탈분화

분화(differentiation)는 한 세포가 다른 세포와 구조적, 기능적으로 다른 상태가 되어가는 과정을 일컫는다. 분화가 된 세포는 고유의 형태학적, 생화학적, 그리고 생리학적 특징을 가지게 된다.

탈분화(dedifferentiation)는 이렇게 분화된 세포가 자신의 독특한 기능 또는 구조를 상실하고 분화 전의 상태 또는 줄기세포와 같은 단계로 변하는 과정을 일컫는다. 즉, 분화의 역방향의 발달 과정으로 구조적으로 단순한 동물(선충류나 파충류 등)에서는 조직의 재생 단계에서 일어난다.

식물에서도 탈분화가 발생하며 조직배양에서도 일어난다. 많은 식물세포는 적절한 조건하에 탈분화가 되어 전체 식물로 다시 재생할 수 있다. 그렇지만 결정지어진 세포 운명을 거스르지 못하거나 탈분화 능력이 떨어지는 세포도 존재한다.¹⁾ 탈분화된 식물 세포는 세포분열을 다시 시작하고 또 적절한 배양 조건에서 다른 기관으로 재분화될 수 있다. 즉, 탈분화된 식물 세포는 전분화능(totipotency) 또는 다분화능(pluripotency)을 획득하게 된다.

식물 세포의 탈분화는 분화된 세포의 원형질체로의 전환과 같은 스트레스 조건, 상처, 암 또는 열 처리 등으로 유도될 수 있다.²⁾ 또한, 식물 세포 탈분화는 전반적인 염색질의 탈응축(decondensation)과 같은 특징을 보이는데, 이것은 줄기세포와 비슷한 특징이다.²⁾

목차

엽육세포의 세포벽을 섬유소분해효소(cellulase)로 제거하여 원형질체(protoplast)를 만들 수 있다. 식물세포는 원형질체가 되면 이에 반응하여 세포의 탈분화가 진행되고 다시 다분화능(pluripotency)을 획득하게 된다. 이후 생기는 추가적인 신호가 세포의 운명을 결정하게 된다. 식물호르몬인 옥신(auxin)과 사이토키닌(cytokinin)을 동시에 처리하게 되면 식물 원형질 세포는 다시 세포주기 S기로 돌입하게 되어 증식하게 된다. 한편, 옥신 단독으로 처리 시, 재분화가 일어나게 된다.³⁾ 그러나, 어떠한 호르몬도 처리하지 않게 되면 세포는 죽게 된다.⁴⁾

탈분화 실험을 위한 원형질체 시스템 (출처: 한국식물학회)

식물의 탈분화는 식물 조직배양 기술을 가능하게 한 토대이기도 하다. 식물의 조직배양은 식물의 분화된 조직에서 탈분화된 캘러스(Callus)를 유도한 후 다시 조직 및 식물체로의 재분화를 유도하는 두 단계로 이루어진다. 조직배양에서 식물의 분화된 조직의 탈분화과정은 과량의 옥신이 함유된 캘러스 유도배지를 통해서 이루어지는데, 이때 유도된 캘러스는 곁뿌리 원기(lateral root primordium)와 유사한 특징을 가지고 있다.⁵⁾⁶⁾

식물 조직의 캘러스로의 탈분화는 식물 곁뿌리 형성과 비슷하게 내초(pericycle) 세포에서 분열이 시작한다. 또한, 캘러스는 뿌리 줄기세포 조절 유전자로 알려진 PLETHORA1(PLT1), PLT2, SHORT-ROOT(SHR), SCARECROW(SCR), WUSCHEL-RELATED HOMEOBOX5(WOX5) 등을 발현하여 전분화능을 획득한다.⁶⁾⁷⁾

캘러스 형성은 단순히 옥신만으로는 한계가 있으며 상처(wounding)신호가 수반되어야하는 것으로 알려져있다. 애기장대의 경우 상처에 의해 활성화된 WOUND-INDUCED DEDIFFERNTIATION1(WIND1), WIND2, WIND3, WIND4가 캘러스 형성을 촉진하는 초기 인자이다.

캘러스 형성에서 수반되어야 하는 단계는 분화된 조직의 성질이 소멸되는 것이다. 캘러스 형성에서 주로 사용되는 잎을 예로 들었을 때, 분화된 잎조직의 정체성의 소멸은, 캘러스 형성 과정 중 발현이 증가한 Polycomb Repressive Complex 2(PRC2)에 의한 히스톤 변형으로 잎 조직의 특징적 유전자들(SAWs, TCPs)의 발현을 억제하여 일어나게 된다. 

식물의 분화된 조직의 캘러스로의 탈분화 과정은 곁뿌리 발달과 유사하다. 잎조직의 정체성이 소멸된 식물 조직은 곁뿌리와 같은 특징을 획득하게 된다. 이 단계는 상처신호에 의해 증가한 옥신에 의해 내초(pericylce) 주변에  WOX11 유전자 발현이 증가하여 pericycle founder cell이 활성화됨으로써 시작된다. AUXIN RESPONES FACTOR-LATERAL ORGAN BOUNDARIES DOMAIN(ARF-LBD)가 이후 빠르게 발현되어 세포분열을 촉진하게 되고, 궁극적으로 곁뿌리 원기와 유사한 세포덩어리가 만들어진다.

탈분화 캘러스는 뿌리 줄기세포와 같은 정체성을 가지게 됨으로써 전분화능을 획득하게된다. 이를 위해, PLTs와 SCR와 같은 뿌리 줄기세포 조절인자들이 활성화되고⁷⁾, 이는 다시 PIN 단백질의 재분배와 WOX5 발현의 활성화를 통해 캘러스의 재분화능을 확립시킨다.⁸⁾

이처럼 분화된 조직이 탈분화되는 데에는 다양한 유전자의 활성화 및 억제가 필요하며, 이들 유전자 활성화와 억제에는 아래 그림과 같이 히스톤 변형이 중요한 역할을 하는 것으로 알려져 있다.

분화된 잎 조직의 캘러스로의 탈분화 단계.(출처: 서필준 원작으로부터 변형)

1. Hu, M. (2001) Plant Cell Differentiation. Germany: ENCYCLOPEDIA OF LIFE SCIENCES
2. Jiang F, Feng Z, Liu H and Zhu J (2015) Involvement of Plant Stem Cells or Stem Cell-Like Cells in Dedifferentiation. Front. Plant Sci. 6: 1028. doi: 10.3389/fpls.2015.01028
3. Valente, P. (1998) Auxins and cytokinins control DNA endoreduplication and deduplication in single cells of tobacco. Plant Science, 134: 207–215. 
4. Morozova, N., Zhao, J., Williams, L., 등 (2002. Two Phases of Chromatin Decondensation during Dedifferentiation of Plant Cells. Journal of Biological Chemistry, 27: 22772–22778
5. Atta R, Laurens L, Boucheron-Dubuisson E et al. (2009) Pluripotency of Arabidopsis xylem pericycle underlies shoot regeneration from root and hypocotyl explants grown in vitro. Plant J. 57: 626-644
6. Sugimoto K, Jiao Y, Meyerowitz EM (2010) Arabidopsis regeneration from multiple tissues occurs via a root development pathway. Dev. Cell 18: 463-471
7. Kareem A, Durgaprasad K, Sugimoto K et al. (2015) PLETHORA genes control regeneration by a two-step mechanism. Curr. Biol. 25: 1017-1030
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