크립토크롬
[ cryptochrome ]
식물과 동물에서 플라빈과 테린을 발색단으로 사용하는 청색광을 감지하는 플라보단백질로서 빛에 의해 활성화되는 DNA 수선효소 포토리아제(광분해효소; photolyase)와 진화적으로 가깝다.
목차
크립토크롬 발견
1980년대 애기장대 HY4 유전자가 청색광 반응에 관여함이 밝혀졌으며, 1993년 유전자 염기서열이 해독되었다. 1995년 경 HY4가 청색광에 의해서 활성화되는 DNA 수선효소인 포토리아제와 유사하지만 효소활성도가 없기 때문에 DNA 복구 경로가 아니라 생체시계 조절에 관여하는 청색광 수용체로 밝혀졌다. 식물 이외에 사람, 초파리, 쥐 등에서 관련 유전자가 보고되었다.1)2)3)
크립토크롬 구조
크립토크롬은 플라보단백질로서 잘 보존된 N-말단과 아미노산 길이가 다양한 C-말단으로 구성되어 있다. N-말단은 포토리아제 도메인(PHR, photolyase related)으로서 두 개의 발색단과 결합하고 있다. 그 중 하나는 테린(pterin)의 일종인 5,10-메테닐테트라히드로폴린산(5,10-methenytetrahydrofolic acid, MTHF)이며, 두 번째는 플라빈의 일종인 플라빈아테닌 디뉴클레오티드(FAD)이다.
![](https://img-api.cboard.net/img_n.php?image_url=https://dbscthumb-phinf.pstatic.net/5485_000_1/20240223193615053_3CF4O6FC9.jpg/%25ED%2581%25AC%25.jpg?type=w540_fst_n)
대장균 포토리아제와 애기장대 크립토크롬 도메인 구조 (출처:박연일)
애기장대 크립토크롬 CRY3의 결정구조에서는 MTHF와 FAD가 비공유결합으로 결합되어 있음을 알 수 있다.(PDB ID: 2IJG)4) 애기장대 크립토크롬에서 테린은 380 nm, 플라빈은 450 nm 파장을 흡수한다.5) C말단의 경우 아미노산 서열의 상동성이 낮음에도 불구하고 식물 크립토크롬에서는 D 모티브(DQXVP), 글루탐산이나 아스파탐산과 3~5개로 산성 모티브(acidic motif), 그리고 STAES 모티브, 총 3종의 모티브가 잘 보존되어 있다. 이들 중 STAES 모티브는 단백질 인산화와 관련있다.6)7) 크립토크롬의 3차원 결정구조는 포토리아제와 매우 유사하지만 DNA 수선 기능은 없는 것으로 알려져 있다.
![](https://img-api.cboard.net/img_n.php?image_url=https://dbscthumb-phinf.pstatic.net/5485_000_1/20240223193614344_92VIZ4DHH.png/2ijg.png?type=w540_fst_n)
애기장대 크립토크롬 결정구조 (왼쪽 리간드, 테린; 오른쪽 리간드, 플라빈; PDB 2IJG) (출처:Huang Y, Baxter R, Smith BS 등 (2006) Crystal structure of cryptochrome 3 from Arabidopsis thaliana and its implications for photolyase activity. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A, 103: 17701-17706 )
크립토크롬 신호전달 경로
크립토크롬은 핵 단백질로서 생장과 발달 혹은 빛이나 자기장과 같은 환경 변화를 감지하여 적응하는데 관여한다. 예를들어 애기장대 크립토크롬은 줄기신장, 잎 확장, 광주기 개화, 생체시계, 안토시아닌 생합성에서 빛 반응을 조절한다. 이러한 과정에서 적/원적색광 광수용체인 피토크롬, COP1, 생체시계를 구성하는 단백질, 염색사와 상호작용한다.8)9) 세균이나 초파리, 포유동물의 크립토크롬은 생체리듬을 조절하는 생체시계의 한 구성원이다. 크립토크롬은 광합성 세균의 일종인 남세균에서는 전사 억제제로 작용한다.10)11) 크립토크롬에 의한 이러한 청색광 신호 전달 경로는 피토크롬과 같은 광수용체와 마찬가지로 발색단에 의한 빛 흡수와 이에 수반하는 단백질의 구조변화가 최종적으로 유전자 발현을 조절하는 경로로 구성되어 있다. 발색단 간의 신호변환을 설명하는 가설로 두 발색단 사이의 빛 에너지 전달이 관여할 것이라는 가설이 있다. 이 가설에 의하면 테린에서 흡수된 빛이 플라빈으로 전달되어 FAD가 FADH로 환원되며, 그 결과 크립토크롬의 특정 부위가 인산화되며, 이후 인산기 전달 경로에 의해서 유전자 발현이 조절된다.12) 또 다른 가설에 의하면 빛 신호가 화학신호로 변환되는 과정이 FAD나 인접해있는 아스파탐산의 음전하에 의해서 촉진된다. 그 결과 단백질 형태변환이 수반되면서 C말단이 인산화된다. 최종적으로 크립토크롬과 결합하고 있던 HY5 전사인자가 떨어져서 광형태형성을 유도한다.13)
참고문헌
1. Ahmad M, Cashmore AR (1993) HY4 gene of A. thaliana encodes a protein with characteristics of a blue-light photoreceptor. Nature, 366: 162–166
2. Todo T, Ryo H, Yamamoto K 등 (1996) Similarity among the Drosophila (6-4)photolyase, A human photolyase homolog, and the DNA photolyase-blue-light photoreceptor family. Science, 272: 109–112
3. Kobayashi K, Kanno S, Smit B 등 (1998) Characterization of photolyase/blue-light receptor homologs in mouse and human cells. Nucleic Acids Research, 26: 5086–5092
4. Huang Y, Baxter R, Smith BS 등 (2006) Crystal structure of cryptochrome 3 from Arabidopsis thaliana and its implications for photolyase activity. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A, 103: 17701-17706
5. Song SH, Dick B, Penzkofer A 등 (2006) Absorption and fluorescence spectroscopic characterization of cryptochrome 3 from Arabidopsis thaliana. J Photochem Photobiol, 85: 1–16
6. Ahmad M, Lin C, Cashmore AR (1995) Muations throughout an arabidopsis blue-light photoreceptor impair blue-light-responsive anthocyanin accumulation and inhibition of hypocotyl elongation. Plant J, 8: 653-658
7. Lin C, Shalitin D (2003) Cryptochrome structure and signal transduction. Annu Rev Plant Biol, 54: 464-496
8. Yang HQ, Tang RH, Cashmore AR (2001) The signaling mechanism of arabidopsis CRY1 involves direct interaction with COP1. Plant Cell, 13: 2573–2587
9. Somers DE, Devlin PF, Kay SA (1998) Phytochromes and cryptochromes in the entertainment of the arabidopsis circadian clock. Science, 282: 1488–1490
10. Panda S, Hogenesch JB, Kay SA (2002) Circadian rhythms from flies to human. Nature, 417: 329-335
11. Brudler R, Hitomi K, Daiyasu H 등 (2003) Identification of a new cryptochrome class. Structure, function, and evolution. Mol Cell, 11: 59-67
12. Hoang N, Bouly JP, Ahmad M (2008) Evidence of a light-sensing role for folate in Arabidopsis cryptochrome blue-light receptors. Mol Plant, 1: 68–74
13. Müller P, Bouly JP, Hitomi K 등 (2014) ATP binding turns plant cryptochrome into an efficient natural photoswitch. Sci Rep, 4: 5175