Mapping of various disease resistance genes in Arabidopsis thaliana

Abstract

생명체들은 다른 생명체들과 함께 살아가기 위하여 여러가지 형태의 생존방식을 택한다. 종 내에서는 사회화나 종내 경쟁과 같은 방식을 보이는데, 서로 다른 종과는 공생이나 기생과 같이 다른 종을 이용하여 살아가는 형태를 보인다. 외부로는 이러한 형태로 다른 생명체들과 상호작용을 보이는데, 개별적인 생명체 내에서는 외부로부터의 침입을 막는 면역체계가 발달했다. 이 면역체계는 크게 선천성 면역과 후천성 면역으로 나뉜다. 선천성 면역은 주로 외부 생명체의 보존된 아미노산 서열이나 단백질 구조를 인식하여 일어나며, 후천성 면역은 면역세포가 외부 물질을 인식하고 학습하여 특이적으로 작동한다. 동물은 선천성 면역과 후천성 면역체계를 모두 갖추고 있지만, 식물은 선천성 면역체계에 의존하여 외부 물질에 저항한다. 식물의 선천성 면역체계는 크게 두 단계로 나뉘는데, PTI (PAMP-triggered immunity)와 ETI (Effector-triggered immunity)가 그것이다. PTI는 식물 병원균이 주로 지니고 있는 단백질 구조를 인식하며 작동한다. 두 번째 단계인 ETI는 PTI보다 강한 면역반응을 보인다. 병원균은 PTI를 억제하기 위해 식물 세포 내부로 이펙터 단백질을 주입하는데, 식물의 R protein이 이를 인식하여 강력한 면역반응을 일으킨다. 선천성 면역과 후천성 면역체계를 모두 갖추고 있는 동물에게서 간혹 자신을 외부 물질로 인식하여 일어나는 자가면역질환이 일어난다. 이는 후천성 면역체계와 깊은 관련이 있는데, 후천성 면역체계가 발달하지 않은 식물 종들에게도 자가면역으로 인한 반응이 관측된다. 이는 식물 면역 수용체나 면역반응에 관여하는 단백질들의 잡종 불화합성에 의해 일어난다고 보고된 바 있다. 식물 면역 수용체는 주로 다합체로써 작동하는데, 잡종 불화합성에 의하여 항상 활성화된 면역 다합체가 만들어진다. 활성화된 면역 다합체는 병원균이 없는 환경에서도 끊임없이 면역반응을 이끌어낸다. 식물체 내의 전반적이고 지속적인 면역반응으로 인하여, 자가면역반응이 일어나는 식물 개체는 생장이 저해되고 세포 괴사가 일어나기도 한다. 이 연구에서는 애기장대의 생태형인 No-0과 Ct-1의 잡종 1세대에서 일어나는 자가면역반응이 어떤 면역 단백질에 의하여 일어나는지 알아보았다. 식물 면역 단백질의 불화합성은 주로 두 종류의 다른 유전자에서 발현하는 단백질들에 의하여 일어나는데, No-0과 Ct-1의 잡종세대에서 일어나는 자가면역반응은 한 가지 유전자에서 발현하는 단백질에 의해 일어난다고 추정된다. 이 면역 단백질을 발현하는 유전자는 애기장대 염색체 4번의 8,200,000bp 근처에 위치하고 있다. 한 가지 면역 단백질에 의하여 나타나는 자가면역질환은 생태형마다 다르게 가지고 있는 대립유전자 간의 불화합성 때문에 발생하는 것으로 보인다. 다양한 작물에 무늬병을 일으키는 Xanthomonas campestris pv. vesicatoria (Xcv)의 이펙터 AvrBsT는, 특히 토마토와 고추에서 서로 다른 방식으로 인식된다고 보고된 바 있다. AvrBsT는 애기장대에서도 병원균 이펙터 단백질로써 인식되어 과민성 반응을 일으킨다. 이 연구는 애기장대의 어떤 면역 수용체에 의하여 AvrBsT가 인식되는지 구명한다. 그런데 AvrBsT에 의해 일어난 과민성 반응은 SOBER1 (Suppressor of AvrBsT-elicited Resistance 1) 단백질이 결핍된 환경에서만 일어난다. AvrBsT가 속한 단백질 그룹인 YopJ family에서 가장 유사한 단백질은 HopZ5이며, HopZ5는 애기장대의 RPM1에 의하여 인식된다. AvrBsT가 애기장대의 RPM1 면역 단백질에 의하여 인식되는지를 확인하기 위하여, SOBER1 단백질이 결핍되어 있지만 AvrBsT에 의한 과민성 반응의 결과는 상반되는 애기장대 생태형 Ct-1과 Tscha-1의 잡종 2세대에서 과민성 반응이 일어나지 않는 개체는 모두 Tscha-1의 RPM1을 발현하는 대립유전자를 지니고 있다는 것이 밝혀졌다. Pseudomonas syringae pv. actinidiae (Psa)박테리아는 키위 나무에 궤양병을 유발한다. 특히 Psa의 HopZ5 이펙터 단백질이 궤양병을 유발하는데 중요한 역할을 하는데, 이 HopZ5 이펙터를 Pseudomonas syringae pv. tomato DC3000 (Pst DC3000)에 매개하여 발현시키면 제 기능을 하지 못한다. 이는 Pst DC3000이 발현하는 36개의 이펙터 단백질이 HopZ5의 활성화를 방해하거나 식물의 면역 체계가 HopZ5를 인식하지 못하게 하는 것으로 보인다. 이 연구는 어떤 이펙터가 HopZ5에 의한 애기장대의 과민성 반응을 억제하는지 구명하기 위해 진행되었다. Pst DC3000의 이펙터 중에서, HopK1이 부분적으로 HopZ5에 의해 일어나는 과민성 반응을 억제하는 것이 관찰되었다. 하지만 HopK1은 HopZ5에 의해 일어나는 과민성 반응을 부분적으로 억제할 뿐, 완벽하게 억제하지는 못했다. 이 결과에서 HopZ5을 억제하는 데에는 한 가지 이상의 이펙터 단백질이 관여한다는 사실을 도출할 수 있다.

The organisms have different surviving strategies. They show a socialization or intraspecific competition in the one species but they adopt to be symbiotic or parasitic interaction interspecifically. For each living creature, individuals have evolved to construct the immune system to block the invasion of foreign objects. The immune system consists of an innate immune and adaptive immune systems. The innate immune system is uniformly operated by recognizing conserved foreign amino acid sequences or protein structures. The adaptive immune system recognizes and learns which foreign objects are, so this system operates the antigen-specific ways. Animals, especially vertebrates, have evolved to prepare both immune systems, but the plants have evolved to depend on the only innate immune system. The innate immune system of plants consists of two steps; PTI (PAMP-triggered immunity) and ETI (Effector-triggered immunity). PTI is induced by recognizing PAMP (Pathogen-associated molecular pattern) which is widely conserved sequences of pathogens. Pathogens inject the effector proteins into plant cells to inhibit the first immune response. ETI, which is the second layer of the plant’s immune system, is operated by these injected effector proteins. R (Resistance) proteins play an important role in inducing a strong effector-triggered immune response. Animals, which have both innate and adaptive immune systems, sometimes undergo the autoimmune disease. This self-attacking symptom is deeply connected with the adaptive immune system, but the plants were also reported to undergo autoimmune-response. According to previous reports, this is caused by the hybrid incompatibility of immune proteins in plants. The plant's immune receptors usually form a multimeric structure to be active. The mutated monomers forming the multimeric structure induce immune responses continuously without pathogens. This continuous wide immune response makes plants have a stunted phenotype or a necrosis. This study tries to identify which immune protein causes the hybrid necrosis of the No-0 x Ct-1 F1 hybrids. The reported autoimmune response is caused by the hybrid incompatibility of two different immune genes or one gene's allelic difference. For this case, the No-0 x Ct-1 F1 hybrids are incompatible because of the allelic difference of one gene which locates nearby 8,200,000bp on chromosome 4 in Arabidopsis thaliana. The effector AvrBsT derived from Xcv (Xanthomonas campestris pv. vesicatoria) causing the leaf spot symptom was reported the differently recognizing pathways in tomato and peppers. AvrBsT causes the HR (hypersensitive response) in Arabidopsis thaliana. The aim of this study is to identify what immune receptor recognize and induce the immune response in A.thaliana. The AvrBsT-mediated HR is induced for the accessions which lack SOBER1 (Suppressor of AvrBsT-elicited resistance 1). The ecotypes of Ct-1 and Tscha-1 lack SOBER1 but they show the opposite response by AvrBsT. Ct-1 shows AvrBsT-mediated HR but Tscha-1 doesn’t show. This study identified the Ct-1 x Tscha-1 F2 individuals, which is not induced AvrBsT-mediated HR, carry the RPM1Tscha-1 allele. Psa (Pseudomonas syringae pv. actinidiae) causes the bacterial canker symptom on kiwifruit. The effector HopZ5 derived from Psa has an important role to cause the symptom. By the way, HopZ5 expressed from Pst DC3000 (Pseudomonas syringae pv. tomato DC3000) doesn’t trigger HR. It seems that the 36 effectors derived from Pst DC3000 interfere HopZ5-mediated HR in A.thaliana. The aim of this study is to identify which Pst DC3000 derived effector inhibits the HopZ5-mediated HR. HopK1 partially interferes HopZ5-mediated HR but it doesn't perfectly inhibit.