황병국 교수 연구팀 새로운 식물병 면역성 세포사멸기작 규명
- 병생성관련단백질의 상호작용으로 식물병 저항성 증대 -
▲고려대학교 생명공학부 최두석 박사(좌)와 황병국 교수(우)
고려대 생명과학대학 생명공학부 황병국 교수 연구팀(제 1저자 최두석 박사)은 고추 식물이 세균성점무늬병원균 (Xanthomonas campestris pv. vesicatoria) 감염에 대해 면역반응을 일으킬 때에 병생성관련단백질인 PR10 (PATHOGENESIS-RELATED PROTEIN10)이 병저항성관련 단백질 LRR1 (LEUCINE-RICH REPEAT1)과 상호작용을 함으로써 병저항성 세포사멸반응을 유도하는 과정을 최초로 밝혀냈다.
식물은 병원균 침입에 방어하기 위하여 선천적 면역성(Innate Immunity)을 보유하고 있으며 병생성관련단백질들이 이 면역성에 관련이 되어 있다고 알려져 있다. 특히 이중에 병생성관련단백질10(PR10) 그룹의 여러 단백질들은 알레르기 유발 항원 (allergen)으로 알려져 있으며 일부 PR10은 리보핵산분해활성(RNase Activity)을 가지고 있다.
식물에서 과민성세포사멸반응(Hypersensitive Cell Death, HCD)은 외부병원균 침입에 대항하여 가장 빠르고 강하게 나타나는 저항성 반응이다. 이 HCD에 대한 연구는 병저항성기작 규명과 나아가 병저항성 작물의 분자적 육종의 유전자원 획득을 위하여 활발히 수행되고 있다. 황병국 교수 연구팀은 수년간 HCD에 관여하는 유전자에 대해 연구하던 과정에서 PR10 단백질의 관련성을 찾게 되었고 특히 병저항성 관련 단백질 LRR1과의 단백질-단백질간 상호작용을 통하여 면역성이 증대된다는 사실을 최초로 밝히게 됐다.
PR10 유전자를 일시적으로 과발현(Transient Expression) 시키면 발현 부위에 급속히 활성산소가 발생하면서 고추와 야생담배(Nicotiana benthamiana)의 잎에서 세포사멸이 일어나게 되는데 여기에 LRR1 유전자를 함께 과발현시키면 PR10에 의한 과민성 반응의 속도와 강도가 증가하였다. 또한 PR10과 LRR1 각각의 유전자를 애기장대(Arabidopsis)식물에 도입하여 형질전환식물을 제작한 후에 이들 식물을 교배하여 얻은 이중형질전환식물체는 병원균의 침입이전에 이미 저항성 기작을 발현하고 있으므로 병원균 침입이후에도 면역반응이 향상되었다.
이번 연구 성과는 식물의 과민성세포사멸기작 규명의 일환으로 이루어진 것으로 병생성관련 단백질의 면역성 증대 과정을 밝히는 새로운 패러다임을 제시함을 인정받아 식물학 분야의 최고 권위지인 Plant Cell의 온라인판(2012년 4월 6일자)에 논문이 게재됐다.
이 논문은 2012년 2월에 고려대에서 박사학위를 취득한 최두석 박사의 학위 논문 연구 주제로, 지도교수인 황병국 교수는 “최두석 박사는 작년에 식물호르몬반응성 ABR1 유전자의 병저항성 역할을 규명한 논문을 Plant Cell 23:823-842(2011)에 발표하고 연이어 Plant Cell 에 박사학위 연구결과를 발표함으로써 세계 식물학계에 차세대 젊은 식물학자로써 연구 성과가 크게 기대된다.”고 높게 평가하고 있다. 최두석 박사는 현재 고려대 BK생명공학연구사업단 박사후연구원으로 연구를 수행하고 있다.
※ Plant Cell 논문게재근거:
Requirement of the Cytosolic Interaction between PATHOGENESIS-RELATED PROTEIN10 and LEUCINE-RICH REPEAT PROTEIN1 for Cell Death and Defense Signaling in Pepper
Du Seok Choi, In Sun Hwang, and Byung Kook Hwang
Plant Cell published April 2012, 10.1105/tpc.112.095869
This work identifies the pathogenesis-related protein10 (PR10) as an interacting partner of the leucine-rich repeat protein1 (LRR1). It shows that LRR1 expression enhances PR10-mediated cell death that is dependent on the cytoplasmic localization of the PR10-LRR1 complex.
◆ 붙임자료 1
고추잎에 PR10 유전자를 과발현시키면 세포사멸이 약하게 일어나지만 LRR1이 함께 과발현하면 세포사멸이 현저하게 증가하였다.
◆ 붙임자료 2
PR10과 LRR1 유전자를 과발현시킨 형질전환 애기장대 (Transgenic Arabidopsis) 잎에 세균성 병원균 Pseudomonas syringae pv. tomato 를 접종하면 야생형 식물(Col-0)에 비해 PR10과발현 형질전환식물에서 병징이 현저하게 감소하는 저항성반응을 보였다.
◆ 붙임자료 3
PR10과 LRR1에 형광표지단백질(Yellow Fluorescence Protein, YFP)를 결합하여 야생담배(Nicotiana benthamiana) 잎에 발현시킨 후 공초점레이저현미경(confocal laser microscope)로 관찰한 결과. 단백질 상호작용은 노란색 형광으로 관찰된다. 인위적으로 세포핵에서 상호작용하도록 NLS (Nuclear Localization Sequence) 염기서열을 결합시켜 발현시킬 경우 핵에서 상호작용하지만, 핵으로 가지 못하는 돌연변이염기서열(nls)을 결합시킬 경우 세포질에서 결합한다. DAPI는 핵을 염색하여 핵의 위치를 나타낸다.
◆ 붙임자료 4
PR10과 LRR1을 Nicotiana benthamiana 잎에서 발현시킨 후 세포 사멸 반응을 관찰한 결과. 인위적으로 핵에서 상호작용하도록 NLS (Nuclear Localization Sequence) 염기서열을 결합시켜 발현시킬 경우 세포사멸이 일어나지 않지만 핵으로 가지 못하는 돌연변이염기서열(nls)을 결합시킬 경우 세포질에서 결합하면서 세포사멸반응이 일어난다. 이것은 두 단백질의 세포 말하여 준다.
◆ 붙임자료 5
PR10과 LRR1 유전자를 과발현시킨 형질전환 애기장대식물 (Transgenic Arabidopsis). PR10과 LRR1이 모두 발현하는 형질전환식물은 면역세포사멸반응의 발현으로 야생형식물(Col-0)에 비해 식물생장이 현저하게 지연되었다.
◆ 붙임자료 6
PR10과 LRR1 유전자를 과발현시키는 형질전환 애기장대식물 (Transgenic Arabidopsis)에 노균병균 (Hyaloperonospora arabidopsidis)을 접종하면 야생형 식물(Col-0)에 비해 PR10을 과발현하는 형질전환식물에서 병징이 감소되었다. 특히 PR10과 LRR1이 함께 발현하는 식물에서는 저항성 반응이 더 증가되었다. (Visible, 하얀색 분생포자경을 관찰; DAB, 활성산소을 염색하여 현미경으로 관찰; Aniline blue, 면역반응으로 축적되는 칼로스를 염색하여 현미경으로 관찰; Trypan blue, 병원균이 생성하는 균사와 포자를 염색)