대추야자 유래 본질적으로 무질서한 LEA2 단백질의 효소 안정화 및 내열성 기능

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 11878(2023) 이 기사 인용

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대추야자에서 LEA2 유전자는 거의 어디에나 존재하는 62개의 구성원으로 풍부합니다. 그러나 잠재적인 표적 분자와의 기능 및 상호 작용은 대부분 탐구되지 않았습니다. 본 연구에서는 대추야자 LEA2 유전자 5개(PdLEA2.2, PdLEA2.3, PdLEA2.4, PdLEA2.6 및 PdLEA2.7)를 클로닝하고 서열을 분석했으며, 그 중 3개(PdLEA2.2, PdLEA2.3 및 PdLEA2) .4는 시험관 내에서 두 가지 별개의 효소인 젖산염 탈수소효소(LDH)와 β-글루코시다제(bglG)의 열안정성에 미치는 영향을 기능적으로 특성화했습니다. 전반적으로, PdLEA2.3 및 PdLEA2.4는 중간 정도의 친수성이었고, PdLEA2.7은 약간의 소수성이었고, PdLEA2.2 및 PdLEA2.6은 둘 다 아니었습니다. 서열 및 구조 예측은 PdLEA2.2, PdLEA2.4, PdLEA2.6 및 PdLEA2.7에서 막횡단 나선을 잠재적으로 형성할 수 있는 N-말단 근처의 소수성 잔기의 존재를 나타냅니다. 막횡단 나선에 더하여, 2차 및 3차 구조 예측은 모든 PdLEA2 단백질에서 무질서한 영역과 그 뒤에 쌓인 β-시트 영역의 존재를 보여주었습니다. 더욱이, 3개의 정제된 재조합 PdLEA2 단백질이 시험관 내에서 생산되었으며, LDH 효소 반응에서의 이들의 존재는 활성을 향상시키고 열 스트레스 하에서 LDH의 응집체 형성을 감소시켰습니다. bglG 효소 분석에서 PdLEA2 단백질은 bglG 효소 활성을 보존하고 안정화하는 능력을 추가로 나타냈습니다.

식물은 불리한 기후 조건의 영향에 대응하기 위해 복잡한 조절 경로를 발전시켜 왔습니다. 비생물적 스트레스 내성을 향상시키는 메커니즘은 다양한 식물 생리학적 과정과 신호 전달 경로를 직접적으로 기능하고 조절하는 단백질 분자에 크게 의존합니다. 후기 배발생 풍부(LEA) 단백질 유전자군은 비생물적 스트레스 조건에서 식물 세포 손상을 보호하고 감소시키는 기능성 단백질 그룹입니다1. 이들 단백질은 구조가 무질서하고 반복되는 모티프가 특징입니다2. 보존된 아미노산 서열 모티프를 기반으로 LEA 단백질은 8개의 별개 그룹으로 분류되었으며, LEA2 단백질은 식물에서 가장 우세한 그룹입니다. 주로 LEA2 단백질은 Gossypium hirsutum3의 성숙한 씨앗에서 대량으로 발견되었으며 꽃이 피는 식물과 꽃이 피는 식물에서 편재적으로 발현되었습니다4. 그들은 주로 종자 발달의 후기 단계와 환경적 제약에 대한 식물의 반응을 위해 영양 조직에 축적됩니다5. LEA2 단백질은 매우 친수성이고 주변 미세 환경의 변화에 ​​반응하여 형태가 달라질 수 있는 본질적으로 무질서한 단백질(IDP)로 특징지어집니다6. LEA2 단백질 하위 계열 중에서 디히드린(DHN)은 주로 전하를 띠는 극성 아미노산의 비율이 높고 소수성 및 비극성 잔기의 비율이 낮은 것으로 주로 구성되는 잘 알려진 생화학 그룹입니다7.

LEA2 단백질은 비생물적 스트레스 내성을 향상시키기 위해 식물의 생리학적 반응에 광범위하게 관여합니다. 밀에서 Triticum aestivum L., TaLEA2-1의 과발현은 뿌리 성장, 식물 높이를 향상시키고 야생형 묘목과 비교하여 더 높은 카탈라아제 활성을 유도했습니다. TaLEA2-1은 TaLEA2-1 형질전환 밀 식물에서 향상된 염분 내성을 부여했습니다5. 또한, 최근 연구에서는 Populus trichocarpa의 LEA2 유전자 PtrDHN-3이 염분 및 가뭄 스트레스 내성에 필수적인 역할을 하는 것으로 밝혀졌습니다8. PtrDHN-3의 과발현은 형질전환 효모의 내염성을 증가시키고 염 스트레스 하에서 형질전환 애기장대 식물의 발아율, 생중량 및 엽록소 함량을 향상시키는 것으로 관찰되었습니다8. 또한, 목화 LEA2 유전자로 형질전환된 애기장대 식물은 야생형에 비해 가뭄 스트레스 하에서 더 높은 성장을 나타냈다9. 더욱이, 옥수수에서는 KS형 DHN 유전자인 ZmDHN13이 분리되었으며, 형질전환 담배 식물에서 이 유전자의 과발현은 산화 스트레스 내성을 향상시켰습니다. 또 다른 연구에서는 형질전환된 담배와 대장균에서 Prunus mume LEA2 유전자의 과발현이 저온 스트레스 내성을 향상시켰습니다11. 또한 두 개의 A. thaliana DRE, AtDREB1A 또는 AtDREB2A의 과발현은 rd29A 및 COR4712와 같은 LEA2 단백질의 저온 스트레스 상호 연결된 유전자의 유도를 초래했습니다. 고지대 목화인 G. hirsutum의 LEA2 유전자의 추정 프로모터에서 몇 가지 비생물적 스트레스 관련 시스 요소가 발견되었습니다. 여기에는 비생물적 스트레스13,14에서 기능적 역할을 하는 것으로 알려진 MYBCORE, ABRELATERD1, ABRE 유사 서열 및 ACGTATERD1 요소가 포함되었습니다. 이러한 스트레스 촉진 요소의 존재는 적대적인 기후에서 자라는 식물의 비생물적 스트레스 내성을 향상시키는 LEA2 단백질의 역할을 강력하게 뒷받침합니다.