식물은 스트레스를 받을 때 유전자 발현 변화 등의 대사 작용을 통해 스트레스에 대처하게 되는데, 비 생물학적 스트레스에 지속적으로 노출되면 다양한 화학적 기작에 의한 2차 스트레스로 인하여 기능 장애가 유발되어 서서히 죽게 된다. 하지만 식물의 비 생물학적 스트레스에 의해 생성되는 특정 물질은 사람에게는 혈당조절에 관여할 수 있는 것으로 밝혀져 쓴메밀에서 해당 물질을 사용하여 당뇨를 해결하기 위한 화학적 기작분석을 진행하였다.
<h1>서 론</h1><p>식물이 받는 스트레스는 크게 생물학적(biotic) 스트레스와 비 생물학적(abiotic) 스트레스로 구분된다. 생물학적 스트레스는 다른 생물체에 의해서 일어나는 스트레스이고 비 생물학적 스트레스는 가뭄(drought), 염분(salinity), 저온(cold), 중금속(heavy metal)등과 같은 물리적 또는 화학적 요인에 의한 스트레스이다. 식물이 이와 같은 스트레스를 받게되면 세포 내 유전자 발현의 변화를 포함한 대사 작용을 유동적으로 변화시켜 스트레스에 대처하게 된다. 비 생물학적 스트레스 중에서 가뭄, 염분과 같은 삼투 스트레스(osmotic stress)는 식물의 생장과 발달에 심각한 해를 입히며 특히 작물의 경우에는 생산성에 큰 영향을 미친다. 전 세계 경작 가능한 토양의 약 \( 20 \% \) 와 관계토양의 약 \( 40 \% \) 이상이 염의 축적에 의한 영향을 받고 있는 것으로 알려져 있다. 식물은 고농도의 염 환경에 자랄 수 있는 능력에 따라 비 내염성 식물(glycophytes)과 내염성 식물(halophytes)로 나누어지는데 대표적인 내염성 식물인 Mesembryanthemum crystal-linum의 경우 바닷물의 2배 이상의 염 농도에서도 성장이 가능하지만 재배 농작물을 포함한 대부분의 일반적인 식물들은 비 내염성 식물로써 높은 농도의 염에 민감하게 반응하여 서서히 고사하게 된다.</p><p>식물이 비 생물학적 스트레스(염과 가뭄)에 노출되게 되면 세포 내 삼투압의 불균형(osmotic imbalance)과 이온농도의 불균형(ionic imbalance)이 일어나게 되며 이로 인한 2 차 스트레스로서 산화 스트레스, 세포막 해체, 대사장해, 광합성 장해 등이 유발되고 스트레스 강도가 증가하여 식물의 적응능력을 넘어서면 식물은 서서히 죽게 된다. 일반적으로 식물이 비 생물학적 스트레스에 적응하는 방법으로는 이은 항상성 유지가 있다. 식물이 염에 의한 스트레스를 받게 되면 \( \mathrm{NaCl} \) 에 의해 세포내에 존재하는 \( \mathrm{K}^{+} \)와 \( \mathrm{Ca}^{2+} \) 의 불균형이 일어나게 된다. 세포 외부에 존재하는 \( \mathrm{Na}^{+} \)은 세포에 필수적인 \( \mathrm{K}^{+} \)의 세포내로의 유입에 영향을 주어 \( \mathrm{K}^{+} \)의 흡수를 저해하게 된다. 또한 세포내의 \( \mathrm{Ca}^{2+} \) 도 증가되어 스트레스 적응에 푈요한 신호전달 기작을 시작하게 된다. 세포막에서의 \( \mathrm{Na}^{+} \)비율조정은 \( \mathrm{H}^{+} \)translocating ATPase, py-rophosphatase, \( \mathrm{Ca}^{2} \)-ATPase, secondary active transporters 와 channel 둥과 같은 세포막에 존재하는 transportor 단백질에 의하여 조절되어 진다. 또 다른 적응 방법은 외부의 삼투압 변화에 의하여 반응하는 compatible solute라고 하는 삼투물질(osmolyte)을 세포내 축척하는 것이다. 이러한 삼투물질로는 자당, 과당과 같은 당류, glycerol, methylated inositol 등과 같은 sugar alcohol류, trehalose, raffinose, fructans등과 같은 복합 당류, 그리고 glycine betaine, dimethyl sulfonium propionate (DMSP), proline, ectoine 등과 같은 전하 대사산물이 있다. 이러한 삼투물질의 세포내 축척은 세포내 정상적인 대사과정을 저해하지 않고 세포내 삼투압을 조절하여 비 생물학적 스트레스 물의 균형을 유지시키는 역할을 하고 있다. 또한 이들은 친수성이며 단백질 혹은 세포막에 결합하고 있는 물과 치환이 가능하여 삼투보호물질(osmoprotectant)로써 작용한다. 이들 삼투물질이 세포 내에 다량으로 축척되게 되면 효소의 열역학적인 안정성을 증가시켜 \( \mathrm{Na}^{+} \)이 효소활성을 저해하는 것을 막아 주는 역할을 하고 있다. 삼투 물질의 합성경로는 세포의 기초대사 경로와 연결되어져 있으며 특정한 삼투물질을 합성하는데 필요한 효소의 유전자들은 스트레스에 의하여 그 유전자의 전사가 유도되어 진다고 보고된바 있다.</p><p>삼투물질인 D-chiro-inositol과 D-chiro-inositol의 methy-lated form인 D-pinitol은 식물에서 비 생물학적 스트레스에 의해 생성되고 축적되어 식물체에 스트레스에 대한 저항성을 부여하지만 인체에서의 작용은 식물에서와는 다른 기능인 혈당조절에 관여하는 것으로 밝혀지고 있다. 인술린 비의존성 당뇨병은 유전 및 환경 요인에 의하여 대체로 성인에게서 나타나며 당뇨병 환자의 \( 80 \sim 90 \% \) 가 인슐린 비의존성 당뇨병 환자이다. 인슐린 저항성이 제 2형 당뇨병의 발병 원인으로 알려져 있어 인술린 저항성을 개선한다면 당뇨병 예방 및 치료 가능성이 있을 것으로 사료되는 바이에 대한 많은 연구가 진행되고 있는 실정이다. 현재까지 알려진 인슐린 저항성 개선을 위한 방법으로는 식이요법과 운동, 메트로포민이나 thiazolidinedione계열의 약제 등을 사용하고 있다. 최근 D-chiro-inositol 및 D-pinitol 이 체내 당 대사를 조절하는 능력을 가진다는 연구결과가 발표 되었으며 D-chiro-inositol의 섭취로 인하여 혈당강하효과가 나타나는 것이 확인 되었다. 작용기작으로는 D-chi-ro-inositol에서 유도되는 inositol phosphoglycan이 인술린 작용에 잠재적으로 중요한 postreceptor mediator (인슐린 receptor에서 신호를 전달한 후 세포 내로의 downstream 신호전달에 관여하는 신호전달 중재자)로서, 생리적 농도의 인슐린에 반응하여 빠르게 생성되며 in vivo에서 인슐린과 유사한 효과를 나타낸다고 보고된 바 있다. 이러한 결과들은 D-chiro-inositol이 당뇨병 전증(prediabetic)환자 및 인슐린 저항성 당뇨병에 걸린 환자의 치료에 탁월한 효과가있을 것으로 사료되는 바이다. 위와 같이 기능을 하는 D-chi-ro-inositol과 D-pinitol이 식물체에서 합성경로는 다음과 같다. Methylation 과정은 ice plant와 대두에서 밝혀졌고, 이에 관여하는 myo-inositol methytransferase 유전자가 분리되었지만 ononitol에서 pinitol로의 전환에 관여하는 epimerase는 아직까지 보고된 바 없다. 그러나 쓴메밀에서는 대두와는 다르게 중간 대사산물인 ononitol과 pini-tol이 생성이 되지 않으므로 myo-inositol이 직접 D-chiro-in-ositol로 전환되는 것으로 보고된 바 있다.</p><p>본 연구에서는 쓴메밀에서 myo-inositol이 D-chiro-inositol 로 직접 전환된다는 사실을 증명하기 위하여 쓴메밀에 비 생물학적 스트레스를 처리하여 당뇨와 관련 된 물질임과 동시에 삼투물질인 D-chiro-inositol이 식물체내에 실제적으로 합성되어 증가됨을 나타나는지 확인하였고 myo-inositol을 직접 D-chiro-inositol로 전환하는 myo-inositol epimerase 효소가 쓴메밀에 존재한다는 중요한 사실을 확인하였다.</p>