애기장대 뿌리 표피 세포의 운명 결정에 관여하는 GLABRA1 유전자의 역할 규명

Abstract

식물의 세포분화는 여러 전사인자와 신호전달 유전자의 작용에 의해서 조절된다. 식물의 뿌리 표피 세포는 피층 세포와의 상대적 위치에 따라 hair cell (H-cell)과 non-hair cell (N cell)로 분화한다. 두 개의 피층 세포 사이 외각에 위치한(H-position) 표피 세포는 H-cell로 분화하고, 그 외 하나의 피층 세포 외곽에 위치한(N-position) 표피 세포는 N-cell로 분화한다. R2R3 MYB 전사인자를 암호화하는WERWOLF는 homeodomain leucine zipper (HD-ZIP)를 암호화하는 GLABRA2 (GL2)의 발현을 촉진하여 N-cell 분화를 유도한다. 반면에 R3 MYB 전사인자를 암호화하는CAPRICE (CPC)와 TRIPTYCHON (TRY)는 GL2의 발현을 억제하여 H-cell 분화를 유도한다. 이때, WER와 CPC는 basic helix-loop-helix (bHLH) 전사인자를 암호화하는 GLABRA3 (GL3)와 ENHANCER OF GLABRA3 (EGL3) 그리고 WD40 단백질을 암호화하는 TRANSPARENT TESTA GLABRA1 (TTG1)과 상호작용하여 함께 기능한다. wer-366 돌연변이는 낮은 수준의 WER를 발현하면서도 야생형과 거의 대등한 표현형을 나타낸다. 이는 애기장대 유전체에 WER의 기능을 보강하는 유전자가 존재함을 암시한다. 여러 유전자들 중 GLABRA1 (GL1)은 WER와 유사한 분자적 기작을 통해 잎의 표피 세포에서 trichome 발달을 조절한다. 잎의 표피 세포에서는 R2R3 MYB 전사인자를 암호화하는 GL1이 GL2의 발현을 촉진하여 모용 세포 분화를 유도하지만 CPC는 GL2의 발현을 억제하여 분화를 막는다. 또한, GL1과 WER는 보존된 R2R3 도메인과 전사활성 도메인을 공유하며, 서로의 기능을 대체할 수 있다고 보고되었다. 본 연구에서는 이러한 배경을 근거로, 뿌리 표피 세포의 운명 결정에 관여하는 GL1의 역할을 규명하였다. gl1 돌연변이들과 35Sp:GL1또는 Q2610>>GL1과 같은 GL1의 과대발현 식물에서는 내생적인 WER의 강한 발현 때문에 야생형과 대등한 표현형을 나타내었다. 따라서, WER가 낮은 수준으로 발현하는 wer-366 민감성 배경을 활용하여 GL1의 뿌리 표피 세포의 운명 결정에 대한 역할을 조사한 결과, wer-366에 비해서 wer-366 gl1 이중 돌연변이는 N-position에서 N-cell의 비율이 감소하는 표현형을 나타냈다. N-cell이 일부 증가하는 다른 유형의 민감성 배경인 cpc에서 GL1의 기능을 추가로 검증한 결과, cpc에 비해서 cpc gl1 이중 돌연변이는 H-position에서 N-cell의 비율이 감소하는 표현형을 나타냈다. 따라서 GL1의 기능은 N-cell의 특성화를 유도하는 것으로 사료된다. GL1 프로모터에 의해 발현되는 리포터 유전자들을 통해 뿌리에서 GL1의 발현 양상을 관찰한 결과, GL1의 발현은 주로 N-position에서 나타났다. 또한, 기존에 알려진 뿌리 표피 세포의 운명을 결정하는 유전자들과 GL1의 유전학적 상관 관계를 검증하기 위해, 교배를 통해 GL1 프로모터에 의해 구동되는 리포터 유전자들을 해당 돌연변이 또는 과대발현 라인 배경에 도입하였다. 그 결과, GL1의 발현은 WER, GL3, EGL3 그리고 TTG1에 의해서 양성적으로 조절되며, CPC, TRY 그리고 GL2에 의해서 음성적으로 조절되는 것을 확인하였다. 또한 GL1 프로모터에 의해 구동되는 GFP-GL1 융합 단백질의 발현은 야생형 배경에서 주로 N-cell의 핵 내에서 관찰되었다. 이는 GL1이 비이동성 단백질이라는 것을 제시한다. 위 결과들을 종합하면, 뿌리 표피 세포의 운명 결정 과정에서 GL1은 WER의 하류에서 N-cell의 특성화를 부분적으로 보강하며 CPC, TRY 와 GL2에 의해서 음성적으로 조절되는 것으로 사료된다.|Cell differentiation in plant is modulated by the action of a number of genes encoding transcription factors and signaling components. The cell fates of root epidermis of Arabidopsis consisting of two types of cells, hair cell (H-cell) and non-hair cell (N-cell) are specified depending on the relative position between root epidermal cell and cortex. Epidermal cells located outside the space between two underlying cortical cells (H-position) differentiate into H-cells, while other epidermal cells positioned in contact with a single cortical cell (N-position) differentiate into N-cell. WERWOLF encoding an R2R3 MYB transcription factor induces N-cell specification by promoting the expression of GLABRA2 (GL2) which encodes a homeodomain leucine zipper (HD-ZIP) transcription factor whereas CAPRICE (CPC) and TRIPTYCHON (TRY) encoding related R3 MYB transcription factors do H-cell specification by repressing the expression of GL2. Both WER and CPC function together GLABRA3 (GL3) and ENHACER OF GLABRA3 (ELG3) which encode related basic helix-loop-helix (bHLH) transcription factors, and TRANSPARENT TESTA GLABRA1 (TTG1) which encodes a WD40 protein. In wer-366 harboring a T-DNA in the proximal WER promoter region, the root hair patterning was only slightly compromised despite the low level of WER expression, which suggests that genes enhancing the function of WER exist in Arabidopsis genome. The molecular mechanism determining the fate of trichome cells by GLABRA1 (GL1) is similar to that determining the root epidermal cell fate by WER. In leaf epidermal cells, GL1 encoding an R2R3 MYB transcription factor promotes GL2 expression leading to trichome cell differentiation whereas CPC represses GL2 expression. It was reported that WER and GL1 sharing conserved R2R3 DNA-binding domain and transcription activating domain can functionally substitute each other. Thus, I examined whether GL1 involves in the root epidermal cell fate determination. gl1 mutants and the transgenic plants overexpressing GL1 driven by CaMV 35S promoter and Q2610 enhancer trap line exhibited WT-like root hair phenotypes possibly because WER is more strongly expressed in root epidermal cells. These results suggest that wer-366 could be used as a sensitized background where root hair phenotypes led by gl1 mutants by providing the low level of WER expression. Indeed, wer-366 gl1 double mutants exhibited decreased N-cells in the N-position compared to wer-366. I verified that further the GL1 function inducing N-cell specification in cpc, a sensitized background showing slightly increased N-cells. Indeed, cpc gl1 double mutants exhibited the decreased proportion of N-cells in the H-position compared to cpc. The expression of GL1 as monitored by reporter genes driven by GL1 promoter was preferentially found in the N-position. The expression patterns of GL1 reporters in various mutants and overexpression lines revealed that GL1 is positively regulated by WER, GL3, EGL3 and TTG1 whereas it was negatively regulated by CPC, TRY and GL2. Futhermore, the translationally fused green fluorescent protein (GFP)-GL1 protein was also preferentially observed in the N-position nucleus in the wild-type background suggestive of immobility of GL1. In summary, in root epidermal cell fate determination, GL1 is thought to partially reinforce the function of WER by enhacing the N-cell specification in the downstream of the WER and be negatively regulated by CPC, TRY and GL2.