GLABRA2 regulates gene expression via its own EAR-motif mediated recruitment of the TPL/TPR corepressors

식물의 미시 세계에서 모든 세포는 자신이 무엇이 되어야 하는지 정확히 알아야 합니다. 잎 표면의 세포는 단단하고 보호적인 역할을 해야 하는 반면, 뿌리 끝의 세포는 부드럽고 물을 흡수할 수 있어야 합니다. 이러한 결정은 무작위로 이루어지는 것이 아니라, 세포 핵 내부의 일련의 지침에 의해 결정됩니다. 이 지침은 전사 인자라고 불리는 단백질에 의해 수행되는데, 이들은 특정 유전자를 켜거나 끄는 스위치 역할을 하여 세포의 발달을 안내합니다. 때때로 이 스위치들은 무언가를 만들기 위해 유전자를 높이기도 하고, 때로는 어떤 과정을 멈추기 위해 유전자를 낮추기도 합니다. 하나의 단백질이 어떻게 이 두 가지 상반된 과업을 모두 수행할 수 있는지 이해하는 것은 식물 생물학의 핵심 질문입니다. 왜냐하면 이러한 정밀한 제어가 없다면 식물은 생존에 필요한 복잡한 구조를 키워낼 수 없기 때문입니다.

과학자들은 모델 식물인 애벌리시스(Arabidopsis)에서 GLABRA2, 줄여서 GL2라고 불리는 특정 단백질에 대해 오랫동안 알고 있었습니다. 이 단백질은 식물의 외피, 즉 식물의 피부를 형성하는 세포의 바깥층에 필수적입니다. GL2는 세포가 털 모양의 구조인 트리코옴(trichome)으로 자랄지, 아니면 매끄러운 상태로 남을지를 결정하며, 또한 어떤 뿌리 세포가 물을 마시기 위해 털을 기를지 아니면 매끄럽게 유지될지를 결정합니다. 연구자들은 GL2가 유전자를 조절하기 위해 DNA에 결합한다는 사실은 알고 있었지만, GL2가 어떻게 구축자이자 파괴자로서 작용하는지에 대한 정확한 메커니즘은 여전히 미스터리로 남아 있었습니다. 이 논문에 발표된 새로운 연구는 마침 finally GL2가 유전자를 억제하기 위해 사용하는 숨겨진 도구를 밝혀냈으며, GL2가 어떻게 물리적으로 분자 조력자 팀을 모집하여 DNA를 재형성하고 특정 지침이 읽히는 것을 막는지 보여주었습니다.

연구진은 먼저 GL2 단백질 자체의 구조를 면밀히 살펴보았습니다. 그들은 GL2 단질 내에서 다른 단백질에서 발견되는 알려진 "오프 스위치"인 EAR 모티프(motif)와 유사한 두 개의 작고 특정한 영역을 발견했습니다. 이 모티프는 유전자 억제 활동을 촉진하는 다른 단백질을 모집하는 신호 역할을 하는 짧은 아미노산 서열입니다. 연구팀은 GL2 단백질의 시작 부분 근처에 위치한 N-터미널(N-terminal) 모티프에 집중했는데, 이는 이 부분이 많은 다양한 식물 종의 진화 과정 동안 거의 동일하게 유지되었음을 의미하는 고도로 보존된 형태였기 때문입니다. 이 특정 영역이 유전자를 억제하는 GL2의 능력의 핵심인지 테스트하기 위해, 과학자들은 변형된 버전의 단백질을 만들었습니다. 그들은 N-터미널 모티프를 완전히 제거하거나, 기능할 수 없도록 몇 개의 구성 요소를 변경했습니다.

이 변형된 식물들을 키웠을 때 결과는 명확했습니다. N-터미널 모티프가 고장 난 식물들은 어떤 면에서는 정상적으로 발달했지만, 표피 세포에서 뚜렷한 결함을 보였습니다. 잎의 트리코옴은 완전히 형성되지 않았고, 매끄러워야 할 뿌리 세포에는 털이 자랐으며, 종피 점액(seed coat mucilage)에도 결함이 있었습니다. 이는 이 특정 모티프가 없으면 GL2가 세포들이 잘못된 정체성을 갖지 않도록 방지하는 유전자를 제대로 끌 수 없음을 나타냈습니다. 반대로, 과학자들이 단백질 끝에 있는 다른 모티프를 변경했을 때는 GL2 단백질 전체가 핵 안으로 들어가지 못했는데, 이는 이 두 번째 영역이 단백질이 제 역할을 할 수 있도록 올바르게 접히는 데 단순히 필요하다는 것을 시사했습니다. 이 실험은 N-터미널 모티프가 단순한 구조적 필연성이 아니라 억제를 위한 기능적 스위치임을 확인해 주었습니다.

이 스위치가 어떻게 작동하는지 이해하기 위해, 연구팀은 GL2가 불러낼 수 있는 파트너들을 찾았습니다. 그들은 N-터미널 모티프가 TOPLESS 및 TPL-RELATED 단백질로 알려진 그룹에 대한 직접적인 초대장 역할을 한다는 것을 발견했습니다. 이들은 유전자를 침묵시키는 데 도움을 주는 분자 기계인 코어프레서(corepressor, 공동 억제 인자)입니다. 연구진은 GL2가 N-터미널 모티프를 사용하여 이 코어프레서들을 물리적으로 붙잡는다는 것을 입증했습니다. 일단 연결되면, 이 복합체는 DNA로 이동하여 크로마틴(chromatin), 즉 DNA가 감싸져 있는 물질을 수정하는 다른 효소들을 모집합니다. DNA가 포장되는 방식을 바꿈으로써, 세포는 유전자 읽기 기구가 특정 지침에 접근하는 것을 어렵게 만들어 효과적으로 유전자를 꺼버립니다. 이 과정이 바로 GL2가 뿌리 세포가 털을 기르는 것을 막거나 잎 세포가 트리코옴이 되는 것을 막는 방식입니다.

연구는 또한 이 상호작용이 결함의 유일한 원인임을 증명하는 방법도 제공했습니다. 연구진은 코어프레서를 더 이상 모집할 수 없는 고장 난 버전의 GL2를 가져와서, 잘 알려진 다른 억제 신호를 그것에 부착했습니다. 이렇게 했을 때, 식물의 표피 결함이 해결되었고 세포들은 다시 올바르게 발달했습니다. 이 구조(rescue) 실험은 고장 난 GL2에서 부족했던 유일한 것이 억제 인자를 불러오는 능력이었음을 확인시켜 주었습니다. 더욱이, 정상적인 유묘와 고장 난 GL2를 가진 유묘의 유전적 활동을 비교함으로써, 연구진은 N-터미널 모티프가 없을 때 수백 개의 유전자가 잘못 발현되는 것을 확인했습니다. 이 전사체 분석(transcriptome analysis)은 이 모티프가 적절한 표피 발달에 필요한 유전자의 발현을 조절하는 데 필수적임을 보여주었습니다.

이 연구 결과는 GL2가 단순히 DNA 위에 앉아 직접적으로 차단하는 것이 아니라는 모델을 뒷받s합니다. 대신, GL2는 자신의 N-터미널 EAR 모티프를 사용하여 TOPLESS 및 TPL-RELATED 코어프레서를 끌어당기는 가교 역할을 합니다. 이 코어프레서들은 이어서 히스톤 수정 단백질을 불러오며, 이들은 크로마틴에 잠금 장치처럼 작용하여 유전자가 읽히는 것을 방지합니다. 이 메커니즘을 통해 GL2는 맥락에 따라 활성제에서 억제제로 전환될 수 있으며, 이를 통해 식물의 외층이 매끄러운 세포와 털이 있는 세포의 올바른 혼합을 갖도록 보장합니다. 이 특정 상호작용을 식별함으로써, 이 논문은 단일 전사 인자가 어떻게 식물 세계에서 세포 정체성의 섬세한 균형을 유지할 수 있는지 명확히 밝혀냈습니다.