식물에서 non-tandem CCCH zinc finger 그룹 유전자에 의한 스트레스 반응 조절

석혜연,베이지드 엠디,살커 스와날리,이선영,문용환 한국생명과학회 2023 생명과학회지 Vol.33 No.11

CCCH zinc finger 단백질은 세 개의 시스테인(cysteine, C) 아미노산과 한 개의 히스티딘(histidine, H) 아미노산으로 구성된 아연이온(Zn+)에 결합하는 손가락 구조의 zinc finger 모티프를 가졌으며, 식물에는 많은 수의 CCCH zinc finger 단백질 유전자가 존재한다. CCCH zinc finger 단백질은 2개의 CCCH zinc finger 모티프를 가지는 TZF와 그 외 나머지인 non-TZF로 구분이 되지만 지금까지의 CCCH zinc finger 단백질의 기능에 대한 연구는 주로 TZF, 특히 식물 특이적으로 존재하는 RR-TZF를 중심으로 이루어져 왔다. 그러나 최근 들어 non-TZF 유전자에 대한 연구도 활발히 진행되고 있다. Non-TZF는 생물 스트레스와 고염, 건조, 저온, 고온, 산화 스트레스 등 다양한 환경 스트레스 반응에 관여하는 것으로 알려졌다. Non-TZF는 다양한 방식으로 하위 유전자를 조절하여 식물의 스트레스 반응에 관여하는데, 세포질에 위치하며 RNA에 결합하여 RNA의 안정성을 조절하고 전사 후 단계에서 하위 유전자를 조절하거나 핵에 위치하고 전사 활성화 또는 전사 억제를 통해 전사인자로서 기능을 하기도 한다. 그러나 이러한 연구에도 불구하고 non-TZF를 통한 스트레스 신호전달 경로 및 상위 유전자, 하위 유전자는 거의 알려져 있지 않다. 따라서 CCCH zinc finger 유전자에 대한 이해를 넓히기 위해서는 TZF뿐만 아니라 non-TZF 유전자의 스트레스 반응에 관한 지속적이고도 집중적인 연구가 필요하다. 본 총설 논문에서는 지금까지 스트레스 반응 조절에 관여하는 것으로 밝혀진 non-TZF 유전자들과 그 유전자들의 분자적 기능을 서술하였다. In plants, there are many CCCH zinc finger proteins consisting of three cysteine residues and one histidine residue, which bind to zinc ions with finger configuration. CCCH-type zinc finger proteins are divided into tandem CCCH-type zinc finger (TZF) and non-TZF proteins: TZF proteins contain exactly two tandem CCCH-type zinc finger motifs whereas non-TZF proteins have fewer or greater than two CCCH-type zinc finger motifs. The functions of TZF genes, especially plant-specific RR-TZF genes, have been well studied in several plants, whereas the functional roles of non-TZF genes have not been adequately researched compared to TZF genes. Many non-TZF genes have been identified as being involved in the responses to biotic and abiotic stresses, such as pathogen, high salt, drought, cold, heat, and oxidative stresses. Some non-TZF proteins bind to RNA and are involved in the post- transcriptional regulation of stress-responsive genes in the cytoplasm. In addition, other non-TZF proteins act as transcriptional activators or repressors that regulate the expression of stress-responsive genes in the nucleus. Despite these studies, stress signal transduction and upstream and downstream genes of non-TZF genes have not been sufficiently researched, suggesting that additional studies of the functions of non-TZF genes’ functions in plants’ stress responses are needed. In this review, we describe non-TZF genes involved in biotic abiotic stress responses in plants and their molecular functions.

애기장대의 AP2/ERF 전사인자인 AtERF73/HRE1의 프로모터에 있어서 저산소 반응 cis-조절 요소의 분석

석혜연,쩐 티 후옹,이선영,문용환 한국생명과학회 2023 생명과학회지 Vol.33 No.1

환경 스트레스 신호 인지부터 스트레스 반응 유전자의 발현에 이르는 신호전달 네트워크에 있어서, 스트레스 반응 프로모터의 cis-조절 요소와 거기에 결합하는 다양한 전사인자는 환경 스트레스에 대한 식물의 적응을 조절한다. 애기장대 AP2/ERF 전사인자 패밀리 중 그룹 VII ERF는 RAP2.12, RAP2.2, RAP2.3, AtERF73/HRE1, AtERF71/HRE2 유전자를 포함하며, 저산소 스트레스 반응에서 중요한 역할을 하는 것으로 알려져 있다. 본 연구에서는 HRE1 프로모터의 저산소 반응 부위를 동정하였다. 이를 위해 1,000 bp, 800 bp, 600 bp, 400 bp, 200 bp, 100 bp, 그리고 50 bp HRE1 프로모터 부위를 포함하는 벡터를 제작하여 프로모터 활성을 분석한 결과, −200에서 −100 프로모터 부위가 HRE1의 저산소 반응에서 중요함을 확인하였다. HRE1의 −200에서 −100 프로모터 부위에는 저산소 반응 cis-조절 요소로 알려진 ERF-결합 부위와 DOF-결합 부위가 존재하는데, 이는 HRE1의 발현이 ERF 전사인자와 DOF 전사인자에 의해 조절될 수 있음을 시사한다. 전체적으로, 본 연구를 통해 HRE1 의 저산소 스트레스 반응에는 −200에서 −100 프로모터 부위에 존재하는 cis-조절 요소가 중요한 역할을 한다는 것을 확인하였다.

애기장대에서 activation tagging system을 이용한 새로운 고염 스트레스 반응 유전자의 동정

석혜연(Hye-Yeon Seok),응웬부린(Linh Vu Nguyen),배형준(Hyoungjoon Bae),하지민(Jimin Ha),김하연(Ha Yeon Kim),이선영(Sun-Young Lee),문용환(Yong-Hwan Moon) 한국생명과학회 2018 생명과학회지 Vol.28 No.9

환경 스트레스는 식물의 성장을 저해하며 작물의 생산량을 감소시키는 주요 원인이다. 식물은 다양한 유전자의 발현 변화를 통해 스트레스에 대한 저항성을 나타낸다. 본 연구에서는 activation tagging system을 이용하여 기존에 밝혀지지 않은 새로운 고염 스트레스 반응 유전자들을 분리하였다. 애기장대의 발아 단계에서 고염 스트레스에 저항성을 보이는 9개의 activation tagging 라인을 선별하였다. 그 중 TAIL-PCR 방법을 이용하여 AT7508, AT7512, AT7527, AT7544, AT7548, AT7556의 6개 라인에서 T-DNA가 삽입된 위치를 확인하였으며 각 라인에서 T-DNA가 삽입된 주변 유전자의 발현을 RT-PCR로 분석하였는데 AT7508, AT7512, AT7527, AT7544, AT7556에서 각각 ClpC2/HSP93-III (At3g48870), plant thionin family (At2g20605), anti-muellerian hormone type-2 receptor (At3g50685), vacuolar iron transporter family protein (At4g27870), microtubule-associated protein (At5g16730)이 activation 된 것으로 밝혀졌다. 더불어 AT7548에서는 T-DNA가 삽입된 곳의 양쪽에 위치하는 두 유전자인 Arabinogalactan protein 13 (AGP13) (At4g26320)과 F-box/RNI-like/FBD-like domains-containing protein (At4g26340)이 모두 activation 되었다. Activation 된 7개 유전자는 기존에 고염 스트레스 저항성과 관련된 기능이 알려지지 않은 유전자로 본 연구를 통해 새롭게 고염 스트레스 반응에 대한 기능이 밝혀졌다. 7개의 activation된 유전자 중 ClpC2/HSP93-III, AGP13, F-box/RNI-like/FBD-like domains-containing protein의 3개 유전자는 고염 스트레스에 의해 발현이 증가하였다. 또한 AT7508과 AT7527, AT7544 라인은 발아 단계뿐만 아니라 유식물체발달 과정에서도 고염 스트레스 저항성을 보여 activation tagging 라인의 선별 결과의 타당성을 뒷받침 하였다. 본 연구의 결과를 통해 activation tagging system이 새로운 스트레스 반응 유전자를 찾아낼 수 있는 유용한 기술임을 확인할 수 있었다. Abiotic stresses limit the growth and productivity of plants. Cellular adaptation to abiotic stresses requires coordinated regulation in gene expression directed by complex mechanisms. This study used the activation tagging system to identify novel salt stress-responsive genes. The study selected 9 activation tagging lines that showed salt stress-tolerant phenotypes during their germination stages. Thermal asymmetric interlaced-PCR (TAIL-PCR) was used to identify the T-DNA tagging sites on the Arabidopsis genome in selected activation tagging lines, including AT7508, AT7512, AT7527, AT7544, AT7548, and AT7556. RT-PCR analysis showed that ClpC2/HSP93-III (At3g48870), plant thionin family (At2g20605), anti-muellerian hormone type-2 receptor (At3g50685), vacuolar iron transporter family protein (At4g27870), and microtubule-associated protein (At5g16730) were activated in AT7508, AT7512, AT7527, AT7544, and AT7556, respectively. Interestingly, in AT7548, both the genes adjacent to the T-DNA insertion site were activated: Arabinogalactan protein 13 (AGP13) (At4g26320) and F-box/RNI-like/FBD-like domains-containing protein (At4g26340). All of the seven genes were newly identified as salt stress-responsive genes from this study. Among them, the expression of ClpC2/HSP93-III, AGP13, F-box/RNI-like/FBD-like domains-containing protein gene, and microtubule-associated protein gene were increased under salt-stress condition. In addition, AT7508, AT7527, and AT7544 were more tolerant to salt stress than wild type at seedling development stage, functionally validating the screening results of the activation tagging lines. Taken together, our results demonstrate that the activation tagging system is useful for identifying novel stress-responsive genes.

식물에서 선택적 스플라이싱에 의한 스트레스 반응 조절

석혜연(Hye-Yeon Seok),이선영(Sun-Young Lee),문용환(Yong-Hwan Moon) 한국생명과학회 2020 생명과학회지 Vol.30 No.6

Pre-mRNA의 스플라이싱은 진핵생물 유전자의 적절한 발현에 매우 중요한 역할을 한다. 선택적 스플라이싱은 스플라이싱 위치가 서로 다르게 인식될 때 발생하며 동일한 pre-mRNA로부터 둘 이상의 전사체와 단백질을 생성할 수 있다. 스플라이싱 위치의 결정은 스플라이소솜과 SR 단백질, hnRNP, CBP 등의 스플라이싱 인자에 의해 조절된다. 고온, 저온, 고염, 건조, 저산소 등 다양한 환경 스트레스 조건에서 식물의 많은 스트레스 반응 유전자에 대해 선택적 스플라이싱이 일어나는 것이 알려져 있으며, 이러한 선택적 스플라이싱은 식물이 환경 변화에 적응하기 위한 중요한 기작 중 하나로 여겨진다. 저온, 고온, 고염, 건조 스트레스 조건에서는 스플라이싱 인자의 발현이 변하거나 또는 정상 조건에서와는 다른 스플라이싱 활성을 가짐으로써 선택적 스플라이싱이 일어난다. 환경 스트레스 반응 유전자의 스플라이싱 이소형은 각각 환경 스트레스에 대해 서로 다른 반응을 보이는데 생성되는 조직이 서로 다르기도 하고, 일부 이소형은 넌센스-매개 분해에 의해 분해되기도 한다. 스플라이싱 이소형의 단백질은 환경 스트레스 조건에서 정상 조건과 비교하여 세포 내 위치가 다르기도 하고, 전사인자 또는 효소로서 다른 활성을 가지기도 한다. 이러한 다양한 연구에도 불구하고 식물의 환경 스트레스 반응에서 선택적 스플라이싱에 대한 연구는 일부 스트레스와 유전자에 국한 되어 있고, 아직 분자 기전이 제대로 밝혀지지 않은 부분이 많아 앞으로 더 많은 연구가 필요하다. Pre-mRNA splicing is a crucial step for the expression of information encoded in eukaryotic genomes. Alternative splicing occurs when splice sites are differentially recognized and more than one transcript and potentially multiple proteins are generated from the same pre-mRNA. The decision on which splice sites are selected under particular cellular conditions is determined by the interaction of proteins, globally designated as splicing factors, that guide spliceosomal components, and thereby the spliceosome, to their respective splice sites. Abiotic stresses such as heat, cold, salt, drought, and hypoxia markedly alter alternative splicing patterns in plants, and these splicing events implement changes in gene expression for adaptive responses to adverse environments. Alteration of the expression or activity of splicing factors results in alternative splicing under cold, heat, salt, or drought conditions, and alternatively spliced isoforms respond distinctly in several aspects such as expression in different tissues or degradation via nonsense-mediated decay. Spliced isoforms may vary in their subcellular localization or have different biological functions under stress conditions. Despite numerous studies, functional analyses of alternative splicing have been limited to particular abiotic stresses; the molecular mechanism of alternative splicing in abiotic stress response remains uncovered which suggests that further studies are needed in this area.

Analysis of Putative Downstream Genes of Arabidopsis AtERF71/HRE2 Transcription Factor using a Microarray

Hye-Yeon Seok(석혜연),Sun-Young Lee(이선영),Dong-Hyuk Woo(우동혁),Hee-Yeon Park(박희연),Yong-Hwan Moon(문용환) 한국생명과학회 2012 생명과학회지 Vol.22 No.10

애기장대에서 AtERF71/HRE2는 핵에서 전사인자로 작용하여 하위 유전자의 발현을 증가시키는 역할을 수행함으로써 저산소와 삼투 스트레스 반응에 관여할 것으로 여겨지는 유전자이다. 본 연구에서는 AtERF71/HRE2에 의해 직, 간접적으로 발현이 조절되는 하위 유전자를 알아보기 위해 AtERF71/HRE2 과발현체를 대상으로 마이크로어레이 실험을 수행하였다. 야생형에 비해 AtERF71/HRE2 과발현체에서 발현이 2배 이상 증가한 기능이 알려진 유전자는 AtERF71/HRE2 자신을 제외하고 161개였다. 161개 유전자 중 전사인자와 DNA-결합 단백질 등과 같은 전사조절자가 24개로 확인되어, AtERF71/HRE2는 하위 전사조절 유전자의 발현 조절을 통해 더 많은 유전자의 발현을 조절하는 상위 전사인자로서의 기능을 가질 것으로 추정되었다. 161개 유전자 중 15개 유전자를 대상으로 RT-PCR을 수행하여 마이크로어레이 결과의 신뢰성을 검증하였다. Genevestigator 데이터베이스 분석 결과, 161개 유전자 중 51개 유전자는 저산소 및 삼투 스트레스에 의해 발현이 증가하는 것으로 확인되었다. RT-PCR 분석 결과 AtERF71/HRE2 과발현체에서 발현이 증가한 15개 유전자 중 3개 유전자가 저산소에 의해 발현이 증가하였고, 다른 3개 유전자가 삼투 스트레스에 의해 발현이 증가하였으며, 이러한 결과는 이들 유전자가 AtERF71/HRE2에 의해 매개되는 저산소 또는 고염 스트레스 신호전달의 하위 유전자일 수 있음을 의미한다. 또한 본 연구의 마이크로어레이 분석 결과는 AtERF71/HRE2가 저산소 및 삼투 스트레스 반응뿐만 아니라 다른 환경 스트레스 반응과 식물 발달 조절에도 관여할 수 있음을 시사한다. Arabidopsis AtERF71/HRE2, a transcription activator, is located in the nucleus and is involved in the signal transduction of low oxygen and osmotic stresses. In this study, microarray analysis using AtERF71/HRE2-overexpressing transgenic plants was performed to identify genes downstream of AtERF71/HRE2. A total of 161 different genes as well as AtERF71/HRE2 showed more than a twofold higher expression in AtERF71/HRE2-overexpressing transgenic plants compared with wild-type plants. Among the 161 genes, 24 genes were transcriptional regulators, such as transcription factors and DNA-binding proteins, based on gene ontology annotations, suggesting that AtERF71/HRE2 is an upstream transcription factor that regulates the activities of various downstream genes via these transcription regulators. RT-PCR analysis of 15 genes selected out of the 161 genes showed higher expression in AtERF71/HRE2-overexpressing transgenic plants, validating the microarray data. On the basis of Genevestigator database analysis, 51 genes among the 161 genes were highly expressed under low oxygen and/or osmotic stresses. RT-PCR analysis showed that the expression levels of three genes among the selected 15 genes increased under low oxygen stress and another three genes increased under high salt stress, suggesting that these genes might be downstream genes of AtERF71/HRE2 in low oxygen or high salt stress signal transduction. Microarray analysis results indicated that AtERF71/HRE2 might also be involved in the responses to other abiotic stresses and also in the regulation of plant developmental processes.

식물 유전자의 과발현 및 발현 억제를 위한 유용 벡터의 제조 및 확인

이영미(Young-Mi Lee),석혜연(Hye-Yeon Seok),박희연(Hee-Yeon Park),박지임(Ji-Im Park),한지성(Ji-Sung Han),방태식(Tae-Sik Bang),문용환(Yong-Hwan Moon) 한국생명과학회 2009 생명과학회지 Vol.19 No.6

식물에서 유전자의 기능을 연구하는데 있어서 유전자가 과발현 되거나 발현이 억제되는 형질전환체는 해당 유전자의 기능과 관련되어 매우 유용한 정보를 제공한다. 본 연구에서는 modified CaMV 35S, UBQ3, UBQ10 프로모터를 pPZP211 벡터에 각각 클로닝 하여 Agrobacterium을 매개로 한 과발현 형질전환 식물체 제작에 유용하게 이용할 수 있는 pFGL571, pFGL846, pFGL847을 제조하였다. 이 벡터들은 크기가 작고, 박테리아 내에 high copy로 존재하며, 다중 클로닝 부위에 다양한 제한효소 부위를 가지고 있고, 전체 서열이 알려져 있는 등의 장점을 가지고 있다. GUS 또는 sGFP 리포터 유전자를 포함하는 형질전환 식물체를 제조하여 modified CaMV 35S, UBQ3, UBQ10 프로모터의 활성을 분석한 결과, 세 프로모터 모두 발아 후 대부분의 발달단계와 성숙한 식물체의 꽃 기관에서 높은 활성을 보였다. 한편, 식물에서 유전자 발현 억제에 이용할 수 있는 RNAi 기본 벡터인 pFGL727을 제조하였고, pFGL727을 이용한 벼 RNAi 형질전환체의 분석을 통해 이 벡터가 유전자의 발현 억제에 유용하게 이용될 수 있음을 확인하였다. 연구 결과를 종합해 보면, 본 연구에서 제조한 벡터들은 식물에서 유전자 과발현과 발현 억제에 유용하게 이용될 수 있을 것으로 기대된다. The phenotypes associated with a gene function are often the best clue to its role in the plant. Transgenic plants ectopically expressing or suppressing a gene can provide useful information related to the gene function. In this study, we constructed three vectors - pFGL571, pFGL846 and pFGL847 - for the Agrobacterium-mediated ectopic expression of plant genes using pPZP211 and modified CaMV 35S, UBQ3 or UBQ10 promoters. The three vectors have several merits such as small size, high copy in bacteria, enough restriction enzyme sites in multi cloning sites and nucleotide sequence information. Analysis of transgenic plants containing GUS or sGFP reporter genes under the control of modified CaMV 35S, UBQ3 or UBQ10 promoter revealed that all of the three promoters showed high activities during most developmental stages after germination and in floral organs. Furthermore, we generated a RNAi module vector, pFGL727, to suppress plant gene expressions and confirmed that pFGL727 is useful for the suppression of a gene expression using rice transgenic plants. Taken together, our new vectors would be very useful for the ectopic expression or the suppression of plant genes.

Construction and Analysis of Binary Vectors for Co-Overexpression, Tissue- or Development-Specific Expression and Stress-Inducible Expression in Plant

Young-Mi Lee(이영미),Hee-Yeon Park(박희연),Dong-Hyuk Woo(우동혁),Hye-Yeon Seok(석혜연),Sun-Young Lee(이선영),Yong-Hwan Moon(문용환) 한국생명과학회 2010 생명과학회지 Vol.20 No.9

유전자를 이소성으로 발현하고 억제하는 것은 유전자의 기능 연구에 있어서 매우 유용하다. 본 연구에서는 표적 유전자의 동시 과발현, 조직/발달 단계 특이적 발현 및 스트레스 유도성 발현을 위해 pPZP를 골격으로 다양한 binary 벡터를 제작하고 그 유용성을 검증하였다. 변형된 CaMV 35S 프로모터를 이용하여, 다른 두 개의 유전자를 동시 과발현시키는 binary 벡터를 제작하였고, 이 벡터가 동시에 그리고 같은 장소에서 다른 두 개의 표적유전자를 과발현 하는데 효과적임을 확인하였다. At2S3, KNAT1 및 LFY 프로모터를 포함하는 조직 또는 발달단계 특이적 발현 binary 벡터들을 제작하고 분석한 결과, 이 벡터들은 각각 배/유식물 시기, 새싹 끝의 분열조직 및 잎 원기 특이적 발현에 유용하였다. RD29A와 AtNCED3 프로모터를 포함하는 스트레스 유도성 발현 binary 벡터들은 고염, ABA, MV 또는 저온과 같은 비생물성 스트레스에 의한 유전자의 이소성 발현에 유용하였다. 본 연구에서 제작된 binary 벡터들은 표적 유전자의 이소성 발현을 통해 유전자의 생물학적 기능연구, 분자생물학적작용 기작 연구에 유용하게 사용될 것으로 사료된다. In this study, we constructed various kinds of binary vectors with the pPZP backbone for co-overexpression, tissue- or development-specific expression and stress-inducible expression, and validated them for ectopic expression of target genes. Using a modified CaMV 35S promoter, a binary vector was generated for co-overexpression of two different genes and was confirmed to be efficient for overexpressing two different target genes at the same time and place. Binary vectors containing At2S3, KNAT1 or LFY promoters were constructed for tissue-specific or development-specific gene expression, and the binary vectors were suited for embryo/young seedling stage-, shoot apical meristem- or leaf primordia-specific expressions. Furthermore, the binary vectors containing RD29A or AtNCED3 promoters were validated as suitable vectors for gene expression induced by abiotic stresses such as high salt, ABA, MV and low temperature. Taken together, the binary vectors constructed in this study would be very useful for analyzing the biological functions of target genes and molecular mechanisms through ectopic expression.

Enhanced resistance of PsbS-deficient rice (Oryza sativa L.) to fungal and bacterial pathogens

Ismayil S. Zulfugarov,Altanzaya Tovuu,김치열,Kieu Thi Xuan Vo,고수연,Michael Hall,석혜연,김연기,Oscar Skogstrom,문용환,Stefan Jansson,전종성,이춘환 한국식물학회 2016 Journal of Plant Biology Vol.59 No.6

The 22-kDa PsbS protein of Photosystem II is involved in nonphotochemical quenching (NPQ) of chlorophyll fluorescence. Genome-wide analysis of the expression pattern in PsbS knockout (KO) rice plants showed that a lack of this protein led to changes in the transcript levels of 406 genes, presumably a result of superoxide produced in the chloroplasts. The top Gene Ontology categories, in which expression was the most differential, included ‘Immune response’, ‘Response to jasmonic acid’, and ‘MAPK cascade’. From those genes, we randomly selected nine that were up-regulated. Our microarray results were confirmed by quantitative RT-PCR analysis. The KO and PsbS RNAi (knockdown) plants were more resistant to pathogens Magnaporthe oryzae PO6-6 and Xanthomonas oryzae pv. oryzae than either the wild-type plants or PsbS-overexpressing transgenic line. These findings suggest that superoxide production might be the reason that these plants have greater pathogen resistance to fungal and bacterial pathogens in the absence of energy-dependent NPQ. For example, a high level of cell wall lignification in the KO mutants was possibly due to enhanced superoxide production. Our data indicate that certain abiotic stress-induced reactive oxygen species can promote specific signaling pathways, which then activate a defense mechanism against biotic stress in PsbS-KO rice plants.