, 지속적 공동연구를 통하여 그 결과들을 『네이처(Nature)』, 『셀(Cell)』, 『사이언스(Science)』 등의 논문에 지속적으로 출판할 것으로 기대를 모으고 있다.

시스템합성농생명공학사업단장 이상열 교수는 “이번 성과는 농촌진흥청에서 전통 육종의 한계를 극복할 수 있도록 차세대바이오그린21사업 등과 같은 농생명공학기술에 지속적으로 투자한 결과라는 점에서 의미가 크다.”라며 “최근 급속히 발전하고 있는 최신 연구기법들을 적극 도입ㆍ활용하여 농생명 분야에서 소비자가 원하는 맞춤형 농작물 개발을 앞당길 수 있는 중요한 정보를 제공할 것으로 기대한다.”고 말했다.

⊙ 사진 설명: 박순주 교수
⊙ 내용 문의: 경상대 시스템합성농생명공학사업단 055-772-2582