코튼 페놀 대영 이구체 생성 메커니즘 및 코튼 씨앗 저독 신재료 창출

Nature Plants는 중국과학원 분자식물과학탁월혁신센터 천샤오야 연구팀이 쓴 Dirigent gene editing of gossypol enantiomers for toxicity-depleted cotton seeds라는 제목의 연구 논문을 온라인으로 발표했다.이 연구는 면화에서 좌선과 우선면페놀의 생물합성을 통제하는 관건적인 단백질을 감정하고 표징하였으며 유전자편집기술을 통해 좌선면페놀을 제거하여 저독 또는 무독면씨를 획득하였으며 면화의 항충능력에 뚜렷한 영향을 주지 않았다.이 사업은 처음으로 유전자편집특이선택화합물을 통해 이구체를 대영하는것을 실현하여 복잡한 천연산물의 비대칭합성에 새로운 경로를 개척하였는데 이는 작물의 유전개량과 분자설계육종에 중요한 의의가 있다.

코튼페놀은 면화에서 중요한 테르펜류 식물보호소로서 해바라기과 코튼속 식물에 광범위하게 존재한다.그것은 두 분자 반면 페놀 산화 우연으로 생성되며, 축수성을 가지고 있으며, 형성된 두 개의 대영 이구체 생물 활성은 판이하다 (그림 A)그중 좌선면페놀은 인류와 비반추동물에 대해 생식독성을 갖고있어 면씨에 풍부한 유지와 단백질의 리용을 제한하였다.페놀을 전혀 함유하지 않은 면화 품종이 이미 배양되었지만, 이런 품종은 병충해의 침습을 더욱 받기 쉽다.이에 비해 우회전 코튼페놀은 포유동물 정자의 생성에 영향을 주지 않지만 좌회전 코튼페놀과 비슷한 항충 항균 활성을 가지고 있다.그러므로 좌선면페놀의 합성을 선택적으로 억제하고 우회선면페놀의 면씨를 보존하면 면씨의 생식독성을 낮추는 동시에 병충저항능력을 보존할수 있다.

이 팀은 생체정보학적 분석을 통해 두 개의 유도단백질(DIR) 유전자인 GhDIR5와 GhDIR6가 알려진 코튼페놀 합성경로 유전자와 함께 발현되는 것을 발견했다.효소 단백질과 달리 GhDIR5와 GhDIR6는 면화 선체에 분비되어 세포 밖에 위치한다.GhDIR5는 여러 DIR 유전자와 같은 DIR 유전자 클러스터(A04)에 직렬로 배열되어 있지만, GhDIR6는 다른 염색체(D05)에 고립되어 있고 공간적으로 분리되어 있다.효소 활성 실험에 따르면 GhDIR6는 우회전 코튼페놀의 생물 합성을 제어할 수 있고, GhDIR5는 우회전 코튼페놀의 생물 합성을 제어한다 (그림 A).연구에 따르면 CRISPR-Cas9이 전도하는 유전자 편집 기술을 통해 GhDIR5를 두드리면 목화씨에서 좌회전 목화페놀의 형성을 막을 수 있다 (그림 B). 그러나 우회전 목화페놀과 다른 구조가 유사한 테르펜 화합물의 수준은 현저한 변화가 없기 때문에 목화의 항충성은 보존될 수 있다.야생형 목화씨에 비해 좌선면 페놀 함량이 낮은 유전자 편집 목화씨는 쥐 정세포 등 세포계에 대한 독성이 현저히 떨어진다.또한 분자 시뮬레이션과 돌연변이 분석은 좌회전과 우회전 코튼페놀 제어 단백질의 세 가지 핵심 아미노산 잔기를 밝혀내 영체 선택성에 관건적인 역할을 하는 동시에 진화 분석과 결합하여 좌회전 코튼페놀을 담당하는 DIR 유전자는 500만~1300만 년 전 코튼속 식물의 진화, 확산 과정에서 선택된 것으로 추정되는데, 이것이 바로 설치류 동물이 대폭발한 시간이다.설치류 동물의 번성은 항생식 독성을 가진 좌선면 페놀과 그 통제 단백질의 출현을 가속화시킨 것으로 추정된다.

종합적으로, 이 연구는 면화 체내에서 면화 페놀 축의 수성을 통제하는 핵심 단백질을 감정하였으며, 유전자 편집을 통해 포유동물에 유해한 좌선 면화 페놀을 선택적으로 제거하여 면화 병충해 능력을 유지할 수 있을 뿐만 아니라 면화 씨앗 단백질과 면화 씨앗 기름의 안전한 이용을 위한 새로운 경로를 개척하였다.이 연구는 합성생물학을 이용한 선택적 조종축 수성 이구체의 형성에 중요한 참고 가치가 있다.이밖에 GhDIR5는 공업화생산에 사용할수 있는 좌선면페놀로 항정자, 항바이러스, 항종양약물 전구체를 제조하는데 새로운 기술로선을 제공해주었다.

연구사업은 국가중점연구개발계획, 중국과학원 전략적선도과학기술전문항목, 국가자연과학기금 등의 지지를 받았다.중국과학원 곤명식물연구소, 하이난성 애주만 종자실험실 등의 과학연구원들이 연구에 참여한다.

유전자 편집 GhDIR5는 목화씨 생식 독성을 낮춘다.(A) 코튼 페놀은 두 분자 반 코튼 페놀 산화 우연으로 형성된다.GhDIR5와 GhDIR6는 각각 왼쪽 회전과 오른쪽 회전 코튼 페놀 생성을 제어한다.(B) GhDIR5 유전자가 면화주계를 제거한 면씨에서 좌선면페놀의 비례가 뚜렷이 낮아졌다.