식물유전체재조합 연구실

인류는 약 1만 년 전 식물을 재배하기 시작하며 육종(breeding)을 통해 식물을 개량해 왔다. F1 hybrid 잡종 강세와 교배 육종의 녹색혁명(Green Revolution)은 인류의 식량 안보와 보건, 그리고 평화에 기여했다. 멘델의 유전법칙, DNA의 발견에 이은 차세대 DNA 시퀀싱 기술(next-generation sequencing, NGS), 유전자 가위 기술(CRISPR/Cas9 genome editing), 기계 학습(machine learning), AI 등의 혁신적인 연구 기술 진보는 감수분열(meiosis)동안 교차 현상에 대한 이해는 물론 교차 조절, MiMe (Mitosis instead of Meiosis), hapoloid inducer, synthetic apomixis을 통해 식물 개량과 육종을 보다 가속화하고 있다. 우리는 현재 식물 유전체 디자인 시대(링크-대학신문기사)에 살고 있다. 식물유전체재조합 연구실은 모델 식물 애기장대와 토마토에서 교차(crossover)의 분자적 기전을 연구한다. 식물 감수분열은 꽃의 암술, 수술의 meiocyte에서 일어나며 haploid인 sperm, egg cell를 만든다. 이들 반수체 세포들은 수정을 통해 다음 세대의 diploid 식물이 된다. 특히 감수분열에서는 상동 염색체(homologous chromosome) 사이에 교차(crossing over=crossover=CO)가 일어나 자손의 유전적 다양성을 증가시키며 식물 육종에 중요한 역할을 한다. 교차는 많은 수의 DNA double-strand breaks (DSBs)에 의해서 시작하지만 이들 DSBs 중 약 5% 정도만이 DBS 수선 과정을 거쳐 교차가 된다. 따라서, 상동 염색체상의 교차 수는 염색체 분리를 위해 1개는 필수적이지만 그 이상은 억제되어 1개 또는 2개가 주로 일어나며 3개인 경우도 드물다 (동.식물, ~1.5-2.0 COs per chromosome pair). 또한 상동 염색체 사이에 드물게 두 개의 교차가 발생하더라도 두 개의 교차는 교차 간섭(crossover interference) 현상으로 인해 서로 멀리 떨어져서 발생한다. 즉 두 개의 교차가 가깝게 일어나는 일은 거의 없다. 또한 교차는 pericentromere에서 더욱 드물게 일어난다. 이러한 교차 수와 빈도, 교차 패턴은 교차 촉진자(pro-crossover factors), 교차 억제자(anti-crossover factors) 및 epigenetic factor들(H3K9me2/non-CG methylation, H2A.W: PNAS)에 의해 조절된다. 따라서 식물 교차의 패턴 연구를 통한 교차 수와 위치 조절은 apomixis, haploid inducer, reverse breeding과 함께 새로운 육종 기술 개발에 매우 중요한 기여를 한다. 특히, 교차 간섭 현상은 20세기 초에 발견됐지만 분자적 기전은 오랫동안 미궁이었다. 하지만 최근에 synaptonemal complex의 components와 pro-crossover E3 ligase HEI10이 교차 간섭을 매개하고 있음이 밝혀졌다. 우리 연구실은 교차 수와 교차 간섭을 조절하는 새로운 교차 조절 인자(HCR1, HCR2, HCR3, HCR7)를 유전학적으로 발굴하고 최첨단 유전체학, 세포학, 분자생물학적 연구 기법들을 통해 교차 패턴의 기초 연구를 수행중이며, 이를 토마토의 교차 조절에도 적용하고 있다. 고해상도 유전체 수준의 교차 지도 작성 (High-resolution Genome-wide Crossover Mapping): short-read와 long-read