Using Arabidopsis thaliana, I identified the cis-element involved in the plant unfolded protein response (UPR). In transgenic plants, tunicamycin stimulated expression of a reporter gene under the control of the BiP promoter. Subsequent analysis of the mutant BiP promoters in protoplasts identified a 24 base pair (bp)-sequence crucial to this induction. When fused with a minimal promoter, a hexamer of this sequence was sufficient for induction of a reporter gene in protoplasts treated with tunicamycin or dithiothreitol. Induction rate equivalent to that of the original BiP promoter was observed when assay was conducted in transgenic plants. This 24 bp-sequence contained two elements also responsible for the UPR in animals. The 16bp-sequence, ATTGGTCCACGTCATC, containing the two animal cis-elements was also sufficient for the induction and named as Plant-Unfolded Protein Response Element (P-UPRE). Either of these elements was sufficient for the plant UPR. The promoter region of BiP-L, the third Arabidopsis BiP showing dramatic transcriptional induction by tunicamycin treatment, also contained two animal UPR cis-element-like sequences, both of which were crucial for the induction. These results indicate the conservation between animals and plants of cis-elements involved in the UPR. The animal UPR cis-elements-like sequences were found in the promoter regions of more that 600 Arabidopsis genes. The plant UPR cis-element identified in this study is similar to the abscisic acid-responsive element (ABRE). ABF3, a bZiP transcription factor involved in the abscisic acid signal transduction, induced the BiP-L promoter and plant UPR cis-element when over-expressed transiently in protoplasts.
이 논문에서 나는, 애기장대를 재료로 하여 식물의 소포체 스트레스 반응 (ER stress response 또는 unfolded protein response)에 관여하는 cis-element를 찾아내었다. 이를 위해 소포체 스트레스 반응의 목표 유전자 중 하나인 BiP 유전자의 프로모터를, 형질전환 식물체와 원형질체를 이용하여 분석하였다. 애기장대 BiP 프로모터 아래에 리포터 유전자를 붙여 형질전환시킨 애기장대 형질전환체에서, tunicamycin을 처리하였을 때 리포터 활성이 증가하였다. 이후 애기장대 원형질체를 이용해 BiP 프로모터의 돌연변이들을 분석하여, 이 리포터 유전자 활성 증가에 결정적인 역할을 하는 24개의 염기서열을 밝혀내었다. 이 24개 염기서열의 6중합체를 최소 프로모터의 위쪽에 클로닝한 인공적인 프로모터 아래에 리포터 유전자를 붙여, 마찬가지로 애기장대나 애기장대 원형질체에 형질전환 하였을 때, tunicamycin이나 dithioreitol 처리에 의해 리포터 활성이 증가하였다. 이 24개 염기서열은, 동물에서 UPR에 관여하는 cis-element와 일치하는 두 개의 element들을 포함하고 있었다. 이 두 개의 동물 UPR cis-element만을 포함하는 16개의 염기서열만으로도 소포체 스트레스 반응에 의한 리포터 활성 증가가 관찰되었으므로, 이 16개 염기서열, ATTGGTCCACGTCATC를 P-UPRE (Plant-Unfolded Protein Response Element)라 이름하였다. P-UPRE에 포함된 두 개의 동물 UPR cis-element들은 각각 독립적으로 식물에서 UPR cis-element로서 작용할 수 있었다. 또한 최근 발견된, UPR에 의해 그 발현양이 크게 증가하는 세번째 애기장대 BiP인 BiP-L의 프로모터도 두 개의 동물 UPR cis-element와 일치하는 염기서열을 포함하고 있었으며, 이 두 개의 element들은 모두 UPR에 의한 BiP-L 유전자의 발현 증가에 결정적으로 필요하였다. 이 결과들은 동물과 식물에서 UPR에 관여하는 cis-element들이 보존되어 있음을 의미한다. 애기장대 게놈 전체를 조사하였을 때, 동물의 UPR cis-element와 일치하는 염기서열이 600개 이상의 유전자 프로모터에 하나 이상 존재하였다. 식물의 UPR cis-element는 앱시식산 신호 전달에 관여하는 ABRE (Absicic acid responsive element) 와도 유사하였다. bZiP 전사 조절 인자의 일종인 ABF3를 애기장대 원형질체에서 과발현시켰을 때 BiP-L 프로모터와 식물의 UPR cis-element의 6중합체를 포함한 인공 프로모터의 활성이 증가하였다.
