파이토크롬 상호작용인자에 의한 식물의 고온 반응성 조절

식물의 적색 및 원적색 광수용체인 phyB는 광 센서뿐만 아니라 온도 센서로 작용함이 보고되었다[13,14]. 이때 phyB의 광화학적 특성인 열전환(thermal reversion)이 주요한 역할을 하고 있음이 제시되었다. 즉, Pfr 활성 형태의 phyB는 열적으로 불안정하여 광변환과 상관없이 온도 의존적인 Pfr-to-Pr 변환에 의해 Pr 불활성 형태로 전환되는 열전환 과정을 이용하여 온도를 인지하여 작동할 수 있다. 이때 Pfr-to-Pr 전환 비율은 생리학적 범위(0–30도) 내에서 온도가 올라가면 비례적으로 증가한다[12]. 특히 Pfr-Pfr 동종이량체로서의 phyB 비율은 빛의 적색/원적색 비율에 따라 증가하고 온도에 따라 감소한다. 이러한 phyB 단백질의 구조적 변화는 하배축 성장을 포함하여 식물의 고온 반응성을 매개한다[4,17]. 따라서 온도가 올라가면 phyB는 Pr 불활성 형태 비율이 증가하게 되고, 이는 phyB에 의한 PIF4 활성 억제가 완화되는 결과를 초래하여 식물의 고온형태형성이 시작될 수 있다(Fig. 2).

Fig. 2. Regulation of PIF4 by phytochrome B (phyB). Under daylight with optimal/normal temperature conditions, phyB undergoes photoconversion from the inactive Pr form to the active Pfr form. The photoactivated Pfr form translocates from the cytoplasm to the nucleus, where it interacts with PIF4 and induces its phosphorylation, leading to the subsequent degradation of PIF4 via ubiquitin/26S proteasome pathway. Under warm/elevated temperature conditions, phyB undergoes thermal reversion from the active Pfr form to the inactive Pr form, which significantly reduces the translocalization of phyB into the nucleus. Consequently, PIF4 degradation by phyB is reduced and the accumulated PIF4 induces expression of downstream target genes, which contribute to the thermomorphogenesis in plants. PIF, phytochrome-interacting factor.

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애기장대에서 20℃ 적온에 비해 30℃ 고온에서 phyB의 핵 내 photobody(PB) 크기가 작아지고 양도 감소함이 확인되었으며, 이는 고온에서 열전환에 의해 phyB의 핵 내 축적이 감소함으로써 활성이 줄어드는 것을 제시한다[14]. 또한 phyB의 열전환은 두 단계로 일어난다는 것은 알려져 있는데, Pfr-Pfr 동종이량체에서 Pfr-Pr 이종이량체로의 열전환보다 Pfr-Pr 이종이량체에서 Pr-Pr 동종이량체로의 열전환이 광변환에 의한 Pfr-to-Pr 전환보다 거의 100배 빠르게 진행됨이 제시되었다[18]. 이에 식물의 주변 온도 상승은 phyB의 열전환(Pfr-to-Pr)을 가속화하고, 이를 통해 감소된 phyB 활성에 의해 PIF 인자의 불활성화가 억제되면서 식물의 고온형태형성 반응이 유도될 수 있다[19]. 이때 낮에는 광변환에 의한 Pr-to-Pfr 전환과 열전환(Pfr-to-Pr)에 따른 광 평형(photoequilibrium)에 의해 전체 파이토크롬 대비 Pfr 형성 비율(Pfr/P_total ratio)이 결정될 수 있으며, 적온 조건보다 고온 조건에서 Pfr/P_total ratio가 감소하여 PIF 인자 활성이 상대적으로 높게 유지될 수 있다. 밤에는 광변환 및 열전환 모두 Pfr 활성 형태에서 Pr 불활성 형태로의 전환이 이루어지기에, 고온 조건에서 Pfr-to-Pr 전환이 빠르게 일어나고 Pfr/P_total ratio가 더욱 낮게 형성되어 PIF 인자 활성이 더 높게 유지될 수 있다. 따라서 phyB는 적색광을 인지하여 Pfr 활성 형태가 만들어지면 PIF 인자를 불활성화 시켜 식물의 광형태형성 반응을 유도하는 반면, 고온 조건에서는 열전환에 의한 Pr 불활성 형태로의 전환이 빠르게 일어나 PIF 인자의 불활성화가 감소하면서 PIF 인자에 의한 옥신 생합성 유전자 발현을 통한 길이생장 유도를 포함한 식물의 고온형태형성 반응이 매개될 수 있다. 결론적으로 고착생물인 식물이 주변환경을 인지하는데 중요한 광 및 온도 신호를 phyB 광수용체를 이용하여 인지할 수 있도록 진화된 것으로 여겨진다.

앞에서는 빛과 온도에 따른 식물의 반응성 조절을 광수용체인 phyB를 통해 제시하였지만, 파이토크롬 상호작용인자로 알려진 PIF4 역시 광신호전달뿐 아니라 식물의 고온형태형성 반응 조절의 핵심 전사인자로써 작동함이 보고되었다[4,15,20]. PIF4는 bHLH 전사인자로 다양한 하위 유전자의 발현을 조절한다고 알려져 있는데, 이를 통해 식물의 하배축 및 잎자루 신장을 포함한 다양한 생장과 발달에 관여한다[21]. 특히 PIF4 인자는 고온에서 발현이 높아지며 식물의 고온형태형성 반응을 유도하는 기능이 보고되었다(Fig. 3). 이러한 PIF4 인자에 의한 고온 반응성 조절에는 식물의 생체시계 조절인자인 ELF3(early flowering 3), ELF4(early flowering 4), LUX(lux arrhythmo) 등으로 구성된 EC(evening complex)에 의해 유도됨이 알려졌다[22]. EC는 초저녁에 식물의 생체시계를 조절하는 요소 중 하나로 알려져 있으며, 이들은 적온에서 PIF4 유전자의 전사를 억제한다. 또한 PIF4 단백질 안정성이 ELF3 존재 하에서 낮아지는 것이 알려져 있다. 그러나 고온 조건에서는 EC의 인자 중 하나인 ELF3이 BBX18(b-box 18) 및 XBAT35(xb3 orthlog 1 in A. thaliana)와 상호작용하여 유비퀴틴화를 통한 분해가 이루어져, 최종적으로 EC에 의해 억제되던 PIF4 유전자 발현이 증가되면서 축적된 PIF4에 의한 식물의 고온 반응성이 유도된다[23].

Fig. 3. Regulation of PIF4 by a key component of the circadian clock, evening complex (EC). At optimal/normal temperature conditions, ELF3 reduces the protein stability of PIF4 and forms the EC with ELF4 and LUX. The EC suppresses the transcription of target genes of PIF4. Under warm/ elevated temperature conditions, ELF3 interacts with BBX18 and XBAT31/35 and undergoes degradation via ubiquitination. Subsequently, the protein stability of PIF4 increases, and the suppression of PIF4 by the EC is released, which in turn allows PIF4 to bind to the promoters of target genes, ultimately mediating plant responses to high temperatures (i.e., thermomorphogenesis). LUX, lux arrhythmo; XBAT35, xb3 orthlog 1 in Arabidopsis thaliana.

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PIF4 인자의 기능 조절에는 광수용체 이외에 광신호전달인자들이 관여함이 보고되었는데, 여기에는 식물의 광 반응성 조절에 관여하는 COP1(constitutively photomorphogenic 1) 및 HY5 (elongated hypocotyl 5) 단백질이 중요한 역할을 한다. COP1은 E3 ligase 활성을 보유하고 있으며, 빛이 없는 암 조건에서 광형태형성 조절의 핵심 전사인자인 HY5 등을 분해하는 역할을 하고 있음이 잘 알려져 있다[24]. 반면에, 적온의 빛이 있는 조건에서는 광수용체에 의한 COP1의 불활성화와 세포질로의 이동으로 인해 HY5 전사인자가 분해되지 않고 핵 내에 축적되면서 광형태형성을 유도하는 유전자 발현을 조절하게 된다. 이때 HY5는 고온에 의해서도 발현이 유도되며 옥신 생합성에 관여하는 YUC8(YUCCA 8) 유전자 프로모터에 결합하는 PIF4 인자와 경쟁하여 PIF4에 의해 조절되는 하위 유전자 발현을 억제하는 기능이 보고되었다[25]. 또한 고온 조건에서 COP1의 핵으로의 이동성이 높아지고 HY5 분해를 촉진할 수 있음이 보고되었다[26]. 따라서 고온에서는 COP1이 핵으로 이동하여 HY5 인자를 분해시킬 수 있고, 이는 HY5에 의한 PIF4 억제작용을 감소시켜 PIF4 활성을 증대시킴으로서, 식물의 고온 반응성/열형태형성 반응을 유도하게 된다(Fig. 4). 참고로 COP1은 HY5뿐만 아니라 ELF3 분해에도 관여하며, 이를 통해 ELF3에 의한 PIF4 억제를 해제시킬 수 있다. 즉, 고온에 의해 핵으로 들어간 COP1은 PIF4 억제인자인 HY5 및 ELF3 등을 분해함으로써 PIF4 활성을 증대시키고, 이를 통해 옥신 생합성에 관여하는 YUC8 등의 유전자 발현 조절을 통해 옥신(IAA, indole-3-acetic acid) 호르몬에 의한 길이생장 등이 유도된 고온형태형성 반응이 나타나게 된다.

Fig. 4. Regulation of PIF4 by COP1 under high temperature conditions. In the light, COP1 is translocalized from the cytoplasm to the nucleus. On the other hand, under warm/elevated temperature conditions, COP1 enters the nucleus and induces the degradation of ELF3 and HY5, i.e. two representative inhibitors of PIF4, which make PIF4 active. Consequently, PIF4 induced the expression of YUC8, a key enzyme for auxin (i.e, indole-3-acetic acid, IAA) biosynthesis, inducing thermormorphogenic responses including elongated growth of seedlings. PIF, phytochrome-interacting factor; COP1, constitutively photomorphogenic 1.

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PIF7 전사인자는 본래 식물의 음지회피성(shade avoidance)에 관여하는 것으로 알려졌으며, 음지 조건에서는 탈인산화된 형태로 핵에 축적되어 옥신 생합성 및 반응성 유전자 발현을 조절함이 잘 알려져 있다[27]. 흥미롭게도 식물의 음지회피성 반응의 표현형과 고온 반응성 표현형은 유사하며, 여기에는 하배축이 신장되고 잎자루가 길어지는 등의 반응이 나타난다. 이러한 결과에 기초하여 비교적 최근에 음지와 고온을 동시에 처리하면 각각의 조건을 개별적으로 처리했을 때보다 하배축 신장이 더욱더 강하게 유도된다고 보고되었으며, 이때 음지와 고온에서 모두 작동하는 PIF7이 이러한 표현형을 결정하는데 중요한 전사인자로 제시되었다[28].

특히, 고온에서 PIF7 mRNA 수준은 변화하지 않고 단백질 수준만이 독립적으로 증가하는 양상을 보였다[15,29]. 이는 적온에서 PIF7 mRNA의 5'-비번역부위(5'-untranslated region)에 만들어지는 hairpin 구조에 의해 번역이 억제되는 반면, 고온에 의해 mRNA 2차 구조가 변형되어 hairpin 구조가 풀리고, 이를 통해 번역 촉진이 유도되기 때문이다(Fig. 5). 이후 번역된 PIF7 단백질 축적은 YUC8 발현에 직접적인 영향을 미침으로써 식물의 고온 반응성을 매개하게 된다.

Fig. 5. Regulatory expression of PIF7 under high temperature conditions. At optimal/normal temperature conditions, a hairpin structure is formed in the 5'-untranslated region of PIF7 mRNA, which inhibits its translation. Thus, thermomorphogenic responses are not induced in plants. On the other hand, under warm/elevated temperature conditions, the structure of PIF7 mRNA is modified, in which the hairpin disappears, resulting in PIF7 translation. Consequently, PIF7 induces plant responses to high temperatures, including hypocotyl elongation.

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