유전자 대 유전자 가설 (Gene-for-gene hypothesis)

유전자 대 유전자 가설 (Gene-for-gene hypothesis)

유전자 대 유전자 가설 (Gene-for-gene hypothesis) 또는 유전자 대 유전자 관계 (Gene-for-gene relationship)은 아마(Linum usitatissimum)의 녹병균(Melampsora lini)을 연구하던 학자 Harold Henry Flor에 의해 처음 제시되었습니다. 그는 기주 식물의 저항성과 병원균의 병원성이 유전이 서로 쌍을 이루는 유전자들에 의해 제어되는 것을 보여주었습니다. 식물에 있는 유전자는 저항성 유전자(resistance gene, R)이고, 병원균에 있는 것은 비병원성 유전자(Avirulence gene, Avr)입니다. 특정 R 유전자 산물을 생성하는 식물은 대응하는 Avr 유전사 산물을 생성하는 병원균에게 저항성을 갖습니다. 유전자 대 유전자 관계는 식물 병 저항성의 광범위 하고 매우 중요한 측면 입니다.

Clayton Oscar Person은 기주-병원균 시스템에서 유전학적 비율보다는 식물 병원 시스템(Plant pathosystem) 비율을 연구한 최초의 과학자였습니다. 그는 모든 유전자 대 유전자 관계에 공통적인 차등 상호작용(differential interaction)을 발견했으며, 이는 the Person differential interaction으로 알려져 있습니다.

저항성 유전자

저항성 유전자의 종류

R 유전자에는 다양한 종류가 있습니다. 주요 부류는 NBS-LRR 유전자와 세포 표면 패턴 인식 수용체(cell surface pattern recognition receptor, PRR)입니다. NBS-LRR 유전자들의 단백질 생성물은 뉴클레오타이드 결합 부위(nucleotide binding site, NBS)와 루신 풍부 반복(Leucine-rich repeat, LRR)을 포함합니다. PRR의 단백질 생성물은 세포 외, 막 주위, 경막 및 세포 내 non-RD kinase domain을 포함합니다.

R 유전자의 NBS-LRR 분류 내에는 두 개의 하위 분류가 있습니다:

 ● 하위 분류 중 하나는 N-terminal 쪽에 Toll/Interleukin 1 receptor homology region (TIR)이 있습니다. 여기에는 담배 모자이크 바이러스(TMV)에 저항성을 갖는 담배의 N 저항성 유전자가 포함되어 있습니다.

 ● 다른 하위 분류는 TIR이 없고, 대신 N-terminal 쪽에 leucine zipper region이 있습니다.

이러한 분류의 저항성 유전자에 의해 생성되는 단백질 생성물은 식물 세포질 내에 위치합니다.

PRR 분류의 R 유전자들의 예로는 ax21 펩타이드를 인지하는 벼의 XA21 저항성 유전자와 세균 편모의 flg22 펩타이드를 인지하는 애기장대의 FLS2 펩타이드가 있습니다. 

세포 외 LRR 분류의 저항성 유전자들의 예로는 Xanthomonas에 저항성인 벼의 Xa21D와 Cladosporium fulvum에 저항하는 토마토의 cf유전자가 있습니다.

Peseudomonas 토마토 저항성 유전자 (Pto)는 자기 자신만의 부류에 속합니다. 이것은 Ser/Thr kinase를 생성하지만 LRR이 없습니다. 이것은 활성을 위해서 연결된 NBS-LRR 유전자인 prf를 필요로 합니다. 

저항성 유전자의 특이성(Specificity of resistance gene)

(특정 Avr 유전자의 생성물을 인식하는)R 유전자의 특이성은 LRR에 의해 부여된다고 믿고있습니다. LRR은 길이가 약 24 아미노산인 모티프의 다중 연속 반복이고, 일정한 간격으로 leucine 또는 다른 소수성 잔기가 있습니다. 일부는 규칙적으로 간견을 둔 proline과 arginine을 포함 할 수도 있습니다.

LRR은 단백질-단백질 상호작용에 관여하며, 저항성 유전자 중 가장 큰 변이는 LRR 영역에서 발생합니다. 아마 녹병 저항성 유전자들에서 수행된 LRR 바꿔치기 실험은 비병원성 유전자의 변화에 따른 저항성 유전자의 특이성을 보여주었습니다.

열성 저항성 유전자(Recessive resistance gene)

대부분의 저항성 유전자들은 상염색체 우성이지만, 일부 특이적이 경우로 보리의 mlo 유전자는 열성 대립형질에 의해 부여되는 단일유전자 저항성을 갖는다.

비병원성 유전자

"비병원성 유전자"라는 용어는 기주와의 상호작용에 대한 특이성을 결정하는 유전자를 나타내는 광범위한 용어로 유용합니다. 따라서 이 용어는 보존되어 있는 미생물의 표지(pathogen or microbe associated molecular pattern, PAMPs or MAMPs) 및 병원균 이펙터 (예: 세균의 Type III 이펙터 및 난균 이펙터) 뿐만 아니라 이러한 분자들의 활성의 변화를 제어하는 모든 유전자를 포함할 수 있습니다.

비병원성 유전자 산물 간에는 공통된 구조가 없습니다. 왜냐하면 식물에 의해 인식이 되는 단백질을 보유하고 있는 병원균에게 진화적인 이점이 없기 때문입니다. 그러므로 Avr 유전자의 생성물은 유전적으로 감수성인 기주에서 병원력에 중요한 역할을 한다고 여겨집니다.

예를 들어 AvrPto는 다른 이펙터와 같이 N-myristoylation에 의해 원형 질막으로 표적화 되는 작은 3중 나선 단백질 입니다. 이것은 PRR kinase domain의 억제제(inhibitor) 입니다. PRR은 PAMP가 탐지되면 면역을 유도하기 위해 식물에 신호를 보냅니다. 식물에서 AvrPto의 Receptor kinase를 표적하는 능력은 병원력 기능에 필요합니다. 그러나 Pto는 저항성 유전자로 AvrPto를 탐지하고 저항성을 유도할 수 있습니다. AvrPto는 P. syringae 계통에 보존되어 있는 고전적 이펙터인 반면 Pto 저항성 유전자는 오직 몇 개의 야생 토마토 종에서만 발견이 됩니다. 이것은 Pto 저항성 유전자가 최근에 진화했다는 것과 AvrPto를 표적으로 하는 진화의 압력을 제시하며, 병원성 이펙터를 비병원성 이펙터로 전환했다는 것을 보여줍니다.

기주의 PRR에 의해 인식이 되는 MAMP와 PAMP 부류의 avr 유전자들과 달리 , 세균 이펙터 avr 단백질의 표적은 식물의 선척 면역 신호에 관련 된 단백질들로 보이고, 동물 병원균에서 Avr 유전자의 상동단백질들이 이것을 보여주었습니다. 예를 들어, AvrBs3 단백질군은 DNA 결합 도메인, nuclear localisation signals, 산성 활성화 도메인을 가지고 있으며, 기주 세포 전사를 변경함으로서 기능을 한다고 여겨집니다.

보호 가설(The guard hypothesis)

오직 일부의 경우에만 R 유전자 산물과 Avr 유전자 산물이 직접적으로 상호작용을 합니다. 예를 들어 FLS2와 XA21은 모두 미생물 펩타이드와 상호작용을 합니다. 반면에 NBS-LRR 부류의 R 유전자인 경우, 대부분의 R/avr 쌍에서 직접적인 상호작용이 나타나지 않았습니다. 직접적인 상호작용에 대한 증거의 부족은 NBS-LRR 부류의 R 유전자에 대해 보호 가설이 생기게 하였습니다.

이 모델은 R 단백질이 Avr 단백질의 표적인 Guardee로 알려진 단백질과 상호작용하거나 보호한다고 제안합니다. R 단백질이 guardee 단백질의 간섭을 감지하면 저항성이 활성화 됩니다.

몇 가지 실험이 이 가설을 뒷받침합니다. 애기장대의 Rpm1 유전자는 Pseudomonas syringae의 두 개의 무관한 비병원성 인자와 반응할 수 있습니다. Guardee 단백질은 RIN4이며, 이는 Avr 단백질에 의해 과인산화 됩니다. 보호 가설을 뒷받침할 만한 또 다른 주목할 만한 연구는 RPS5 쌍이 AvrPphB에 대한 guardee로서 단백질 kinase인 PBS1을 사용한다는 것 입니다.

토마토 Pto / Prf / AvrPto 상호작용에 대한 Yeast two-hybird 연구는 비병원성 단백질 AvrPto가, Pto가 LRR을 가지고 있자 않아도, Pto와 직접적으로 상호작용한다는 것을 보여주었습니다. 이것은 Pto를 guardee 단백질로 만들었고, NBS-LRR 단백질 Prf에 의해 보호되는 것 이었습니다. 그러나 Pto는 자체로도 저항성 유전자이며, 이것은 보호 가설에 대한 논쟁거리 입니다.

출처: https://en.wikipedia.org/wiki/Gene-for-gene_relationship#Avirulence_genes