T-DNA

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T-DNA

[ T-DNA ]

토양에 서식하는 박테리아인 아그로박테륨(Agrobacterium tumefaciens)과 Agrobacterium rhizogenes 등은 식물의 상처난 곳에 침입하여 식물 세포분열을 촉진함으로써 혹같은 조직 덩어리(crown gall)를 만든다. 이러한 감염은 토양미생물에 들어있는 유전자의 일부가 식물세포로 전이되어 일어나는 현상이다. 감염 과정 중 박테리아에서 식물로 움직이는 DNA 단편을 T-DNA(transfer DNA)라고 한다.1) T-DNA는 아그로박테륨 내의 플라스미드에 존재하며, 이를 Ti 플라스미드(tumor-inducing plasmid)라 부른다. Agrobacterium rhizogenes 감염시 검염부위에서 뿌리가 많이 생기는 모상근병(hairy root disease)이 발생한다. Agrobacterium rhizogenes 에서 T-DNA를 포함하고 있는 플라스미드를 Ri 플라스미드(rhizogenic plasmid)라고 부른다.

아그로박테륨에 의해 생겨난 식물 혹 (출처: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Agrobacterium_tumefaciens_Forsythie.jpg )

목차

  1. 1.종양유발 플라스미드
  2. 2.T-DNA 구조
  3. 3.근두암종병 발병 기작
  4. 4.T-DNA 전달 과정
    1. 4.1.기주 식물체 인식 및 Vir 유전자 발현
    2. 4.2.T-DNA 단편 절단
    3. 4.3.T-DNA 이동
    4. 4.4.T-DNA 삽입
  5. 5.참고문헌

종양유발 플라스미드

자연상태에서 존재하는 아그로박테륨의 Ti 플라스미드 크기는 200-800 kbp이며, 이중 T-DNA는 약 10-30 kbp를 차지하고 있다. 하나의 Ti 플라스미드 안에 다수의 T-DNA를 포함하고 있는 박테리아도 있다.2)

Ti-플라스미드의 구조 (출처: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Ti_plasmid.svg )

T-DNA 구조

T-DNA의 좌우 경계에 25 bp 직접 반복 염기서열이 있으며, 이 좌우 경계 서열 사이에 있는 염기서열이 식물 염색체로 전이된다. T-DNA에는 식물에서 발현할 수 있는 여러 개의 유전자가 들어 있는데, 식물호르몬인 옥신과 사이토키닌 생합성유전자 및 오파인 생합성 유전자 등이 그 예이다.1)

근두암종병 발병 기작

옥신과 사이토키닌은 식물 세포분화 및 기관발달을 촉진시키는 역할을 한다. 식물체는 생육기간 동안 이 호르몬들의 생산과 분해를 반복하면서 최적화된 식물성장과 발달을 유지한다. T-DNA 상에 암호화되어 있는 옥신과 사이토키닌 생합성 유전자가 식물 염색체에 삽입이 되면, 두 호르몬 합성이 과다해지며 그 결과 무분별한 세포분열이 일어난다. 이로인해 감염부위에 종양과 같은 병징이 발병한다. 또한 오파인 생합성 유전자로 인해 감염 부위에 아미노산 유도체인 오파인이 생성된다. 오파인은 식물체는 사용할 수 없고 아그로박테륨의 주요 탄소와 질소 원료로 이용된다.2)

T-DNA 전달 과정

T-DNA 안에 존재하는 유전자는 T-DNA 전달에 관여하지 않는다. 대신 Ti 플라스미드에서 T-DNA 밖에 있는 유전자 및 아그로박테륨 염색체 상에 존재하는 다수의 유전자들에서 암호화되는 단백질들에 의해서 T-DNA 이동 및 식물체 염색체로의 삽입이 완료된다. T-DNA 전달과정에 이용되는 단백질을 통칭하여 virulence 단백질(Vir proteins)이라 명한다. T-DNA의 전달과정은 숙주 식물체 인식 및 Vir 유전자 발현, T-DNA 단편 절단, T-DNA의 이동, T-DNA의 삽입으로 구분된다.3)

Agrobacterium에 의한 근두암종병 발병 과정 (출처: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Transfection_by_Agrobacterium.svg )

기주 식물체 인식 및 Vir 유전자 발현

식물 세포가 외부적인 요인으로 상처가 나면 다양한 종류의 2차대사산물을 배출한다. 이중 특이적 페놀릭 계열의 물질을 병원균의 세포막에 위치한 VirA 단백질이 인식을 한다. 따라서 VirA 단백질은 특정 페놀릭 물질의 수용체 역할을 한다. 물질 인식 후 VirA 단백질은 자가인산화가 일어나고, 비활성화 상태의 전사조절인자인 VirG 단백질을 인산화 시켜 활성을 갖게 한다. 활성화된 VirG 전사조절인자는 Vir 유전자 오페론의 프로모터 부위에 결합하여 T-DNA 이동에 필요한 Vir 유전자들을 발현시킨다.

T-DNA 단편 절단

VirD1(helicase)과 VirD2(endonuclease) 단백질은 25 bp 좌우경계서열을 인식하여 절단한다. 절단 후 VirD1 단백질은 T-DNA에서 분리가 일어나지만, VirD2 단백질은 T-DNA의 5’ 말단에 결합되어 있는다. 이 결합은 추후 식물세포 내 전달과정에서 5’의 위치가 선도 부위임을 표지하는 역할을 수행한다.

T-DNA 이동

절단된 T-DNA와 식물염색체 삽입에 필요한 Vir 단백질들은 타입 4 분비계를 통하여 병원균 원형질막 통과 후 식물 세포 내로 이동한다.

T-DNA 삽입

식물체 내로 들어간 VirD2/T-DNA 복합체는 VirE2 단백질과 결합을 하게 되고, VirD2와 VirE2에 존재하는 핵위치 표지 신호에 의해 식물체 핵 안으로 유입이된다. 핵 안으로 이동 후 전사가 활발히 이루어지고 있는 진정염색질(euchromatin) 부위에 T-DNA 삽입이 이루어진다.

참고문헌

1. Lee LY, Gelvin SB (2008) T-DNA Binary Vectors and Systems. Plant Physiol, 146: 325–332
2. Gelvin SB (2003) Agrobacterium-mediated plant transformation: the biology behind the 'gene-jockeying' tool. Microbiol Mol Biol Rev, 67: 16-37
3. Zupan JR, Zambryski P (1995) Transfer of T-DNA from Agrobacterium to the plant cell. Plant Physiol, 107: 1041–1047