The petal identity gene PhDEF has a major binding and regulatory action in the epidermis

꽃은 단순히 정적인 아름다움의 대상이 아닙니다. 꽃은 모든 부분이 적절한 시간에 적절한 위치에 나타나야 하는 정밀한 생물학적 건설 프로젝트의 결과물입니다. 식물이 어떻게 잎 대신 꽃잎을, 혹은 줄기 대신 수술을 키우도록 스스로를 인지하는지 이해하기 위해, 과학자들은 오랫동안 홈오틱 유전자(homeotic genes)라고 알려진 일련의 마스터 지침을 연구해 왔습니다. 이 유전자들은 설계도 역할을 하며 세포에게 어떤 유형의 기관이 될지를 알려줍니다. 수십 년 동안 이 연구의 초점은 이 유전자들이 처음으로 기관의 운명을 결정하는 꽃의 생애 아주 초기 단계에 맞춰져 있었습니다. 그러나 꽃은 마치 벽에 외벽과 내핵이 있는 것처럼, 서로 다른 세포층으로 이루어진 복잡한 구조물입니다. "꽃잎이 되어라"라고 명령하는 마스터 지침이 그 꽃잎의 모든 개별 층에서 동일한 방식으로 작동하는지, 아니면 특정 세포층이 그 지침을 읽고 실행하는 방식을 변화시키는지 여부는 여전히 미스터리로 남아 있었습니다.

연구팀은 이 수수께끼를 풀기 위해 페튜니아 꽃에 주목하였으며, 특히 세포에게 꽃잎의 일부가 되라고 명령하는 데 관여하는 PhDEF라는 특정 마스터 유전자에 집중했습니다. 그들은 이전 연구를 통해 만약 이 유전자가 꽃잎의 외층에서 결핍될 경우, 내층에서 결핍될 때와는 꽃의 모습이 매우 달라진다는 것을 알고 있었습니다. 이는 이 유전자가 위치에 따라 서로 다른 일을 수행할 수도 있음을 시사했지만, 정확한 메커니즘은 베일에 가려져 있었습니다. 진실을 밝히기 위해 과학자들은 꽃잎의 외피인 표피(epidermis) 또는 내부 조직인 유조직(mesophyll) 중 한 곳에서만 PhDEF 유전자를 제거하는 특정한 돌연변이를 가진 페튜니아 꽃을 재배했습니다. 그런 다음 그들은 첨단 도구들을 사용하여 개별 세포의 유전적 활동을 읽어내고, 해당 세포 내의 DNA에 PhDEF 단백질이 정확히 어디에 결합하는지를 지도화했습니다.

조사 결과, 이 유전자는 기관 전체에 걸쳐 균일한 스위치로서 작용하지 않는다는 것이 밝혀졌습니다. 대신, PhDEF는 외표피에서 작동하는지 혹은 내유조직에서 작동하는지에 따라 완전히 다른 두 세트의 표적 유전자를 조절합니다. 연구진은 이 유전자의 영향력이 외층에서 훨씬 더 강력하다는 것을 발견했습니다. 표피에서 PhDEF 단백질은 훨씬 더 높은 빈도와 강도로 DNA에 결합하여, 꽃잎의 표면을 형성하는 광범위한 유전자들을 제어합니다. 반면, 내유조직에서의 결합은 훨씬 약하며 다른 소수의 유전자 그룹에 영향을 미칩니다. 또한 연구는 이 유전자가 DNA에 부착되는 방식이 매우 다양하다는 것을 보여주었습니다. 즉, 특정 층에 특이적인 결합 부위와 공유되는 결합 부위의 복잡한 혼합을 사용하여 각 세포 유형에 고유한 조절 서명을 만들어냅니다.

이 연구는 세포층의 정체성이 기관 자체의 정체성만큼이나 중요하다는 것을 입증합니다. 꽃잎을 만드는 임무를 맡은 동일한 마스터 유전자라도, 자신이 거주하는 세포의 특수한 맥락에 맞게 자신의 행동을 적응시켜야 합니다. 꽃잎의 외층과 내층이 동일한 유전적 명령에 서로 다른 방식으로 반응한다는 것을 보여줌으로써, 본 연구는 세포층의 이력과 위치가 꽃을 만드는 지침이 어떻게 수행되는지에 직접적인 영향을 미친다는 점을 확인해 줍니다. 이러한 발견은 단일하고 정적인 규칙의 집합이라는 개념을 넘어, 위치가 기능을 결정하는 역동적인 시스템을 드러냄으로써 복잡한 식물 구조가 어떻게 구축되는지에 대한 더 명확한 그림을 제공합니다.