활성산소는 강력한 산화력을 가지고 있어 다양한 생체 장애를 유발하며, 고선량 방사선에 노출되면 이를 적절하게 조절하지 못하게 된다. 이를 연구하기 위해, 본 연구는 고선량을 받은 벼에서 단백질과 엽록소, 카로테노이드의 변화를 측정하고, 항산화 효소인 SOD의 단백질 활성 및 유전자 발현을 isoenzyme 수준에서 분석했다. 이를 통해 고선량 방사선에 의한 벼의 손상과 SOD isoenzyme의 활성 및 유전자 발현의 관계를 파악하고자 했다.
<p>활성산소는 일반적으로 산소 라디칼 및 이것으로부터 파생된 여러 가지 산소 화합물들을 통칭하며 강한 산화력을 가지고 있어 생체 내에 지질 과산화, 세포막 및 단백질 분해, DNA 합성 저해, 광합성 억제, 엽록소 파괴, 노화 촉진 등의 생리적 장애 및 세포 사멸을 유발한다. 하지만 식물체는 활성산소에 대한 보호기작으로 효소/비효소적 방어시스템을 가지고 있어 정상적인 생육환경에서는 활성산소에 의한 피해를 최소화할 수 있다. 효소적 방어시스템은 superoxide dismutase (SOD), peroxidase (POD), catalase (CAT), 그리고 ascorbate peroxidase (APX) 등이 참여하여 활성산소 cascade 반응에서 가장 중요한 \( \cdot \mathrm{O}_{2}^- \)와 \( \mathrm{H}_{2} \mathrm{O}_{2} \)를 소거한다. 특히 SOD는 세포내 다양한 위치에서 활성산소 cascade 반응의 일차적 활성산소인 \( \cdot \mathrm{O}_{2}^- \)를 소거하고 \( \mathrm{H}_{2} \mathrm{O}_{2} \)와의 반응에 의한 \(\cdot \mathrm{OH} \)의 생성을 막아 활성산소에 의한 식물세포의 산화손상을 예방한다. SOD는 metal cofactor에 따라 \( \mathrm{CuZn}\)-SOD, \( \mathrm{Mn}\)-SOD 그리고 \( \mathrm{Fe}\)-SOD로 구분되는데 식물의 경우 일반적으로 \( \mathrm{CuZn}\)-SOD는 엽록체와 세포질, 페록시좀 또는 마이크로바디라고 하는 세포내 소기관에, \( \mathrm{Mn}\)-SOD는 미토콘드리아에 그리고 \( \mathrm{Fe}\)-SOD는 엽록체에 존재한다.</p><p>SOD 효소활성은 isoenzyme 수준에서 일찍부터 연구가 되어왔으며 많은 식물종에서 isoenzyme들이 규명되어 왔다. 산화스트레스 조건에서 isoenzyme들의 차별적 손상에 관한 연구결과들은 단백질 및 효소활성의 측면에서 주로 보고되고 있다. 반면에 isoenzyme의 유전자 수준에서의 발현연구는 매우 제한적이었다. 그것은 각 식물종마다의 isoenzyme 유전자들이 모두 밝혀져 있지 않았기 때문이며 상호간 높은 유사성으로 분석이 어려웠기 때문이다. 하지만 최근에 벼에서 유전자 서열이 규명되고 대부분의 SOD isoenzyme들의 cDNA 서열이 밝혀지면서 isoenzyme 유전자의 차별적 발현에 대한 연구가 시작되고 있다. Kim등은 저선량방사선과 염스트레스 하에서 SOD isoenzyme의 유전자 발현을 처음으로 보고하였으며 특히 염스트레스 하에서 SOD isoenzyme들이 차별적으로 발현됨을 밝혔다.</p><p>이온화 방사선인 감마선은 고선량으로 조사될 경우 자외선처럼 식물세포와 조직에 비가역적 손상을 유발하여 식물체를 고사시킨다. 이온화 방사선의 이러한 효과는 세포속에 존재하는 물 분해를 통해 생성되는 활성산소에 기인하는 것으로 알려져 있다. 따라서 세포내 활성산소 보호기작인 효소/비효소적 방어시스템의 활성이 식물체의 방사선 산화스트레스에 중요한 결정요인이 될 수 있다.</p><p>일반적으로 고선량 방사선을 조사할 경우 식물체의 효소/비효소적 방어시스템은 손상되어 생성된 활성산소를 적정수준으로 조절하지 못하는 것으로 알려져 있다. 이때문에 항산화제인 비타민 C, E와 \( \beta \)-카로틴을 첨가한 배지에서 자란 동물세포는 대조구보다 높은 방사선 저항성을 보였으며, 저선량으로 SOD, APX, POD, CAT 등의 효소활성을 높인 식물체의 경우 후속 고선량 조사에 대한 저항성이 증가됨이 보고되어 있다. 그러나 생체에 고선량 조사후 단백질 수준에서 항산화 효소활성들에 대한 연구가 많이 축적된데 반해, 유전자 수준의 발현은 거의 조사가 이루어지지 않았으며 특히 isoenzyme 수준에서의 단백질 효소 활성 및 유전자 발현은 연구된 적이 없다. 하지만 방사선에 대한 식물체의 효소적 방어시스템의 변화에 대한 연구가 식물체의 방사선 반응을 결정짓는 증요한 요소가 됨을 고려할 때 저선량 조사후 항산화 효소 유전자 발현율 isoenzyme 수준에서 보여준 최근의 연구결과의 연장선상에서 고선량에 대한 항산화 isoenzyme 유전자발현 및 단백질 활성에 대한 조사는 방사선의 식물작용 이해와 방사선 또는 산화스트레스 내성 식물의 개발에 매우 중요하다.</p><p>따라서 본 연구에서는 벼 식물체에 고선량 조사 후 단백질과 엽록소 및 카로테노이드 함량의 변화로 손상의 정도를 측정하는 한편 대표적인 항산화 효소인 SOD의 단백질 활성 및 유전자 발현을 isoenzyme 수준에서 시간별로 분석하여 고선량에 의한 벼 식물체의 손상과 SOD isoenzyme의 활성 및 유전자 발현과의 관계를 밝히고자 하였다.</p>