피토크롬
[ phytochrome ]
목차
피토크롬 발견
피토크롬은 20세기 중반 헨드릭(Seterling Hendricks)과 보스윅(Harry Borthwick)이 식물의 종자발아와 개화를 촉진하는 적색광과 이를 상쇄하는 원적색광에 대한 연구를 진행하던 과정에서 발견되었다. 1959년 버틀러(Warren Butler)와 시겔만(Harold Siegelman)이 분광기를 이용하여 피토크롬의 존재를 확인하였으며, 식물(phyto)과 색(chrome)을 뜻하는 피토크롬(phytochrome)이라 명명하였다. 이후 1983년 퀘일(Peter Quail)과 라가리아스(J Clark Lagarias) 연구진이 활성을 가진 피토크롬 단백질을 분리 정제하였으며, 1985년 허시(Peter Hershey)와 퀘일 (Peter Quail)에 의해서 최초로 피토크롬의 유전자 서열이 분석되었다. 게놈 염기서열 정보가 해독되면서 피토크롬 유전자가 식물종마다 여러 개가 존재한다는 사실이 밝혀졌다. 예를 들면, 애기장대는 5개의 피토크롬 유전자 (PHYA, PHYB, PHYC, PHYD, PHYE)를 가지고 있고, 벼는 3개의 유전자(PHYA, PHYB, PHYC)를 가지고 있으며, 옥수수에서는 6개의 유전자가 보고되었다. 1996년 남세균(Synechocystis sp. PCC 6803)의 유전체에서 고등식물 피토크롬과 유사한 유전자가 발견된 후, 1997년 휴즈(Jon Huges)와 라가리아스(J Clark Lagarias) 그룹에 의해서 피토크롬의 존재가 실험적으로 확인되었다. 이러한 발견은 고등식물 이외에 다른 계통에서도 피토크롬이 광범위하게 존재한다는 사실을 말해준다. 이후 광합성을 수행하지 않는 비광합성 세균인 Deinococcus radiodurans나 Agrobacterium tumefaciens, 그리고 곰팡이 Aspergilus nidulans 등에서도 피토크롬이 발견되었으며, 최근에는 녹조류와 홍조류를 제외한 규조류나 회조류 등의 조류에서도 피토크롬이 발견되고 있다.1)2)3)
피토크롬 광센서 모듈 (출처:박연일)
피토크롬 구조
피토크롬은 단백질과 빌린 발색단으로 구성되어 있다. 피토크롬 단백질은 N말단 부위의 PAS, GAF, PHY 도메인과 C말단의 PAS, 히스티딘 인산화효소(HiK) 도메인이 모듈 형태로 구성되어 있다. 빌린 발색단은 GAF 도메인의 발색단 결합 포켓(chromophore binding pocket)에 위치한다. 고등식물이나 남세균, 조류 피토크롬의 발색단은 피코시아노빌린이나 피토크로모빌린으로서 GAF 도메인에 위치하는 시스테인과 티오에테르(thioether, -C-S-) 결합을 하고 있다.4) 반면 세균이나 진균의 발색단은 빌리버딘으로서 PAS 도메인의 N-말단 부위에 위치하는 시스테인과 공유결합을 한다.
피토크롬 3차원 결정구조는 Deinococcus radiodurans와 Synechocystis sp. PCC 6803, 애기장대에서 분석되었다.5)6)7) 이와 같이 PAS-GAF-PHY 도메인으로 구성된 광센서 모듈을 갖는 전형적인 피토크롬 이외에도 남세균에서 PAS 도메인 혹은 PAS와 PHY 도메인이 결여된 GAF와 PHY도메인 구조를 갖거나 혹은 GAF 도메인으로만 구성되어 있는 피토크롬이 발견되었다. 이러한 특이한 구조를 갖는 피토크롬은 남세균에서 발견되는 색이라는 의미를 가지는 시아노박테리오크롬(cyanobacteriochrome, CBCR)으로 명명되었다.8) 시아노박테리오크롬의 발색단은 주로 피코시아노빌린이지만, 빌리버딘과 결합하는 시아노박테리오크롬도 있다. 시아노박테리오크롬은 전형적인 피토크롬과 달리 자외선과 청색, 녹황색, 그리고 적색을 감지하는 색상 조정(color tuning) 메커니즘을 가지고 있다.9) 다양한 색상 조정은 빌린 발색단의 공액사슬 길이가 가역적 광전환 과정에서 길어지거나 짧아진 결과로서, 주로 시스테인 잔기와 빌린간의 가역적인 티오에테르 결합에서 기인한다.10)
피토크롬 발색단 결합 포켓 모델. 발색단은 노란색으로 표시하였음 (출처:박연일)
피토크롬의 단백질 분해 조절
식물은 빛의 흡수와 지각을 최적화하기 위해 피토크롬 단백질의 발현량을 조절한다. 피토크롬의 활성화 상태인 Pfr 형태는 비활성화 상태인 적색광 흡수성 Pr 형태보다 훨씬 짧은 반감기를 가진다. 예를 들어, 황화된 호박 모종에서 피토크롬의 반감기는 Pr의 경우 100 시간 이상이나 Pfr의 경우 1 시간 미만으로 감소한다. Pfr 형태로 전환 된 피토크롬은 단백질 분해 기작을 통하여 파쇄되는 것을 발견하였다. 이후 분자생물학적 생화학적 연구를 통하여 피토크롬은 COP1 E3 ligase와 SPA1 단백질의 결합체에 의해서 유비퀴틴화되고, 이후 26S 프로테아좀에 의해서 분해된다는 것이 밝혀졌다.11)
피토크롬의 생물학적 기능
엽록소 a와 엽록소 b의 흡수파장 (출처: modified from
피토크롬의 비활성형인 Pr형은 약 666 nm 파장의 빛을 최대 흡수하며, 활성화 형태인 Pfr형은 약 730 nm 파장의 빛을 최대로 흡수한다. Pr에서 r은 적색광(red light), Pfr에서 fr은 원적색광(far-red light)을 의미하며, 최대 흡수 파장의 빛의 색깔과 연관되어 명명되었다. 비활성상태인 Pr형은 적색광을 흡수하여 활성형인 Pfr로 전환하고, 반대로 Pfr형이 원적색광을 흡수하게 되면 비활성형인 Pr형으로 전환하게 된다. 비활성형인 Pr 형태는 세포질에서 합성되지만 빛을 흡수하여 활성형인 Pfr 형태가 되면 핵으로 이동한다. 피토크롬은 종자발아, 음지회피, 개화, 생체시계, 주광성 등 매우 다양한 식물의 광형태형성 반응을 매개하는 1차적인 광수용체로서, 피토크롬작용단백질(PIF; phytochrome interacting factor) 등 다양한 하위 조절인자들을 활성화시킨다.
피토크롬에 의한 개화 유전자 조절 모식도. (출처: 한국식물학회)
참고문헌
1. Rockwell NC, Lagarias JC (2010) A brief history of phytochromes. ChemPhysChem, 11: 1172-1180
2. Hughes J., F. Mittmann, A. Wilde 등 (1997) A prokaryotic phytochrome. Nature, 386: 663
3. Yeh KC, Wu SH, Murphy JT 등 (1997) A cyanobacterial phytochrome two-component light sensory system. Science, 277: 1505-1508
4. Duanmu D, Rockwell NC, Lagarias JC (2017) Algal light sensing and photoacclimiation in aquatic environments. Plant Cell Envrion, 40: 2558-2570
5. Davis SJ, Vener AV, Vierstra RD (1999) Bacteriophytochromes: phytochrome-like photoreceptors from nonphotosynthetic bacteria. Science, 286: 2517-2520
6. Essen, L. O., Mailliet, J., Hughes, J. (2008) The structure of a complete phytochrome sensory module in the Pr ground state. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 105: 14709-14714
7. Burgie E.S., A.N. Bussell, J.M. Walker 등 (2014) Crystal structure of the photosensing module from a red/far-red light-absorbing plant phytochrome. Proc Natil Acad Sci USA, 111: 10179-10184
8. Ishizuka T, Shimada T, Okajima K 등 (2006) Characterization of cyanobacteriochrome TePixJ from a thermophilic cyanobacterium Thermosynechococcus elongatus strain BP-1. Plant Cell Physiol, 47: 1251-1261
9. Cho, S. M. Jeoung SC, Song JY 등 (2015) Genomic survey and biochemical analysis of recombinant candidate cyanobacteriochromes reveals enrichment for near UV/violet sensors in the halotolerant and alkaliphilic cyanobacterium Microcoleus IPPAS B353. J Biol Chem, 290: 28502-285014
10. Cho SM, Joung SC, Song J-Y 등 (2017) Hydrophobic residues near the bilin chromophore-binding pocket mdouates spectral tuning of insert-Cys subfamily of cyanobacteriochromes. Sci Rep, 7: 40576
11. Jang I-C, Henriques R, Seo HS 등 (2010) Arabidopsis PHYTOCHROME INTERACTING FACTOR proteins promote phytochrome B polyubiquitination by COP1 E3 ligase in the nucleus. Plant Cell 22: 2370-2383