Plant Cell Signaling Laboratory
Auxin
식물세포신호전달경로 및 바이오매스 조절연구
에너지원으로서 재생산 가능한 셀룰로오스계의 바이오연료를 식물체로부터 대량 공급하기 위해서는 바이오매스 함량을 증진시키기 위한 과학적 방안이 도출되어야 한다. 이러한 문제를 해결하기 위한 일환으로 식물의 환경요인으로 인한 천연재해로부터 식물생산 수율 증가, 열악한 환경에서 생장할 수 있는 식물체의 개발 및 식물의 성장발달 조절을 통한 바이매스의 증진 등을 들 수 있다.
식물은 움직일 수 없는 고유한 특성 때문에 식물체의 외부 환경변화에 대한 반응은 호르몬, 빛, 대사 네트워크, 식물 성장 및 발달 등 시스템적으로 대응하여 적응한다. 따라서 식물의 성장과 발달을 이해하기 위해서는 이러한 복잡한 변화의 네트워크가 규명되어야 한다.
본 연구실은 식물성장 및 발달 조절과 외부스트레스환경에 대한 식물반응을 조절하는데 주요한 세포신호전달경로를 연구한다. 이러한 세포신호전달 메커니즘을 분자수준에서 이해하게 되면 경제성 작물의 수율 및 바이오 에너지 작물의 바이오매스 수율을 증진시키는데 도움을 줄 것으로 생각된다.
식물호르몬 옥신(auxin)의 세포신호전달 과정과 네트워크 규명
옥신은 주요 식물성장 호르몬으로서 배 형성, 뿌리 및 어린 싹 형성, 기관 형성, 굴중성, 굴광성, 노화 등에 이르기까지 거의 모든 측면의 성장과 발생을 조절한다. 많은 유전학적 분자생물학적 생화학적 연구들은 이러한 과정의 대부분이 Aux/IAA 와 transcription factor인 Auxin Response Factors (ARFs)간의 상호작용에 의해 이루어진다는 것을 시사하고 있다.
애기장대에는 23개의 ARF 와 29개의 Aux/IAA 유전자가 존재한다. 전형적인 ARF 단백질은 N-terminus에 DNA-binding region이, C-terminus에 dimerization motif, 중간에 divergent region이 존재하며 이 부분은 아미노산 서열의 특성에 따라 해당 유전자의 발현을 촉진하거나 혹은 억제하는 역할을 한다. 이 ARF 단백질들은 Auxin Response Element (AuxRE) 라고 하는 DNA 서열에 결합하여 전사를 활성화 하거나 억제한다. 이들 단백질의 생리학적 기능이 많이 밝혀져 있는데, 예로서, ARF5/MONOPTEROS는 배 형성과 유관조직 발달에, ARF7/NOHPHOTOTROPHIC-HYPOCOTYL4는 굴성(tropism)에, ARF3/ETTIN는 꽃 기관 발달에 관여하는 것으로 나타났다. Aux/IAA는 옥신 early gene family중의 하나로서, ARF와의 단백질 상호작용을 통하여 ARF의 기능을 억제함으로써 옥신에 의한 유전자 발현을 조절한다.
각 Aux/IAA 유전자는 다양한 옥신 발현 kinetics와 조직 특이적 발현 패턴을 보이며, 세포핵에 존재하고 4개의 보존된 도메인, domains I-IV를 가지고 있다. Domain III-V는 ARF의 dimerization domain과 유사하며, Aux/IAA는 이 도메인을 통해 Aux/IAA 혹은 ARF 와 homo 혹은 heterodimerization을 한다. 최근 연구결과는 domain I이 transcription repression 기능을 갖고 있는 것으로 시사하였다. Aux/IAA 단백질은 매우 불안정하며 domain II가 이러한 단백질불안정성을 결정한다. Aux/IAA의 gain-of-function 돌연변이체의 분석 결과 이들 유전자는 옥신 반응을 억제하는 것으로 시사하였으며 지금까지의 모든 경우 domain II에 돌연변이가 일어나 단백질 안정성이 증가됨으로써 다양한 옥신 반응이 영향을 받은 것으로 나타났다.
Aux/IAA의 단백질 분해조절에 관한 많은 유전학적, 분자생물학적, 생화학적 연구와 유전자조절에 관한 연구결과들이 제안하는 모델은 옥신이 Aux/IAA 단백질과 SCF E3 ubiquitin ligase 단백질 복합체와의 결합을 촉진하여 ubiquitination을 통하여 Aux/IAA 단백질의 분해를 촉진한다.
Aux/IAA 단백질의 분해는 ARF 단백질의 작용 억제를 풀어줌으로써 ARF의 기능을 활성화 하고, 하부 유전자들의 발현과 그 발현 조절 결과로 다양한 형태의 옥신 반응이 이루어지는 것으로 보여 진다. TIR1 F-box 단백질이 옥신의 수용체로 밝혀졌으며, TIR1과 Aux/IAA peptide 복합체의 3차 구조가 규명되어 옥신 작용의 인식과정에 대한 분자기전을 이해하게 되었다.
옥신 신호전달과 작용기전에 관한 지식은 최근 단백질분해의 조절과정이 옥신 신호전달경로의 중심적 과정으로 밝혀짐으로써 진일보를 이루게 되었으나, 여전히 옥신작용의 주요한 주제, 즉 옥신 신호가 어떻게 각 생물학적 과정을 위해 매우 정교하고 정확한 세포 반응으로 변환 되는가에 대한 분자 기전은 아직 미해결의 영역으로 남아있다.
더욱이 국내에서는 식물 호르몬의 식물학 분야에서의 중요성 과 응용성에도 불구하고 식물 호르몬 신호전달과 분자기작에 관한 연구는 매우 미약한 실정이다. 본 연구진은 이에 식물의 생장과 발달 조절의 핵심 호르몬으로 작용하는 옥신의 신호 전달과정을 세포 및 분자수준에서 규명하고자 한다. Aux/IAA-ARF가 조절하는 하부 유전자들의 발굴과 옥신 반응에서의 생리 생화학적 기능 연구는 옥신 신호전달의 이해와 식물의 성장발달과정을 이해하기 위한 핵심연구 과제중의 하나이다.
본 연구실은 식물호르몬에 의한 식물의 생장조절과 신호전달 네트워크를 연구하기 위하여 옥신에 의해 강하고 매우 빠르게 발현되는 IAA1 유전자를 glucocorticoid receptor의 hormone binding domain (GR)과 fusion으로 발현되게끔 하되, 단백질 안정성을 높인 iaa1-GR 형질전환 애기장대 식물체를 제작, 스테로이드 호르몬 유도성 작용 방법을 이용하여 하부 유전자를 발굴하여 기능을 규명하고 있다. iaa1은 세포핵에서 gravitropism 과 phototropism을 포함하여 매우 다양한 옥신 반응을 조절하며 또한, 세포길이 확장 혹은 세포 분열에도 영향을 미친 것으로 나타났다. Microarray 분석으로 iaa1의 잠재적 하부조절 유전자들을 확인하고, 대표 유전자들의 발현 및 조절양태에 관한 다양한 정보를 확보하였다. 이들 유전자들의 옥신반응에서의 식물의 성장발달과정에서의 생물학적 조절기능과 생리, 생화학적 기능기전을 규명 한다. 확보된 iaa1 하부조절 유전자들의 T-DNA 삽입(기능상실)돌연변이 애기장대의 분리 및 분석, 교배를 통한 다중 돌연변이체 제작 및 분석, protein-protein interaction, sense, antisense, dominant negative mutation, inducible RNAi, protoplast를 이용한 전이적 유전자 발현기법, microarray 등 다양한 분자생물학적, 세포생물학적, 생화학적 방법, 생명정보학적, 시스템 생물학적 방법 등이 이용된다.
특히 식물성장 및 측면 발달과정에서 중요하게 관여하고 있는 것으로 여겨지는 LATERAL ORGAN BOUNDARIES DOMAIN (LBD) 유전자의 기능 연구에 집중하고 있다. LBD 유전자는 식물체에서 특이적으로 발견되는 전사조절기능을 갖는 것으로 추정되는 단백질의 유전자들로써 식물체의 측면기관에서 주로 발현된다. 식물 데이터베이스에 따르면 LBD 도메인을 가지고 있는 유전자가 애기장대에는 43개가 있는 것으로 알려져 있으나, 대다수의 유전자의 기능은 밝혀져 있지 않다. LBD 유전자는 주요 작물인 벼와 옥수수에도 다수 발견되며 식물발달과 구조형성에 관여하는 것으로 보여 진다. 본 과제가 추구하는 최종 연구목표는 식물호르몬 작용기전의 신호전달과정을 분자수준에서 규명함으로써 식물 생장 및 발달과정을 이해하고 이러한 연구결과에 기초하여 경제성 작물의 수율 증진 및 최근 개발하고 있는 차세대 에너지 작물에 적용하여 바이오에너지 생산에 필요한 식물체의 바이오매스 증진향상에 기여하고자 한다.
LBD는 아미노산 서열의 유사성과 도메인 특성에 따라 2개의 class로 나눈다. Class 1은 36개의 유전자, class 2는 6개의 유전자로 이루어져 있다. Class 1은 LOB 단백질에서 관찰되는 것과 유사한 LOB 도메인을 가지고 있는 반면, class 2는 class 1에 비해 LOB 도메인뿐만 아니라 LOB 도메인 바깥 부분도 유사성이 적다. Class I 의 LOB 도메인은 약 100여개의 아미노산으로 이루어져 있으며, CX2CX6CX3C 배열로 이루어진 보존된 4-Cys motif, Gly-Ala-Ser (GAS) block, 그리고 LX6LX3LX6L 배열로 이루어진 Leu zipper 와 유사한 coiled-coil motif를 함유하고 있다. Class II 에는 coiled-coil motif가 발견되지 않는다. 아래 모식은 전형적인 LBD 단백질의 도메인 구조를 보여주고 있다.
참고문헌
Berleth, T., Krogan, N.T., and Scarpella, E. (2004). Auxin signals-turning genes on and turning cells around. Curr. Opin. Plant Biol. 7: 553-563.
Chapman, E.J., and Estelle, M. (2009). Mechanism of auxin-regulated gene expression in plants. Annu. Rev. Genet. 43:265-285.
Dharmasiri, N., Dharmasiri, S., and Estelle, M. (2005). The F-box protein TIR1 is an auxin receptor. Nature 435: 441-445.
Gray, W.M., Kepinski, S., Rouse, D., Leyser, O., and Estelle, M. (2001). Auxin regulates SCFTIR1-dependent degradation of AUX/IAA proteins. Nature 414: 271-276.
Kepinski, S., and Leyser, O. (2005). The Arabidopsis F-box protein TIR1 is an auxin receptor. Nature 435: 446-451.
Kim, J., Harter, K., and Theologis, A. (1997). Protein-protein interactions among the Aux/IAA proteins. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 94: 11786-11791.
Ku, S.-J., Park, J.-Y., and Kim, J (2009). Overexpression of IAA1 with domain II mutation impairs cell elongation and cell division in inflorescence and leaves of Arabidopsis. Journal of Plant Physiology 166: 548-553.
Lee, D.J., Park, J.-H, Lee, H.-W., and Kim, J (2009). Genome-wide analysis of the auxin-responsive transcriptome downstream of iaa1 and its expression analysis reveal the diversity and complexity of auxin-regulated gene expression. Journal of Experimental Botany 60(13): 3935-3957.
Lee, H.-W., Kim, N.-Y., Lee, D.-J., and Kim, J (2009). LBD18/ASL20 regulates lateral root formation in combination of LBD16/ASL18 downstream of ARF7 and ARF19. Plant Physiology 151: 1377-1389.
Majer C, Hochholdinger F. (2011). Defining the boundaries: structure and function of LOB domain proteins. Trends Plant Sci. Jan;16(1):47-52.
Park, J.Y., Kim, H.J., and Kim, J. (2002). Mutation in domain II of IAA1 confers diverse auxin-related phenotypes and represses auxin-activated expression of Aux/IAA genes in steroid regulator-inducible system. Plant J. 32: 669-683.
Parry, G., and Estelle, M. (2006). Auxin receptors: a new role for F-box proteins. Curr. Opin. Cell Biol. 18: 152-156.
Peret B, De Rybel B, Casimiro I, Benkova E, Swarup R, Laplaze L, Beeckman T, and Bennett MJ (2009). Arabidopsis lateral root development: an emerging story. Trends Plant Sci. 14(7):399-408.
Tan, X., Calderon-Villalobos, L.I., Sharon, M., Zheng, C., Robinson, C.V., Estelle, M., and Zheng, N. (2007). Mechanism of auxin perception by the TIR1 ubiquitin ligase. Nature 446: 640-645.
Weijers, D., and Jurgens, G. (2004). Funneling auxin action: specificity in signal transduction. Curr. Opin. Plant Biol. 7: 687-693.