Plant Organelle Coordination witn Aging

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Plant Organelle Coordination witn Aging
제안자 이수빈, 권윤성, 이찬형
자문교원 임평옥, 이주현
연도 2020
타입 B형 과제
코스 프란시스 크릭
매칭여부 Yes
참여학생수 3
소개동영상

제안 배경

세포내 공생설에 따른 진화 과정에 따르면 eukaryotic cell에 mitochondria와 chloroplast가 공생하게 되면서 세포 소기관이 본래 가지고 있던 유전자의 대부분은 핵으로 이동하였다. 그 결과로 세포 소기관은 핵에 의해 조절을 받으며, 세포 소기관 역시 핵과 세포 소기관의 활성을 조절하기 위해 신호를 핵으로 전달하기도 한다. 이렇게 핵과 세포 소기관의 활성이 서로 정밀한 조절을 하는 것을 organelle coordination이라 한다.

Protein의 경우 N-terminus에 있는 signaling peptide에 의해 목적지가 정해진다. 따라서 protein은서로 다른 두 소기관에 동시에 갈 수 없다. 이를 통해 coordination의 주체는 Transcription factor로 추론 가능하다. Upstream TF가 겹치면 동시에 organelle의 조절이 가능할 것이므로 본 연구는 TF를 targeting 한다.

식물 내에서는 다양한 stress condition에서의 organelle coordination이 어떻게 조절되는지 이 전 연구에서 밝혀진 바가 있지만, 특별히 식물의 노화 동안에는 organelle coordination이 어떠한 양상을 띄는지에 대해서는 밝혀지지 않았다. 하지만 기존 연구에서 식물의 노화에 민감하게 반응하는 엽록체의 광합성 시스템이 엽록체에 의해 합성된 단백질과 핵에 의해서 합성된 단백질로 함께 구성되어 있다는 것이 밝혀졌고, 이로 미루어 보아 식물의 노화 단계에서도 organelle coordination의 변화가 나타날 것이라고 생각할 수 있다. 따라서 본 연구는 식물내에서 세 organelle을 coordinate하는 transcription factor를 찾고 이 transcription factor에 의해서 organelle coordination이 식물의 노화에 따라 어떻게 조절되는지, organelle coordination이 무너졌을 때, 식물의 노화 pattern이 어떤 식으로 변화하는 지에 대해 연구하고자 한다. 또한 TF에 의한 organelle coordination을 확인하고 통계적 분석을 통해 계량화 하여, 세 개의 세포소기관이 의도적으로 동시에 조절되는 것인지, 우연히 같은 sequence를 공유하여 동일한 TF에 의해 조절되는 것인지 확인한다.

더 나아가 우리가 인지하지 못하는 사이 인간의 육종에 의해 만들어진 작물의 coordination은 어떻게 발전하였는지 분석하여 작물의 생산성에 coordination이 어떠한 영향을 미쳤는지 알아볼 수 있다. 이를 바탕으로 organelle coordination의 계량화를 각 작물에 적용시켜 organelle coordination과 작물의 생산성의 correlation 분석을 통해 미래의 작물 생산에 새로운 방향을 제시할 수 있다.

과제 목표

Nucleus, mitochondria, chloroplast를 fine tuning할 수 있는 transcription factor를 찾고, 이 Transcription factor가 plant leaf senescence의 regulator인지 확인한다.

Organelle coordination의 분석을 통해 coordination의 정도를 계량화한다.

과제 내용

1. Computational study based on bioinformatics -> Narrow target TF down by computational prediction using sequence motif which can work as binding site.

2. Mutant phenotype screening-> Target TF의 mutant가 식물의 노화에 미치는 영향 확인

3. Coordination check -> Cloning을 통해 TF의 localization 확인, Yeast one hybrid를 통해 Chloroplast targeted protein upstream regulator 인지 확인

4. Statistical approach based on computational study -> Upstream TF분석을 통해 mitochondria와 chloroplast가 공유하는 TF를 list-up하고 TF를 공유할 확률을 구하여 list-up한 결과와 비교 분석

참고자료

1. Woo, H. R., Koo, H. J., Kim, J., Jeong, H., Yang, J. O., Lee, I. H., ... & Kim, Y. W. (2016). Programming of plant leaf senescence with temporal and inter-organellar coordination of transcriptome in Arabidopsis. Plant Physiology, 171(1), 452-467.

2. Zhang, S., Li, C., Wang, R., Chen, Y., Shu, S., Huang, R., ... & Yang, C. (2017). The Arabidopsis mitochondrial protease FtSH4 is involved in leaf senescence via regulation of WRKY-dependent salicylic acid accumulation and signaling. Plant physiology, 173(4), 2294-2307.

3. Sun, X., Feng, P., Xu, X., Guo, H., Ma, J., Chi, W., ... & Zhang, L. (2011). A chloroplast envelope-bound PHD transcription factor mediates chloroplast signals to the nucleus. Nature communications, 2, 477.

4. Nargund, A. M., Fiorese, C. J., Pellegrino, M. W., Deng, P., & Haynes, C. M. (2015). Mitochondrial and nuclear accumulation of the transcription factor ATFS-1 promotes OXPHOS recovery during the UPRmt. Molecular cell, 58(1), 123-133.

희망학생

이수빈, 권윤성, 이찬형



이번 UGRP를 통해 얻은 organelle coordination에 대한 실험 데이터로 organelle coordination과 작물의 생산성의 correlation 분석하여 미래의 작물 생산에 새로운 방향을 제시하는 것을 최종목표로 두고 있습니다.

2020 UGRP에서는 plant organelle coordination에 대한 실험을, 2021 UGRP는 작물의 organelle coordination과 이에 따른 생산량에 대해 연구하고자 합니다.

본 연구는 작물 생산에 대한 연구를 할 수 있는 토대를 만드는 작업이라고 생각합니다.

또한 식량자원에 대한 문제의 해결책을 제시해 볼 수 있는 기회가 될 것이라고 생각합니다.

궁금하신 점이 있거나 연구에 함께 하시고 싶으신 분들은 kooma@dgist.ac.kr로 연락주시면 감사하겠습니다.