비병원성 유전자의 기능 이해에 대한 전망 (White et al., 2000)

이 글은 2000년에 White et al.에 의해 쓰여진 리뷰 논문을 번역한 것 입니다. 

무려 17년 전 당시에는 비병원성 유전자에 대하여 어떻게 생각 했나 볼 수 있습니다. 

비병원성 유전자의 기능 이해에 대한 전망

(Prospects for understanding avirulence gene function)

병원균의 비병원성 유전자는 기주식물의 저항성 반응을 유도 합니다.

비병원성 유전자는 대응하는 저항성 유전자에 의해 정의 됩니다.

병원성 유전자로서 비병원성 유전자

Xanthomonas campestris pv. vesicatoria에서 avrBs2를 발견한 이후부터 이중 역할을 하는 세균의 비병원력 유전자의 숫자가 늘어났습니다. 이러한 유전자들의 병원력 효과는 감염된 조직에서 세균의 숫자에 영향을 미치고 병반의 크기, 수 또는 모양의 변화로 식별할 수 있습니다. avrBs2 돌연변이는 Xanthomonas가 저항성 유전자 Bs2가 없는 고추 품종에서 잘 자랄 수 없게 합니다 (저항성 유전자가 없는 경우 비병원력 유전자에 돌연변이가 생기면 병원력이 약해진다). AvrBs2 유전자는 많은 Xanthomonas 종에서 발견이 되고 이 유전자가 생성하는 폴리펩타이드는 agrocinopine synthase와 glycerol phosphodiesterase와 관련있는 것으로 보아 이 속의 많은 구성원들의 병원성에서 효소적 역할을 하는 것 같습니다. AvrBs2가 기주 세포에서 발현되는 사실로 보아 이 단백질이 세균에서 분비되어 기주에서 작용하는 것 같습니다. 식물세포내에 있는 다양한 phosphorylated-lipid-derived 신호 분자들이 AvrBs2의 잠재적 기질로 작용할 수 있습니다.

일부 세균의 비병원력 유전자의 내재적 성질을 평가할 때 어려운 점 중 하나는 적절한 종, 균주 또는 병원형, 또는 특정 병원형이 특정 품종 또는 종에 존재하는 경우에만 병원력에 현저한 효과가 있다는 것 입니다. AvrA와 avrE의 병원력 효과는 오직 Pseudomonas syringae pv. Tomato, PT23 균주에서만 관찰되었습니다. AvrE 유전자좌는 2개의 코딩 서열로 이루어져 있고 병원력과 비병원력의 활성을 위해서는 2개의 폴리펩타이드가 모두 필요합니다. AvrE 하류에 있는 ORF의 산물인 AvrF는 chaperone의 특징을 가지고 있고 아마도 AvrE의 분비에 관여하고 할 것 입니다. AvrE의 상동체는 원래 Erwinia amylovora에서 결정적인 병원력 인자인 DspE(또는 DspA) 와 DspF(또는 DspB)로 확인 되었습니다. 그러나 이러한 상동체들은 비기주 종에 과민성반응을 유도하기 위해 필요하지는 않았으므로 질병 특이적 유전자좌(Disease specific loci, Dsp)로 확인 되었습니다. DspEF 유전자좌를 P. syringae pv. glycinea로 이동시켰을 때도 비병원성 유전자좌로 기능을 하였습니다. 비병원력 활성에 관여하는 폴리펩타이드는 아직 밝혀지지 않았습니다. AvrPto의 병원력 효과는 P. syringae pv. tomato 균주 T1으로 이동시켰을 때 관찰되었습니다. AvrRpm1 (또는 avrPmaA1, RPM1)은 애기장대에서 P. syringae pv. maculicola의 완전한 병원력에 필요합니다. 그러나 완두콩에서 P. syringae pv. pisi의 동일한 대립 유전자의 소실은 아무런 효과가 없었습니다. AvrRpt2는 No-0 land race 애기장대의 P. syringae pv. tomato DC3000 균주에서 병원력 효과가 있지만, land race Col-0에서는 효과가 없었습니다 (기능을 하는 RPS2가 없는 race). 흥미롭게도 avrRpt2는 Col-0에서 발현되었을 때 유해한 영향을 미치는 것으로 밝혀졌는데, 이는 코딩된 단백질들이 애기장대의 두 land race에 영향을 줄 수 있음을 나타내지만 세균의 병원력을 증강 시키는 효과는 오직 No-0에서만 관찰 가능하였습니다. 흥미롭게도, avrRpt2는 rps2 돌연변이 Col-0에서 P. syringae pv. maculicola ES4326 세균 집단의 크기를 증가시켰습니다.

비병원력 유전자의 내재적 병원력 가치는 병원력 분석에 포함되어 있지 않은 환경적 조건 또는 역학적 요인이 필요할 수도 있습니다. X. campestris pv. malvacearum의 avrb6는 잎에 접종된 세균 집단의 크기를 변화시키지는 않지만, 잎 표면에 더 많은 수의 세균을 방출 합니다. 그러므로 잘 분석되지 않는 병원균의 방출 및 침투 또는 침입은 병원균 집단의 크기와 같이 중요할 수 있습니다. Avrb6는 AvrBs3 비병원력 유전자군 중 하나로 이 유전자군은 많은 이중 작용 유전자를 가지고 있습니다. 예를 들어 면화 병원균 X. campestris pv. malvacearum과 벼 병원균 X. oryzae pv. oryzae 균주들안의 다수의 avrBs3군 보유는 재조합으로 인해 추가적인 병원력 대립 유전자의 생성을 촉진할 수 도 있습니다. 명백한 병원력 활성이 없는 균주들은 고장난 병원력 인자를 가지고 있거나 다른 기주 종에 특이적인 병원력 요인을 가지고 있을 것 입니다. 추가적인 대립 유전자는 아마도 균주에게 넓은 기주 범위를 갖게 하거나 벼와 면화 같은 대대적으로 관리되는 작물 종의 저항성 유전자 배치에 좀 더 신속하게 적응을 할 수 있게 할 것 입니다.

병원력 유전자와 일반적인 기주 방어 반응

일부 비병원력 유전자 산물들의 역할에 대한 실제적 모델은 Type III secretory system을 사용하여 병원력과 침입성을 증가시키는 Yersinia spp.(및 연관된 세균)의 침입 과정에서 일어나는 사건들로부터 도출 할 수 있습니다. 세균성 지단백질 및 Yersinia의 지질다당체는 다른 화합물 중에서 기주 전염증 반응을 일으킵니다. 세균은 type III pathway를 통해 다양한 요인들을 분비하고 신호전달 과정을 방해합니다. 영향을 받는 일부 기주 경로의 구성은 MAP kinases, GTP-binding protein, actin filaments로 밝혀졌습니다. 미생물에서 생성되는 다양한 화합물도 식물의 방어 유전자의 발현을 유도 합니다. Elicitor는 병원력이 있는 균주를 포함하여 광범위한 세균에서 생성됩니다. 그러므로 반응은 특정적 비병원력 유전자에 대한 반응과 대비하여 비기주적 또는 일반적 저항성이라고 숙고 됩니다. MAP kinases들이 일반적인 elicitor에 의해 활성화 되는 것을 식물에서 발견하였고, 적어도 하나의 GTP-binding factor가 프로그램된 세포 사멸과 관련이 있었습니다. 일부 비병원력 단백질들의 병원력 기능은 병원성 세균의 Type III depedent factors와 유사할 수 있는데, 이는 일반적인 방어 반응의 구조적 경로 및 신호를 간섭하는 것 일 수도 있습니다. 관련된 개별 요인에 대한 확인은 필요하지만, 기주의 방어 유전자 발현에 대한 Hrp-dependent 간섭이 발생한다는 것은 보여주었습니다.

유전학적 접근 방법이 일반적인 방어 반응에 관련된 유전자들을 찾기 위해 진행 중 입니다. 병원균의 생장을 증가시키는 세 유전자 EDS1, PAD4, NDR1은 클로닝 되고 특징이 밝혀졌습니다. EDS1과 PAD4는 lipases와 서열 유사성이 있고, NDR1은 막단백질로 예측이 되었고 잠재적인 생화학 기능이 없는 걸로 나타났습니다. PAD4와 EDS1은 phospholipid signaling cascade를 시작할 수도 있습니다. 일부 비병원력 유전자의 활성 특히 돌연변이가 있는 avrBs2의 기능 결정하는 것은 흥미로울 것입니다. 병원균에 의한 방어 반응을 특정 짓는 생화학적 방법도 진행 중입니다. 세균 flagellin의 보존된 부분은 최근에 방어 유전자 발현을 유도하는 잠재적 elicitor로 입증되었습니다. 활성 펩타이드는 다양한 병원성 세균에 존재하고 광범위한 식물 종에서 나노 몰라 수준에서 인지가 됩니다. 생화학적 분석은 병원성 세균에서부터 유래된 각각의 병원력 인자가 표적하는 신호 복합체를 발견하는데 도움이 될 것 입니다.

식물 및 동물 병원성 세균에서 공유된 병원력 인자들

식물과 동물세포에서 보존된 신호 경로는 avrRxv/yopJ 유전자 군의 광범위한 구성원에 반응 할 수 있습니다. 이 유전자군의 구성원들은 다양한 그램 음성 세균과 공생균에서 발견이 됩니다. 최초의 avrRxv 유전자는 X. campestris pv. vesicatoria에서 X. campestris pv. phaseoli로 이동 시킨 후에 발견되었고, 이로인해 X. campestris pv. phaseoli를 특정 콩 품종에 incompatible strain으로 변환시켰습니다. 관련된 유전자들이 X. campestris pv. vesicatoria (avrBsT), P. syringae pv. syringae, Erwinia amylovora, Rhizobium leguminosarum에서도 발견이 되었습니다. 비록 avrRxv가 병원력에 필요하다고 보여지지는 않았지만, avrRxv의 단백질 생성물은 Yersinia pseudotuberculosis의 병원력 인자 YopJ와 서열 관련성이 있었습니다. YopJ는 Y. pestis (YopP)와 Salmonella typhimurium (AvrA)에 추가적인 상동체가 있습니다. YopJ, YopP, YopA는 Type III system에 의해 분비되며 병원력이 필요합니다. 최근에 YopJ가 Yersina 감염에 관련된 염증 반응에 포함된 MAPKK1과 IKKβ (an inhibitor of NFκb kinase kinase)에 붙는 다는 것을 보여주었습니다. 그러므로 AvrRxv와 관련 단백질들이 MAP kinases와 상호작용하는 것으로 추측할 수 있습니다.

세포 소기관을 표적하는 비병원력 유전자 산물들

병원력 효과를 갖는 비병원력 유전자 두 그룹의 산물은 기주 세포 내 특정 소기관을 표적하는 것처럼 보입니다. 첫 번째 그룹의 구성원들은 myristoylation morif의 존재로 확인할 수 있고 기능을 한다면 세포질 표면의 막으로 단백질들을 국한시킬 것 입니다. AvrPto의 motif는 비병원력과 병원력 활성에 필요로 합니다. 두번째 위치를 glycine으로 치환하면 (G2A 돌연변이) 모든 AvrPto의 활성을 없애버리나, 변형된 단백질은 여전히 분비되고 Pto와의 상호작용도 가능합니다. 식물에서 발현시 야생형 AvrPto는 기주 세포의 막 분획에서 거의 독점적으로 발견이 되는 반면, G2A 돌연변이는 가용성 분획에 존재하였습니다. 흥미롭게도 Pto는 myristoylation site를 가지고 있습니다. Pto에서 두 번째 glycine의 치환은 토마토의 저항성을 부여하는 능력에 아무런 영향을 미치지 못했습니다. 이 연구에서 한가지 주의할 점은 돌연변이 Pto 유전자가 강한 CaMV35S promoter를 사용하여 발현 되었는데, 이것은 내재적 promoter에 의한 발현패턴을 나타내지 않았을 수도 있다는 것 입니다. 야생형 promoter를 이용한 실험이 진행 중 입니다. AvrRpm1에 대응하는 저항성 유전자 Rpm1은 내부 원형질막과 연관되어 있습니다. AvrRpm1은 myristoylation motif를 가지고 있고 아마도 내부 원형질막 표면에 표적될 것 입니다. 서열 유사도로 서로 연관된 AvrB와 AvrC도 중요성은 알려지지 않았지만 myristoylation motif를 가지고 있습니다. AvrB 또한 Rpm1에 의해 인식됩니다. AvrPto와 AvrRpm1의 병원력 기능은 알려지지 않았습니다. Pto는 serine/threonine kinase고 AvrPto는 저항성 신호와 관련하여 Pto에 붙는다는 것이 알려져 있습니다. 그럼으로 AvrPto도 kinase binding protein일 것 입니다. 비병원성 단백질들을 내부막으로 표적하는 것은 수용체-결합 신호 전달 경로를 간섭하는데 있어서 그들의 잠재적 역할과 일치할 수 있을 것 입니다.

세균 비병원력 단백질의 두 번째 구성원은 avrBs3 군으로부터 코딩됩니다. Xanthomonas 속에 국한된 이 단백질들은 기주 핵에 표적이 되는 것처럼 보입니다. 이 유전자군은 다양한 기주 식물의 다양한 저항성 유전자 특이성이 있는 많은 수의 서로 매우 비슷한 유전자들로 구성되어 있으며, 일부 두 가지 기능을 갖고 있습니다. 단백질의 중간 1/3은 34 아미노산의 반복 서열로 X. campestris pv. malvacearum의 Avrb6에서는 14카피 AvrXa7에서는 25카피가 있습니다. 이러한 반복서열은 개별 반복 서열의 코돈 12와 13에 존재하는 일관된 변이로 잘 보존되어 있습니다. 단백질군의 구성원은 가변 영역으로 식별되는 반복서열의 숫자와 순서가 서로 다릅니다. 중요하지만 알려지지 않은 비병원력과 병원력에 특이적으로 관여하는 구조적 특징은 반복 도메인 안에 있습니다. Nuclear localization signal(NLS)은 원형 유전자 산물의 C-terminal 코딩 부분에 존재하며 avrBs3와 avrXa의 비병원력 활성에 필요로 합니다. AvrXa7의 NLS 코딩 지역 또한 비병원력과 병원력 활성에 필요하며 SV40 T-antigen motif의 추가로 양쪽의 병원력을 복원할 수 있습니다. 핵에 도달했을 때의 AvrBs3-like 유전자 산물의 기능은 알려지지 않았습니다. 흥미롭게도 이 단백질은 C-terminal에 전사 활성 도메인을 가지고 있는데, 이것은 AvrXa10, AvrXa7, AvrBs3의 비병원력 활성에 필요합니다. AvrXa7 또한 병원력 활성을 위해 활성 도메인이 필요하고 최근에 이중 가닥 DNA binding protein이라는 것이 밝혀졌습니다. 그러므로 AvrXa7과 추론적으로 이 단백질군의 다른 구성원들이 전사 인자와 같은 특징이 있고 아마도 하나 또는 하나 이상의 유전자들의 전사를 변형할 수 있을 것 입니다. 이 단백질군의 보존된 특성은 다양한 기주 종에서 보존되어 있는 표적을 반영하는 것 입니다.

결론 및 추측

비병원력 유전자의 역할을 이해하는 것은 작물 보호에 실질적인 이점을 제공 할 수 있습니다. 병원성 인자와 그 기능적 도메인의 확인은 유전학자와 유전공학자들이 병원균들의 중요한 요소를 다루는 전략에 초점을 맞출 수 있도록 합니다. 식물 자체는 이미 일부 도구를 제공했을 수도 있습니다. 시간이 지남에 따라 병원균과 기주의 적응 과정은 중요한 병원성 인자 또는 그 인자 안의 중요한 도메인들을 기주 식물이 인지하게 했을 것 이고, 이것은 병원균을 강제적으로 저항성 반응을 일어나게 하거나 병원력이 약한 균주로 변환 하도록 결정하게 했을 것 입니다. 병원균이 저항성 유전자 산물에 적응하데 필요한 시간이 길수록 저항의 내구성은 커집니다. 식물에 의한 특정 성공적인 적응은 병원균 종의 기주 범위를 변경시킬 수도 있습니다. 병원균의 중요한 병원력 인자에 대응하는 저항성 유전자를 선택할 가능성은 이미 실험 중에 있습니다. Laugé et al.은 PVX vector에서 단백질을 발현시켜 Cladosporium fulvum의 병원력 인자 ECP2에 대응하는 저항성 유전자 Cf-ECP2를 찾아낼 수 있었습니다. ECP2는 C. fulvum의 모든 균주에 존재하며 심각한 질병을 일으키는 곰팡이의 능력에 결정적일 수도 있습니다. Cf-ECP2 유전자가 ECP2의 중요한 도메인을 인식하는지에 대한 여부와 ECP2가 인식 할 수 없는 활성 형태로 쉽게 전활 할 수 있는지에 대한 여부는 아직 밝혀지지 않았습니다. Bs2 유전자는 광범위하게 발생하는 이중 작용 avrBs2에 대응하며 다양한 Xanthomonas disease complex에 대항하여 배치할 수 있는 잠재적 저항성 유전자를 나타냅니다. 이 유전자는 최근에 클로닝 되었고, 다양한 작물 종에서 그 효과가 시험 될 수 있습니다. 이 방법의 잠재적 어려움 중 하나는 Bs2가 오직 Solanaceous 종에만 효과가 있다는 것 입니다. 그럼에도 불구하고, 소수의 이종 발현이 수행되었으며, 이종 종에서 Bs2 활성의 제한 인자가 더 잘 이해 된 후에 다른 종에서 유전자의 활성이 더 잘 이해 될 수 있을 것 입니다.

이 리뷰는 기주의 병원균 감시 시스템을 변경함에 따라 비병원력 유전자의 가능한 역할을 강조하였습니다. 병원력이 증진되는 작용 기전은 어떤 세균성 비병원 유전자 산물에 대해서도 발견되지 않았습니다. 일부 병원력 인자는 기주 세포의 방어 메커니즘 외에 생리학적 및 항상성 과정에 작용할 수도 있을 것 입니다. 예를 들어 세균에서 옥신의 분비는 기주식물에서 영양분 방출을 자극하고 phyllosphere에서 세균의 생장을 촉진한다고 제안 되었습니다. 일부 비병원력 단백질의 행동은 이들의 병원력과 저항성 기능에 관해 흥미로운 질문을 제기합니다.

- 병원력에 대한 특이적 localization motif의 명백한 필요성은 단백질이 특이적 위치, 아마도 방어 신호 전달 복합체를 표적으로 한다는 것을 나타냅니까?

- 비병원력 활성에 동시적 국한의 필요성은 기주 저항성 유전자 산물이 비슷하게 표적되거나 기주 복합체의 구성요소 또는 보호자로 존재한다는 것을 나타냅니까?

다른 증거들은 일부 유전자의 병원력과 비병원력 활성들이 밀접하게 연결되어 있다는 추측을 불러 일으킵니다. 최근의 예비보고에 의하면 일반적 저항성과 관련 있는 flagellin 수용체는 저항성 유전자 Xa21의 생성물과 연관된 serine/threronine receptor kinase라고 합니다. EDS1과 NDR1 돌연변이들은 일반적 저항성과 저항성 유전자에 의해 유도되는 저항성 두 가지에 모두 영향을 미칩니다. 세균의 병원력 인자의 생화학적 기능을 결정하는데 있어 급속한 진전은 동물 pathosystem의 분석과 애기장대 발달의 모델 시스템으로서 제공되는 풍부한 정보로 인해 기대가 되고 있습니다. 병원력 인자의 기능을 이해하는 것은 식물 방어 메커니즘을 이해하고 식물병으로 인한 작물 손실을 제한하기 위한 실질적 전략을 세우는데 있어 중요한 식견을 얻을 수 있을 것 입니다.

Reference:

http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1369526600000820?via%3Dihub#BIB1