에너지 메타볼리즘 및 앱시스산 반응에 대한 BRUTUS의 기능 연구

Abstract

이 연구에서, 나는 E3 ligase인 BRUTUS (BTS)의 애기장대 에서의 에너지 메타볼리즘에 관련된 기능과 ABA에 의해 유도되는 스트레스 저항 상황에서의 기능에 대해서 탐구했다. 지금까지 대부분의 BTS 기능연구는 어떻게 BTS가 철 항상성 유지에 관여하는지에 대해 초점이 맞춰져 있었다. 하지만 최근 들어 BTS가 가뭄 스트레스나 식물 면역 활성에도 중요한 기능을 한다는 보고들이 나오고 있다. 나는 BTS가 특히 잎 조직에서 발현될 때, 식물의 에너지 메타볼리즘을 변화시키는 엽록체와 미토콘드리아 유전자들의 발현을 변화시키고 ATP와 NADPH 생성 및 사용을 변화시킨다는 것을 발견했다. 또한 식물스트레스 호르몬인 ABA에 의해 BTS가 유도되며, 엽록체 발달을 저해하고 철과 ABA의 길항작용 (antagonism)을 매개한다는 것을 밝혔다. BTS는 철 센서 단백질로써, 애기장대의 뿌리 및 잎 조직 모두에서 발현된다. 뿌리 조직에서 BTS의 역할은 잘 확립되어 있다. 그러나 잎 조직에서의 역할은 거의 연구되지 않았다. 나는 잎과 뿌리 조직의 전사체 (transcriptome) 비교 분석을 통해, BTS가 잎 조직에서 미토콘드리아와 엽록체 유전자의 발현을 조절하고 에너지 대사를 조절하는 데 관여한다는 것을 밝혔다. 또한, bts-1 식물의 잎 조직에서 ADP와 ATP의 양이 크게 증가했으며, 가용성 설탕 (soluble sugar) 과 전분 (starch) 함량은 크게 감소한 것을 확인했다. bts-1 식물의 잎 조직의 감소된 전분 (starch) 함량은 H+-ATPase의 활성을 억제하는 바나데이트 (vanadate) 처리 시 Col-0 식물의 잎 조직 함량과 비슷하게 회복되었다. 이 연구에서 나는 BTS가 뿌리 조직에서 철 결핍 반응의 역할 외에도 잎 조직에서 에너지 대사 조절을 위해 기능한다는 것을 밝혔다. 한편, ABA는 식물이 스트레스 상황에 처하면 생성된다. 유도된 ABA는 식물이 스트레스 조건에 저항하도록 반응을 일으킨다. BTS는 이 ABA에 의한 엽록체 발달 억제 반응에 핵심적인 역할을 한다. BTS는 프로모터 지역에 존재하는 ABA-반응 모티프 (ABA Response Element)를 통한 ABA 신호전달에 의해 발현이 증가한다. ABA는 또한 BTS 발현을 증가를 유도하는 철 결핍을 BTS와 독립적으로 유도한다. 또한 철 결핍상황에서 BTS 단백질의 안정성도 증가한다. 따라서 ABA에 의한 스트레스 저항 환경은 BTS가 작용하기에 가장 적합한 세포 환경이 된다. Dex inducible 시스템을 이용한 BTS 유도 과발현을 통해 과도하게 BTS를 유도한 결과 식물은 자랄 수 없고 엽록체의 발달도 차단되었다. 따라서 식물은 스트레스 상황에서 ABA-BTS를 통해 생장 억제 및 엽록체 발달 억제를 일으킨다. 주변 환경이 식물이 성장하기에 충분한 영양분과 수분이 공급되는 상황이라면 식물은 광합성을 통해 생장을 촉진한다. 하지만 스트레스 환경에 장기적으로 노출되면 식물은 광합성을 멈추고 광합성에 사용되는 에너지와 수분을 아끼고 처한 스트레스 상황을 견디기 가장 좋은 형태로 변화한다. 한편 철은 엽록체와 미토콘드리아에서 전자전달계를 활성화하는데 핵심적인 역학을 하는 보조인자 (cofactor) 이다. 따라서 식물은 충분한 철 함량을 확보하는 것을 광합성과 호흡을 통한 생장 촉진의 신호로 삼는다. 이 와 반대로 식물은 스트레스 저항성이 증가된 형태로 변화하기 위해 ABA를 통해 철 흡수를 막고 엽록체 발달을 억제한다. BTS는 3개의 hemerythrin-like 도메인을 통해 식물 체내의 철 함량을 감지하는 센서로서 기능한다. 따라서 식물은 ABA를 통해 BTS를 스트레스 저항성 변화 스위치 단백질로 사용한다. 일련의 실험결과들을 통해 BTS의 애기장대에서의 새로운 기능에 대해 탐구하였다. 그러나 이 현상을 직접적으로 설명하는 분자적 메커니즘을 밝히기 위해서는 BTS의 substrate 단백질들에 대한 분석이 필요하다. 이 연구가 향 후 이 분자적 메커니즘의 발견을 통해 식물이 스트레스에 저항하는 새로운 접근 방식을 제안하는 연구들에 도움이 되기를 희망한다.

E3 ligase BRUTUS (BTS), a putative iron sensor, is expressed in both root and shoot tissues in seedlings of Arabidopsis thaliana. The role of BTS in root tissues has been well established. However, its role in shoot tissues has been scarcely studied. Comparative transcriptome analysis with shoot and root tissues revealed that BTS is involved in regulating energy metabolism by modulating expression of mitochondrial and chloroplast genes in shoot tissues. Moreover, in shoot tissues of bts-1 plants, levels of ADP and ATP and the ratio of ADP/ATP were greatly increased with a concomitant decrease in levels of soluble sugar and starch. The decreased starch level in bts-1 shoot tissues was restored to the level of shoot tissues of wild-type plants upon vanadate treatment. Furthermore, BTS plays a crucial role in terms of ABA mediated chloroplast suppression. I found that ABA mediated iron deficiency and canonical ABA signaling induced BTS expression. The bifurcated activation of BTS by ABA leads to suppression of chloroplasts. ABA mediated H2O2 induction depends on BTS for the suppression of chloroplasts. Through RNA sequencing data analysis, I also found the chloroplast development genes that were reduced by ABA depending on BTS. Through the study, I expand the roles of BTS to regulation of energy metabolism and ABA response in addition to its role of iron deficiency response.