탈수 스트레스는 abscisic acid (ABA)의 축적을 야기한다. ABA는 식물 스트레스 신호 호르몬으로 Snf1-related kinases (SnRK2s)를 활성화시켜 적응성 반응을 유도한다. ABA에 의한 SnRK2s 반응 과정까지는 밝혀졌으나, 그 반응이 어떻게 조절되어 종료되는지에 대해서는 아직 밝혀져 있지 않다. 본 연구에서는 ABA 신호의 탈감작이 E3-ubiquitin ligase HOS15를 통한 OST1 (SnRK2.6) 단벡질의 안정성 조절에 의해 이루어지는 과정을 밝혔다. ABA 신호에 따라 HOS15로 인한 OST1의 분해가 억제되고 안정화된 OST1은 자극에 대한 반응을 유도한다.
ABA 자극이 종료되면 protein phosphatases ABI1/2이 HOS15를 통해 OST1의 빠른 분해를 촉진시킨다. ABA 자극이 완전히 종료되지 않았을 때, ABA분자가 존재하는 경우에도, OST1의 수준은 일정 시간이 지나면 분해되어 떨어지는 것 또한 확인하였다.
본 논문에서는 OST1 농도의 이러한 시간에 따른 변화를 수학적 모델로 제시한다. 이는 ABA로 인한 스트레스 반응 및 탈감작의 기본이되는 복잡한 가변저항역학을 제시한다.
hos15-2 Plants Are Hypersensitive to ABA and Resilient to Drought Stress
탈수 유도 유전자의 발현이 유도된 돌연변이의 유전자 스크리닝에서 처음 확인된 HOS15유전자는 DDB1-CUL4 E3 ligase 복합체에 대한 기질 수용체로 기능하는 단백질 중 하나이다. 이런 HOS15 유전자의 ABA 신호전달경로에서의 역할을 확인하기위해 loss-of-function을 유도한 돌연변이체 (hos15-2)를 형질전환을 통해 만들었고, 의도된 유전자 발현이 이루어지는 것을 확인하였다.
Hos15-2 돌연변이체가 ABA 관련 표현형에 어떤 영향을 미치는지 확인하였다. 극심한 가뭄 조건에서 75% 이상의 hos15-2 돌연변이 식물체의 생존을 확인할 수 있었는데, 이와 비교해 col-0 식물체는 10% 미만의 개체들이 생존해서 hos15-2 돌연변이체가 가뭄스트레스에 적절한 반응을 하는 것을 확인할 수 있었다. 또한 이 가뭄 스트레스 저항성 표현형에서 수분손실률과 기공폐쇄 여부 등을 확인해서 hos15-2 돌연변이에서의 가뭄 저항성이 증산작용을 조절하는 방식으로 이루어지는 것을 확인하였다.
HOS15 Interacts with ABA-Signaling Components
위 실험에서 ABA 과민성 표현형이 관찰되어 HOS15 유전자가 ABA 신호전달과정에 어떤 영향을 미치는지를 추가로 확인하였는데, HOS15 단백질이 ABA 신호 경로에 포함되는 OST1, SnRK2.6, SnRK2.3, ABI1, ABI2 와 직접 상호작용하고, HAI1과 약하게 상호작용하는것을 확인하였다. 그 중에서도 OST1이 가장 HOS15와의 상호작용에서 선호되는 분자인 것이 확인되었다.
OST1 Protein Is Degraded by the 26S Proteasome in a HOS15-Dependent Manner
기존의 연구들에서 HOS15 유전자가 기질수용체로 기능하면서 DDB1-CUL4 E3 ligase 복합체와 상호작용하고 HD2C 단백질을 분해한다는 것을 밝혔던 것을 근거로 본 연구에서는 HOS15 단백질이 OST1 단백질을 분해 타겟으로 사용해서 둘 사이의 상호작용이 검출 된 것인지를 확인하고자 했다.
실제로 HOS15는 DDB1과 CUL4와 상호작용하고 OST1에 co-immunoprecipitate 할 수 있는 분자로 이 구성요소들이 동일한 복합체 내에서 작동할 수 있음을 시사한다.
OST1 단백질은 또한 ABA에 의해 축적이 유도되는데, 이러한 현상은 HOS16와 ABI1/2의 부재로 촉진되는 것을 확인하였다. OST1 단백질과 HOS15 사이의 상호작용이 관찰되어 식물체의 가뭄스트레스에 대한 반응이 OST1 단백질과도 연관이 있는지 확인하였다. OST1은 HOS15-2의 ABA 과민성 및 가뭄 내성 표현형이 OST1의 과잉축적과 연관된 것이 확인됨에 따라 HOS15 와 OST1계층적 대사 경로 상에서 downstream에 위치하게 된다.
정리하면, 본 연구는 CUL4-DDB1 E3 ligase 기작에서 기질 수용체로 작용하는 HOS15가 탈인산화된 OST1(SnRK2.6)의 분해를 촉진하고, 탈수 스트레스에 의해 유도되는 ABA 신호 전달에 대한 탈감작화에 중요한 역할을 하는 것을 밝혔다. 또한 본 논문에서는 HOS15와 OST1 사이의 상호작용이 ABI1/2에 의해 안정화되었음을 발견하였다.
