유전자 대 유전자 가설

식물의 병저항성과 병원성미생물의 병원성은 식물의 저항성유전자 대 미생물의 비병원성유전자의 상호작용에 의하여 조절된다는 이론이다. 이 이론에 따르면 식물의 저항성유전자와 미생물의 비병원성유전자는 식물의 병저항성을 유발하는 한 쌍의 조합으로 어느 하나라도 없다면 식물은 병에 걸리게 된다.  

유전자 대 유전자 이론에 따른 병저항성의 조건 (그림: 노현수/경상대)

목차

1940년대를 거쳐 1950년대 플로르(Flor)에 의하여 고안된 개념이다. 그는 기주식물인 아마(Linum usitatissimum)에 녹병(rust)을 일으키는 담자균(Melampsora lini)의 병원성을 연구하던 중 "기주의 저항성 유전자는 이에 대응하여 식물에 저항성을 부여하는 병원균의 비병원성유전자가 있다"는 사실을 발견하였다¹⁾. 이후 유전자 대 유전자 가설 혹은 유전자 대 유전자 이론으로 불리며 바이러스, 세균, 곰팡이, 선충(nematode), 곤충, 식물 등 다양한 기주-병원균간의 관계를 설명하는 이론으로 적용되고 있다.

플로르(Flor)에 따르면 식물에는 저항성 유전자(R, resistant allele)가 있고, 병원성 미생물에 이에 대응하는 비병원성 유전자(Avr, avirulent allele)가 있다. 비병원성 유전자는 유도인자(elicitor)를 생산하고, 식물의 저항성유전자는 유도인자를 인식하는 수용체단백질을 생산한다. 유도인자가 수용체 단백질에 인식되면, 식물의 방어시스템이 활성화되여 병원균의 침입에 대항하게 된다. 따라서, 병원균이 비병원성 유전자를 만들지 않거나, 식물이 적절한 저항성유전자를 가지고 있지 않으면 병원균에 저항할 수 없고, 오직 비병원성 유전자와 저항성유전자가 동시에 발현될 때만 식물체의 방어 시스템을 활성화한다는 것이다. 유전자 대 유전자 이론을 설명하기 위하여 비병원성 유전자-저항성유전자 직접적 상호작용과 간접적 상호작용의 관점에서 여러 모델들이 제시되었다.

저항성유전자에는 세포표면의 패턴인지수용체(cell surface pattern recognition receptors (PRR)) 유전자와 nucleotide-binding site leucine-rich repeat (NBS-LRR) 유전자가 있다. PRR은 식물의 선천면역(innate immunity)를 담당하는데, 병원성 미생물의 LPS, endotoxin, flagellin, glucan, chitin 등 병원성 관련 분자패턴(Pathogen-associated molecular pattern, PAMP)를 인식한다. PRR은 주로 세포막수용체 단백질로서, 막외부의 수용체 도메인, transmembrane 도메인, 세포질쪽 kinase 도메인으로 구성되어 있다²⁾.

NBS-LRR 단백질은 도메인 구성에 따라 TIR-NBS-LRR (TNL), CC-NBS-LRR (CNL) 두 그룹으로 나뉜다. NBS-LRR의 표적 비병원성유전자들은 저분자물질, 효소단백질, 전사조절인자, 단백질활성 조절단백질 등 다양한 생체물질을 만들기 때문에, 식물은 많은 수의 NBS-LRR 유전자를 가지고 있다.

유도인자-수용체 모델: 식물의 수용체단백질이 비병원성 유전자가 만드는 신호전달물질 (elicitor)과 직접적으로 결합하고, 이 결합으로 인하여 식물의 저항성이 유도된다는 모델이다⁹⁾. 한 예로 콩잎에 감염하는 Pseudomonas syringae의 avrD 유전자가 만드는 syringolide가 Rpg4 저항성 유전자를 가진 가용성 콩잎단백질과 특이적 결합을 하는 것이 보고되었다¹⁰⁾.   

Dimer 모델: 저항성 단백질과 비병원성 인자가 dimer 복합체를 만들고, 이 복합체가 일종의 전사조절인자(transcriptional regulator)로 작용하여 저항성 유전자의 발현을 유도하는 모델이다¹¹⁾. 일반적으로 dimer라 하면 동일한 두 분자간의 복합체을 이르는 용어로 사용되지만 이 경우에는 서로 다른 두 분자간의 heterodimer를 의미한다.

이온채널 방어 모델(Ion channel defense model): 병원성 유도인자가 세포막의 저항성 유전자와 결합하고 이 결합을 통하여 이온채널을 개방시킴으로서, 식물에게는 국소적 세포사멸 혹은 hypersensitive response를 유도하는 대신 주변세포의 스트레스대응 유전자를 발현시켜 저항성을 나타나게 하는 모델이다¹²⁾.

식물의 병저항성유전자의 대부분이 nucleotide-binding site leucine-rich repeat (NBS-LRR) 단백질을 암호화하지만, NBS-LRR 단백질은 비병원성 유전자와 직접적으로 상호작용을 하지는 않는다. 이러한 현상을 설명하기 위하여 저항성 단백질이 비병원성 인자와 직접 결합하는 대신 비병원성 인자의 식물체내 내병성표적단백질(guardee)과 결합하여 비병원성 인자-guardee 상호작용을 방해함으로써 저항성을 보인다는 설이다. 이 경우 식물체내 표적단백질은 병저항성을 나타내는 단백질이며, 비병원성 인자는 표적단백질을 공격하여 무력화시킨다. 따라서 저항성단백질은 표적단백질(guardee)을 비병원성 인자의 공격으로부터 방어(guard)하는 역할을 수행하기 때문에 가드 가설이라 부른다¹³⁾.

바이러스(virus), 세균(bacterium), 진균(fungi), 유전자(gene), 녹병(rust), 선충(nematode), 아마(Linum usitatissimum), 비병원성 유전자(Avr, avirulent allele), 패턴인지수용체(cell surface pattern recognition receptors (PRR), nucleotide-binding site leucine-rich repeat(NBS-LRR), 선천면역(innate immunity), LPS, 엔도톡신 시험법(Limulus Amoebocyte Lysate Test, LAL test), flagellin, glucan, chitin, 분자패턴(Pathogen-associated molecular pattern, PAMP), Pseudomonas syringae, syringolide, 전사조절인자(transcriptional regulator), 저항성 유전자(R, resistant allele) 

노현수/경상대학교

이충호/동국대학교

1. Flor, H.H. 1971. Current status of the gene-for-gene concept. Annu. Rev. Phytopathol. 9, 275–296. 
2. Song, W.Y. et al. 1995. A receptor kinase-like protein encoded by the rice disease resistance gene, Xa21. Science 270, 1804–1806.
3. Guo, Y.L., Fitz, J., Schneeberger, K., Ossowski, S., Cao, J., and Weigel, D. 2011. Genome-wide comparison of nucleotide-binding site-leucine-rich-repeat-encoding genes in Arabidopsis. Plant Physiol. 157, 757–769.
4. Yang, S., Zhang, X., Yue, J.X., Tian, D., and Chen, J.Q. 2008. Recent duplications dominate NBS-encoding gene expansion in two woody species. Mol. Genet. Genomics 280, 187–198.
5. Shang, J., et al. 2009. Identification of a new rice blast resistance gene, Pid3, by genome wide comparison of paired nucleotide-binding site leucine-rich repeat genes and their pseudogene alleles between the two sequenced rice genomes. Genetics 182, 1303–1311.
6. Mun, J.H., Yu, H.J., Park, S., and Park, B.S. 2009. Genome-wide identification of NBS-encoding resistance genes in Brassica rapa. Mol. Genet. Genomics 282, 617–631.
7. Kang, Y.J., Kim, K.H., Shim, S., Yoon, M.Y., Sun, S., Kim, M.Y., Van, K., and Lee, S.H. 2012. Genome-wide mapping of NBS-LRR genes and their association with disease resistance in soybean. BMC Plant Biol. 12, 139
8. Jupe F, et al. 2012. Identification and localisation of the NB-LRR gene family within the potato genome. BMC Genomics 13, 75. 
9. Albersheim, P. and Anderson-Prouty, A.J. 1975. Carbohydrates, proteins, cell surfaces and the biochemistry of pathogenesis. Annu. Rev. Plant Physiol. 26, 31–52.
10. Ji, C., et al. 1997. Specific binding of the syringolide elicitors to a soluble protein fraction from soybean leaves. Plant Cell. 9, 1425-1433. 
11. Ellingboe, A. 1982. Genetical aspects of active defense, pp. 179–192. In Wood, R.K.S. (ed.), Active Defense Mechanisms in Plants. Plenum Press, New York. 
12. Gabriel, D.W., Loschke, D.C., and Rolfe, B.G. 1988. Gene-for-gene recognition: The ion channel defense model, pp. 3–14. In Palacios, R. and Verma, D.P.S. (eds.), Molecular Genetics of Plant-Microbe Interactions. APS Press, St. Paul, MN. 
13. Van Der Biezen, E. and Jones, J.D.G. 1998. Plant disease-resistance proteins and the gene-for-gene concept. Trend. Biochem. Sci. 23, 454–456.