287: ZAR1 저항체 (ZAR1 Resistosome)

Author: Dennis Piehl, David S. Goodsell Translator: PDBj

완전한 형태의 ZAR1 저항체 집합체를 위와 측면에서 본 그림(PDB ID 6j5t). 유리딘화된 PBL2(진한 파란색, 유리딜기 부분은 자홍색), RSK1(청록색), ZAR1(녹색)을 동반하고 있다. ZAR1 서브유닛(노란색)은 집합체의 한 측면에서 깔때기 모양의 돌기를 형성하고 있다.
완전한 형태의 ZAR1 저항체 집합체를 위와 측면에서 본 그림(PDB ID 6j5t). 유리딘화된 PBL2(진한 파란색, 유리딜기 부분은 자홍색), RSK1(청록색), ZAR1(녹색)을 동반하고 있다. ZAR1 서브유닛(노란색)은 집합체의 한 측면에서 깔때기 모양의 돌기를 형성하고 있다. 고해상도 TIFF 이미지는이쪽。

사람을 포함한 기타 모든 생물과 마찬가지로 식물도 병원균에 감염되어 질병에 걸릴 수 있다. 이것은 농업이나 식량 생산에 심각한 문제이다. 왜냐하면 병은 작물의 전멸을 일으킬 수 있기 때문이다. 다행히 식물은 그런 외부의 위협에 맞서 자신을 보호하는 독자적인 면역 방어를 이미 갖추고 있지만 적응 면역과 자연 면역(adaptive and innate immunities)을 모두 가진 사람과 달리 식물은 자연 면역밖에 갖지 않는다. 자연 면역 시스템은 세포 표면이나 세포 내부에 있는 수용체에 의존하고 있으며, 각각 병원체와 관련된 특정 분자 패턴과 이펙터 분자를 검출한다. 검출되면 결국 병원체를 격퇴하고 생존을 유지하기 위한 면역반응으로 이어지는 일련의 이벤트가 일어난다. 여기에서는 모델 생물로서 연구자에게 널리 사용되고 있는 일반적인 잡초 식물인 애기장대(Arabidopsis thaliana)에서 저항체(resistosome)로 알려진 거대한 분자 기계의 형성에 이르는 이 경로들 중 하나를 찾아가기로 한다.

병원균을 낚다

다른 면역반응과 마찬가지로 저항체 형성 경로도 감염 자체에서 시작된다. 예를 들어 잎에 검은무늬병(black rot)을 일으키는 주요 원인이 되고 있는 병원성 세균 ‘크산토모나스 캄페스트리스’(Xanthomonas campestris)는 유리딜전달효소(uridylyltransferase) AvrAC를 식물세포에 감염시킴으로써 공격을 시작한다. 이 효소는 이름 그대로 ‘유리딜’ 뉴클레오타이드를 표적 단백질이나 핵산 사슬로 ‘전이’시키는 효소군으로 일반적으로 이용 가능한 하이드록시기를 가진 트레오닌이나 세린 등 아미노산에 결합시킨다. 식물세포 내에 들어가면 AvrAC는 제어 키나아제 효소에 유리딜기를 부가함으로써 공격을 시작하고, 그로 인해 면역신호 전달 경로가 저해된 결과 병원성이 높아진다. 그러나 교묘하게도 식물세포는 PBL2라고 불리는 미끼 단백질을 미끼로 반격을 한다. PBL2가 유리딜화되면 면역반응을 정지시키는 대신 저항체를 구축하는 과정을 시작한다. 후술하는 ‘구조 보기’ 절에서는 인터랙티브로 조작할 수 있는 그림으로 그것을 나타낸다.

저항의 조각

저항체를 위에서 본 그림(여기에 나타낸 것은 PDB 엔트리 6j5t의 구조)을 관찰해 보면 완성된 집합체는 링 형태의 구조를 취하여 3종류의 단백질이 각각 5개씩 모여 이루어진 것을 알 수 있다. 링의 외연에는 유리딜화한 PBL2 서브유닛(진한 파란색으로 나타낸 부분)이 있고, 각 서브유닛의 복합체 중심 측에는 RSK1(의사 키나아제, 청록색으로 나타낸 부분)이라고 불리는 다른 서브유닛이 결합되어 있다. 링 안쪽에는 ZAR1(녹색으로 나타낸 부분)이라고 불리는 면역 수용체 서브유닛이 있으며 5개의 복합체를 하나로 연결하기 위한 연결점으로 되어 있다. 주목해야 할 것은 측면에서 본 그림에 그려져 있는 바와 같이 저항체의 한가운데에 있어서 ZAR1 서브유닛 말단부(노란색)가 집합체의 한쪽에 깔때기 모양의 돌기를 형성하고 있는 것이다. 이 깔대기 형태 부분은 ZAR1 저항체의 중요한 보호 기능을 수행하는 것으로 알려져 있다. 이것을 세포막에 삽입해 구멍을 만들고, ‘과민 반응’(hypersensitive response)이라고 불리는 국소적인 프로그램 세포사를 일으킴으로써 감염 세포를 희생해 식물체 전체를 지키는 것이다. 깔때기의 외측이 비교적 소수성이고 소수성 세포막 내부와 상호 작용할 것 같은 데다 깔때기 내부가 중공이고 친수성이며 세포질 환경에 적합할 것 같아 이러한 삽입 기구가 상정된다.

유리딜화 조절

AvrAC/xopAC(AF-Q4UWF4-F1)의 계산에 의한 구조 모델. Fic 도메인은 진한 빨간색으로 강조 표시하고 있다. 흰색으로 나타낸 N 말단 꼬리 부분은 예측 신뢰도가 낮고, 아마도 구조가 정해지지 않았다.
AvrAC/xopAC(AF-Q4UWF4-F1)의 계산에 의한 구조 모델. Fic 도메인은 진한 빨간색으로 강조 표시하고 있다. 흰색으로 나타낸 N 말단 꼬리 부분은 예측 신뢰도가 낮고, 아마도 구조가 정해지지 않았다. 고해상도 TIFF 이미지는이쪽。

AF-Q4UWF4-F1에서 계산된 AvrAC의 구조 모델은 키나아제 결합 도메인(빨간색)과 길고 무질서한 꼬리 부분(흰색)의 2개의 기본 부분으로 구성되어 있다. 키나아제 결합 영역은 AvrAC와 PBL2(디코이 단백질)와의 결합을 촉진할 뿐만 아니라 AvrAC의 유리딜화 활성을 담당한다. 이 활성은 뉴클레오타이드의 결합과 전이를 중개할 수 있는 ‘Fic’ 도메인(진한 빨간색으로 강조 표시)이라 불리는 작은 모티브에 의해 부여된다. 중요한 것은 AvrAC가 저항체 형성 경로의 캐스케이드의 방아쇠를 당기기 위해서는 PBL2 상의 2개 부위(1개는 세린, 다른 1개는 트레오닌)를 유리딜화하지 않으면 안 된다는 것이다.

구조 보기

레지스트 솜 형성 경로

표시 방식: 정지 이미지

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3가지 구조에서 활성형 저항체를 구축하는 과정이 어떤 단계를 거쳐 진행되는지 밝혀졌다. 먼저, ADP(주황색)가 결합한 면역 수용체 ZAR1(녹색)과 의사 키나아제 RSK1(청록색)로 구성된 복합체는 왼쪽 그림과 같이 식물세포 내에서는 불활성 상태로 존재하고 있다(PDB ID 6j5w). PBL2(진한 파란색)가 이중으로 유리딜화되면 RSK1과 결합하여 중앙에 나타낸 더 큰 중간 복합체를 형성하고(PDB ID 6j5v), 열어서 ADP를 방출할 수 있게 된다. 이 열린 중간 상태는 2개의 유리딜기(자홍색)와 RSK1의 루프 영역과의 안정화 상호 작용에 의해 유도되어 최종적으로 ATP/ADP 결합 도메인(황록색)을 밀어내고 ZAR1 구조 도메인(녹색)의 구조 변화를 일으킨다. 마지막으로 ZAR1 서브유닛은 ATP(주황색)와 결합하여 짧은 α 나선 꼬리부(노란색) 방출 등의 부가적인 알로스테릭 구조 변화를 일으켜 최종적으로 오른쪽 그림에 나타난 활성형 복합체(PDB ID 6j5t)가 된다. 이들 활성화 복합체가 5개 모여 저항체 집합체가 완성되었을 때 황색 꼬리부는 막과 상호 작용하는 깔때기 모양의 부분이 된다.

이해를 높이기 위한 토픽

  1. Toll 모양 수용체(toll-like receptor)나 아폽토솜 집합체(apoptosome assembly)같이 면역이나 프로그램된 세포사를 제어하기 위한 고분자 초복합체를 다른 생물에서는 어떻게 이용하고 있는지 살펴 보십시오.
  2. 계산을 통해 얻은 구조 모델(CSM)에 대해 더 배우고 RCSB.org 에서 그것을 어떻게 봐야 하는지 알려면 이쪽의 문서를 참조하십시오.

References

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  3. Burdett, H., Bentham, A.R., Williams, S.J., Dodds, P.N., Anderson, P.A., Banfield, M.J., Kobe, B. 2019 The plant “resistosome”: structural insights into immune signaling. Cell Host & Microbe 26 193–201
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이 기사는 RCSB PDB의 PDB-101로 제공되고 있는 「Molecule of the Month」의.2023년11월의 기사를 한국어로 번역한 것입니다.전재·인용에 대해서는 이용 규약을 봐 주세요.

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