Chapt 15. Proteomics as a tool for plant genetics and breeding

1. Chapt 15. Proteomics as a tool for plant genetics and breeding 생명과학부 박사1년 하 병 집

2. 1. Introduction • 2-De의 유전학적 연구 응용 • Genetic distance의 추정(Phylogenetic relationships) • Gene expression의 변화연구 • Genetic mapping • 서술내용 • Plant biology 연구에서 proteomics가 사용된 예들 • Plant proteomics가 plant genetics 연구에 기여한 점 • 용어 • QTL(quantitative trait loci)

3. Contents 1. Introduction 2. Genetic diversity analysis 2.1. Inter- and intra-specific genetic differentiation 2.2. Distinction of varieties, lines and cultivars 3. Genome expression 3.1. Mutant characterization 3.2. Variability between organs and developmental stages 3.3. Identification and characterization of abiotic stresses responsive proteins 4. Genetic mapping and candidate proteins 4.1. Genetic mapping of protein markers 4.2. Protein quantity loci(PQL) and candidate proteins 5. Technological advances and plant protein databases 6. Concluding remarks, and a glance at the future

4. 2.1. Inter- and intra-specific genetic differentiation • 전통적 방법 : Isozyme, DNA-based markers analysis • 2-DE 방법의 장점 • Far more markers than isozyme electrophoresis • Genetic variability only of expressed genes, compared with DNA marker • Interspecific variability의 예(Triticum, 밀) • 빵밀의 일종인 Chinese spring(CS)과 Triticum의 몇가지 종을 2-DE 비교함 • Similarity indices were computed between each type of genotypes(Similarity matrix) • Dendrogram construction from the similarity matrix • Intraspecific variability의 예(Pinus pinaster, 해송) • Pinus pinaster 종의 지역적 분포에 따른 genetic variation을 조사 • Terpenes and isozyme 분석결과와 비슷한 수준의 variation 결과를 얻음

7. 2.2. Distinction of varieties, lines, and cultivars • 2-DE로 3개의 wheat varieties 단백질의 정성적, 정량적 비교(1983) • 2-DE 기술의 진보로(protein extraction 방법 개선, large gel size) 유사한 genotypes도 구별 가능해짐 • 밀, 보리, 벼, 사탕수수, 고추 등의 변종, 계통 분석이 연구됨

8. 3. Genome expression3.1. Mutant characterization • Wild type과 mutant의 2-DE pattern 비교 • 이미 알려진 mutant pleiotropy의 확인 • Mutated gene에 의해 발현된 단백질의 identify 가능 • Arabidopsis thaliana 분화초기단계에서 몇 개의 mutant들의 2-DE pattern 비교(1994) : Actin isoform인 하나의 단백질의 량과 배축의 길이와의 관련성 확인 • Pleiotropic mutation 연구에서 2-DE의 우월성이 확인됨 • 완두콩의 r gene(RR/rr seed 결정)만 다른 near-isogenic lines의 씨앗을 2-DE 분석 :spots의 약 10%가 양적 차이 보임(많은 생리학적 차이를 다시 확인해줌) • 옥수수의 Opaque2(O2) mutant를 2-DE :다양한 metabolic pathway에 간여하는 효소들의 차이 확인(O2는 다양한 pathway에 관여하는 조절유전자) • Low genetic differences, but can be high proteome differences including post-translational modifications.

9. 3.2. Variability between organs and developmental stages • Higher level of variability for organ-specific polypeptides • 해송18그루의 three organs(needle, bud, pollen)의 유전자변이를 2-DE 분석 • 902 polypeptides scored(27.2% polymorphic) (Common polypeptides: 18.1%, needle: 44.4%, pollen 58.1%, bud: 70.4%) • Organ-specific proteins의 경우 발현조절 유전자의 수가 많아 mutation이 일어날 targets이 많기 때문임

10. 3.3. Identification and characterization of abiotic stresses responsive proteins • 작물의 육종 프로그램에 응용위해 연구됨 • Heat shock proteins • 토마토 세포배양 통해 48 HSPs 확인(1984) 이후, 열처리 방법, development 단계별 발현 등이 연구됨 • HSP polymorphism과 thermal tolerance의 관계를 연구함 • Cold acclimation proteins • Heat tolerance와 달리 specific set of protein이 보이지 않음 • 2-DE의 이용은 주로 저온에 유도되는 단백질을 찾고, 순응기간 동안에 발현이 조절되는 단백질을 찾는데 이용됨 • Proteins related to drought • Abscissic acid(ABA), salinity(water, osmotic) stress, cellular damage(HSPs, oxidative stress proteins, protease and antiproteases) 등과 관련되어 연구

11. 4. Genetic mapping and candidate proteins4.1. Genetic mapping of protein markers • DNA-based techniques are choice for quickly saturating a genome(RFLP, RAPD, AFLP, Microsatellites) 2-DE provides molecular markers for mapping the expressed gene • Position shifts(PS) variation(그림 2.a) • Monogenic codominant segregation(1:2:1 segregation ratio in F2) • They are allelic pairs of same protein • PS locus on a genetic map • Presence/absence(P/A) variation(그림 2.b) • Monogenic dominant segregation(3:1 segregation ratio in F2) • A single gene is responsible for this polymorphism • P/A locus on a genetic map • Genetic localization of protein marker 연구가 wheat, maize, maritime pine (그림 4)에서 보고됨 • 아직은, 한 종의 식물에서 100 개 이하의 protein loci가 mapping됨

14. 4.2. Protein quantity loci(PQL) and candidate proteins • 농학적으로 중요한 형질변이에 관여하는 유전자를 찾는 연구 • QTL(quantitative trait loci,양적형질유전자좌) mapping • Polymorphic marker들끼리의 연관성(linkage)과 phenotype을 서로 비교 측정하여 만들어진 linkage map을 분석하여 최종적으로 그 형질에 관여하는 실제 유전자를 찾는 방법 • Marker들의 linkage map이 세밀하지 않아 실제유전자를 찾기 어렵다 • 다년생식물과 나무류의 경우 1cM 거리도 매우 달라 positional cloning도 어렵다 • Functional CG(candidate gene) : 그 형질과 관련된 biochemical, developmental pathway 의 지식으로부터 제안될 수 있는 후보유전자 • Positional CG : 그 형질의 QTLs과 동일한 위치에 있는 유전자로부터 제안된 후보유전자 • PQL(protein quantity loci) mapping • CG는 그 유전자산물이 양적차이나 활성차이를 보이지 않으면 validation 될 수 없으며, 반드시 단백질분석 스텝이 필요하다(Candidate protein approach) • Damerval(1994)은 옥수수의 2-DE에서 단백질의 양적차이를 유전적으로 설명해주는 regulatory factor or PQL 개념을 도입하였다(QTL detection strategy를 이용) (For the 72 proteins analyzed, 70 PQLs were detected for 42 proteins, 20 of them having more than one PQL)

18. 5. Technological advances and plant protein databases • Proteomics의 기술적진보와 함께 미생물과 사람에서 많은 연구가 이루어지고 있으나, 식물에서의 이용은 많지 않았다. • Plant proteomes databases(Table 1)

19. 6. Concluding remarks, and a glance at the future • 2-DE는 phylogenetic relationship 연구의 유용한 수단이나, 그 이용은 거의 없었다. • PCR-based techniques과는 다른 레벨의 정보를 제공해 주므로 상호보완적으로 연구될 수 있다. • 육종학에서 형질변이, 형질개량, 후보유전자의 단백질 분석에 많이 이용될 것임