크립토크롬

식물과 동물에서 플라빈과 테린을 발색단으로 사용하는 청색광을 감지하는 플라보단백질로서 빛에 의해 활성화되는 DNA 수선효소 포토리아제(광분해효소; photolyase)와 진화적으로 가깝다.

목차

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⁾

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.

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.

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 )

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⁾

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