21장 시토키닌: 세포분열 조절 물질

21장

시토키닌: 세포분열

조절 물질

시토키닌의 구조 및 특성

아미노퓨린(아데닌)의 유도체

시토키닌의 구조 및 특성

시토키닌: 트랜스 제아틴과 유사한 생물학적 활성을 갖는 화합물

옥신이 존재할 때 캘러스 세포의 세포분열 유도

옥신과 적당한 몰 비로 존재할 때 캘러스 배양으로부터 눈이나 뿌리 형성의 촉진

잎의 노쇠화 지연

쌍자엽식물의 자엽 확장 촉진

 시토키닌 활성을 갖는 합성 화합물

 상업적 활용

|그림 21.3| 전나무 빗자루 녹병 곰팡이인 Melampsorella caryophyllacearum 에 의해 발생한 전나무(Abies sp.) 위의 빗자루병.

식물 병원성 박테리아, 곰팡이, 곤충, 선충류의 유리형 시토키닌 분비

|그림 21.1| 근두암종 박테리아 인 Agrobacterium tumefaciens 에 감염된 토마토 줄기의 종양.

곤충에 의한 혹, 충영(gall) 뿌리혹선충에 감염된 당근

|그림 21.5| 시토키닌 생합성의 간략화된 생합성 경로.

시토키니의 생합성

이소펜테닐기 전이효소

(isopentenyl transferase; IPT)

ATP/ADT와 디메틸알릴이인산 (이소펜테닐 피로인산) 반응 촉매

시토키닌 생합성 속도 결정

색소체에 주로 존재

시토키닌 생합성 주요 장소 (식물체 다양한 장소)

활성형

시토키닌의 합성 장소와 장거리 신호 및 국소적 신호 작용

뿌리는 중요한 시토키닌 생합성 장소

물관부 수액에서 발견

분리된 잎의 잎자루에 부정근 형성 시 잎의 생존 유지 현상

이동성 신호전달 요소

장거리 신호 증거:

IPT

국소적 신호전달: 정아의 휴면 타파는 근처에서 만들어진 시토키닌의 조절

활성형의 유리된 시토키닌의 세포 내 함량 조절

|그림 21.6| 2-성분 신호전달계의 단순형 대 인산 전달형.

시토키닌 수용체와 신호전달

박테리아의 환경 변화 감지 반응경로(2-성분계)와 유사

수용체는 센서 히스티딘 키나아제

입력 도메인 신호 탐지전달자 도메인의 히스티딘 잔기 자가 인산화

반응 조절자의 수신자 도메인에 있는 아스파르트산 잔기 인산화

촐력 도메인에 의한 활성의 변화

|그림 21.7| 시토키닌 수용체(cre1, ahk2, ahk3 ) 중 2개 혹은 3개 모두가 돌연변이된 애기장대의 표현형.

시토키닌 수용체: CRE1, AHK2, AHK3

막관통 키나아제로 시토키닌이 결합하는 CHASE 도메인 함유

시토키닌 종류에 따른 친화도 차이종류에 따른 독특한 신호전달 출력

|그림 21.8| A형 ARR과 B형 ARR의 구조 비교 .

시토키닌에 의해 조절되는 반응 조절자(ARR)

박테리아 2-성분 반응 조절자의 수신자 도메인과 상동성

A형 ARR: 시토키닌에 의한 빠른 전사와 단백질 안정성 증가 -시토키닌 신호전달 음성적 조절

B형 ARR: DNA 결합 도메인과 전사 활성자 도메인 포함 -A형 ARR 전사 및 다른 유전자 전사 증가시킴

히스티딘 인산기 전달 단백질(Hpt: AHP)

센서 키나아제와 반응 조절자 사이에서 인산기 전달을 매개

|그림 21.9| 시토키닌 신호전달의 모델.

|그림 21.10| 시토키닌 산화효 소 유전자를 과발현시킨 담배.

시토키닌의 생물학적 역할

경정 분열조직에서 세포 분열 양성적 조절

슈트의 생장 촉진

유관속 형성층의 세포 증식 촉진

음성 조절자(A형 ARR) 파괴 시

>>슈트 발달 저해 및 왜소 생장

시토키닌 산화효소 과발현



IPT

시토키닌 수용체 돌연변이

|그림 21.12| 로제트형의 야생형 애기장대(A)와 시토키닌 수용체 3 중 차단(knockout) 돌연변이체인 ahk2 ahk3 cre1(B).

시토키닌과 다른 호르몬 및 전사인자와의 상호작용

KNOX 전사인자(분열조직의 기능 조절에 중요)와 양성 피드백 루프 관계

지벨렐린과의 관계

-KNOX 단백질에 의한 GA20-산화효소의 발현 억제, 시토키닌에 의한 GA2-산화효소 발현 유도

시토키닌:GA 비율 증가 분열조직 세포의 증식 유도

A형

ARR

시토키닌에 매우 민감한 환경 세포의 차별화된 운명

|그림 21.13| 시토키닌은 뿌리의 생장을 억제한다 .

시토키닌의 뿌리 생장 저해

근단 분열조직을 음성적으로 조절

-시토키닌 산화효소 과발현, 시토키닌 수용체 부분적 파괴 근단 분열조직 크기 증가뿌리 생장 증가

근단에서 유관속 분화 과정 가속화 근단 분열조직의 크기 감소

옥신과의 길항작용에 의한 세포분열 및 세포분화 -옥신은 세포분열 촉진, 시토키닌은 세포분화 촉진 -AUX/IAA 리프레서 단백질(SHY2) 매개로 가능

: 시토키닌->ARR1(B형 ARR 일종)에 의한 AUX/IAA 합성 촉진 옥신->AUX/IAA 분해 유도

: 시토키닌 생합성 IPT5 유전자 발현 촉진, 옥신 수송 PIN 단백질 합성 억제

|그림 21.15| CYCD3 를 발현하는 캘러스 세포들은 시토 키닌 없이도 분열할 수 있다.

세포주기의 특정 성분을 조절

세포분열주기의 진행 좌우하는 제어에 영향세포분열 조절

D형 사이클린(CycD) 유전자 발현 증진세포분열 촉진

옥신과 시토키닌의

사이클린 의존적 단백질 키나아제(CDK)의 활성 제어 : 옥신-CDK유전자 발현 조절

시토키닌-저해적 인산기 제거

|그림 21.16| 서로 다른 농도의 옥신과 키네틴에서 배양한 담배 캘러스의 생장과 기관 형성의 조절.

옥신:시토키닌의 비가 배양 조직에서 형태형성을 조절

높은 옥신:시토키닌 비뿌리 형성 촉진

낮은 옥신:시토키닌 비슈트 형성 유도

중간 정도의 수준미분화된 캘러스의 발달

|그림 21.18| 슈트 분지(shoot branching)의 조절에 있어서 옥신과 시토키닌의 상호작용.

정단우성 탈피하여 측아생장 촉진

액아에 직접 처리한 시토키닌: 세포분열 활성과 눈 싹틈 촉진

시토키닌 과발현 돌연변이체 : 지나치게 가지가 무성

정아로부터 극성 수송된 옥신의 액아 생장 저해

: 시토키닌 생합성 유전자 발현 억제 시토키닌 분해 산화효소 발현 증가

정아의 제거

: 인접한 마디에서 합성되는 시토키닌의 농도 증가

눈으로 이동하여 휴면 타파

뿌리 유래 호르몬(스트리고락톤) 또한 액아 생장 억제제로 작용

|그림 21.19| 노쇠화 유도성 프로모터에 융합된

Agrobacterium 의 시토키닌 생합성 유전자 ipt 를 포함 하는 형질전환 담배에서 잎의 노쇠화가 지연된다.

|그림 21.20| 오이 유식물에서 아미노산의 이동에 미치는 시토키닌의 효과.

잎의 노쇠화 지연과 영양소 이동 촉진

성숙잎은 뿌리에서 유래한 시토키닌에 의존->노쇠화 지연

시토키닌에 의한 영양소 이동 유도

영양 상태에 따른 시토키닌에 의한 식물 반응 조절 영양부족시토키닌 감소뿌리 발달

|그림 21.21| 암조건에서 자란 야생형 애기장대 유식물에서 엽록체의 발달에 미치는 시토키닌

의 영향.

엽록체의 발달 촉진

암조건에서 생장한 식물의 전색소체는 엽록체가 아닌 에티오플라스트로 발달

시토키닌 처리 시 광합성 색소와 단백질 합성 촉진엽록체 발달 : 광합성 색소와 광합성 단백질 합성 조절

A형 반응 조절자피토크롬B의 Pfr형(활성형) 안정화

산화효소에 의한 시토키닌 분해  음지반응 : 엽원기에서 옥신 신호전달 증가

산화효소 유전자 발현 증가

엽원기 세포증식 감소

|그림 21.23| 시토키닌은 벼의 낟알 수확량을 조절한다.

유관속 발달을 조절

시토키닌 불감성 돌연변이체 및 산화효소 발현체의 유관속 발달 및 기능 저하

농업을 위한 시토키닌 조절

시토키닌 과다 생산 식물잎의 노쇠화 지연광합성 생산 증가

벼의 시토키닌 산화효소의 기능 감소수확량 증가

|그림 21.22| 노쇠화와 함께 시토키닌 생합성 유전자인 ipt 가 발현되기 시작하는 형질전환 식물은 잎의 노쇠화가 저지된다.

|그림 21.17| Agrobacterium Ti 플라스미드의 T-DNA 지도.

근두암종(crown gall) 종양 유발

아그로박테리아의 Ti 플라스미드 : 옥신, 시토키닌,

오파인(박테리아의 질소원 아미노산) 생산 효소 유전자 포함

콩과 식물 질소 고정 혹의 형성에 관여

22장

에틸렌: 기체 호르몬

|그림 22.1| 황백화된 완두 유식물의 3중 반응.

에틸렌에 의한 3중반응:

줄기 신장 감소, 측부 생장 증가(팽창), 비정상적인 수평생장

식물 거의 모든 부위에서 생산

: 과일 성숙, 잎의 탈리나 꽃의 노쇠화, 생리적 스트레스, 병원체 감염 시

|그림 22.2| 에틸렌 생합성 경로와 양 회로. 아미노산인 메티오닌은 에틸렌의 전구체이다.

에틸렌의 구조, 생합성, 측정

에틸렌은 메티오닌으로부터 합성

ACC 합성효소

:1-아미노시클로프로판-1-카르복실산 (ACC) 전구체 생성

ACC 산화효소

: ACC의 에틸렌 전환

ACC 복합물 형성 및

ACC분해(ACC탈아미노효소의 작용)로 에틸렌 생합성 조절

|그림 22.3| 골든 딜리셔스(Golden Delicious) 사과가 익는 동안 ACC의 농도, ACC 산화효소의 활 성, 에틸렌의 변화. 데이터는 수확 후의 경과 일수를 함수로 하여 도시되어 있다.

에틸렌 생합성 촉진

열매의 성숙: ACC산화효소 활성 증가

스트레스에 의해 유도

: ACC합성효소 mRNA 전사 증가

에틸렌 생성의 일주기성 : 한낮 최고/한밤중 최저

옥신에 의해 ACC 합성효소 유전자 전사 증가

브라시노스테로이드, 시토키닌 : ACC합성효소 단백질의 안정화

|그림 22.4| 에틸렌이 수용체에 결합하는 것을 차단하는 두 종류의 저해제.

에틸렌 생합성 경로 및 생리적 역할 연구를 위한 에틸렌 생합성 차단

합성 저해

: ACC 생성 또는 ACC의 에틸렌 전환 저해

작용 저해

: 은이온, 고농도 이산화탄소, 에틸렌 수용체 경쟁자 -과일 및 절화 유통기한 증가용

|그림 22.5| 애기장대의

3중 반응.

에틸렌의 신호전달 경로

에틸렌 수용체

아미노 말단 도메인: 3회 이상 막관통 에틸렌 결합부위

카르복시 말단: 박테리아의 2-성분 시스템 히스티딘 키나아제 촉매 도메인과 상 동적인 도메인 포함

에틸렌의 결합26S 프로테아좀에 의한 수용체의 분해 유도

원형질 막이 아닌 소포체 상에 위치

에틸렌 고친화적 결합에 구리 보조 인자 필요

|그림 22.6| 애기장대 etr1 돌 연변이체의 선발.

|그림 22.7| 5가지 에틸렌 수용체 단백질 및 이들의 기능적 도메인의 모식도.

|그림 22.8| 수용체 돌연변이체의 표현형에 기초한 에틸렌 수용체의 작용 모델.

음성조절자로서 에틸렌 수용체

에틸렌 결합수용체의 불활성화에틸렌 반응: 음성 조절자 기능

결합부위 돌연변이 : 에틸렌 불감성 표현형 항시적

에틸렌 반응 억제

수용체

완전 불활성화 식물

항시적 에틸렌 반응

수용체의 수준

에틸렌 감수성 조절

|그림 22.9| 항시적으로(constitutively) 3중 반응을 나타내는 애기장대 돌연변이체의 선발.

세린/트레오닌 단백질 키나아제: CTR1

에틸렌 수용체와 작용하여 에틸렌 신호 전달에 관여하는 음성 조절자

돌연변이항시적 에틸렌 반응

막 관통 단백질 EIN2

12개의 막 관통 도메인 갖는 단백질로 빠른 분해가 에틸렌에 의해 저해됨

돌연변이모든 에틸렌 반응 차단

|그림 22.10| 애기장대에서 에틸렌 신호전달의 모델.

에틸렌의 유전자 발현 조절

에틸렌에 의한 다양한 유전자 발현

에틸렌 유도 유전자들 : 에틸렌 반응요소(ERE) 조절서열 가짐

EIN3 전사인자 단백질 ERF1 전사인자 작용 ERE 결합 단백질 합성

에틸렌 반응 유전자들의 활성화

EIN3 단백질의 안정성 조절

: 에틸렌 신호에 의한 인산화로 분해 저해 에틸렌 조절 유전자의 발현 유도

유전적 상위를 이용한 신호전달 순서

이중 돌연변이체의 표현형 이용

|그림 22.11| 에틸렌 생산과 호흡.

에틸렌의 생물학적 역할

일부 열매의 숙성 촉진

후숙과일(climacteric fruit): 호흡 급등 전에 에틸렌 급등

-에틸렌 처리에 의해 내생적 에틸렌 합성 및 미숙과의 숙성

비호흡 급등 과일: 에틸렌 증가 없음

-에틸렌 처리로 호흡 속도 증가하나 내생적 에틸렌 생산 없으며 과실 숙성 촉진되지 않음

|그림 22.12| 토마토 잎의 상편생장.

잎의 상편생장 촉진

잎자루의 윗부분 세포들이 더 길게 자라면서 잎이 아래로 처지는 현상 보임

스트레스 조건에서 발생 : 뿌리에서 환경 조건 감지

줄기로 신호 전달 : ACC 물관부 통해 이동

|그림 22.13| 토마토 식물의 침수 후 물관 수액 내의 ACC 함량 변화와 엽병 내의 에틸렌 생산의 변화.

|그림 22.14| 완두 줄기의 표피세포가 상처에 반응하여 미세소관을 가로 배향에 서 수직 배향으로 재배열하는 모습.

세포의 측부 팽창 유도

신장속도 저하와 함께 측부 팽창으로 부피 생장을 유도

세포벽 셀룰로오스 미세섬유(microfibril)의 방향 변화 : 세포벽 침적이 세로 방향으로 보강

|그림 22.15| 암조건에서 자란 애기장대 유식물의 하배축 신장에 미치는 에틸렌 첨 가와 에틸렌 제거의 효과에 관한 키네틱스.

에틸렌에 의한 생장 저해 2단계

 에틸렌에 민감한 첫 단계

 관여 전사 인자의 차이

에틸렌 반응의 빠른 차단

 에틸렌 제거 시 결합 수용체의 빠른 분해

 새로운 수용체의 합성 및 대체

암조건 식물의 정단 후크(hook) 유지

에틸렌에 의해 유도되는 비대칭적 생장 때문

암상태에서 후크조직에 의해 생산되는 에틸렌이 안쪽 면 세포 신장 저해

적색광에틸렌 형성 저해, 안쪽 면 생장 촉진후크의 열림

옥신 불감성 돌연변이, 옥신의 극성 수송 저해제정단 후크의 형성이 차단 : 에틸렌 의존적 옥신 기울기에 의한 후크 구조 유지

물에 잠긴 수생식물의 신장 생장 촉진

침수처리에 의한 절간 및 엽병의 빠른 신장: 에틸렌 처리 유사

절간 분열조직 세포의 지베렐린 함량 또는 지베렐린 감수성 증가 유도

절간 신장 촉진

: 지베렐린 감수성 증가는 지베렐린의 강력한 길항제인 앱시스산 함량의 감소 에 의해 유발

|그림 22.16| 상추 유식물에서 에틸렌에 의한 뿌리털 형성의 촉진.

뿌리와 뿌리털의 형성 유도

부정근 형성을 유도

: 에틸렌 불감성 돌연변이체는 옥신의 영향을 받지 않음

부정근 형성에 미치는 옥신의 효과는 에틸렌을 통해 일어남

뿌리털 분화의 양성 조절자

: 피층세포들 연접부 외의 표피세포도 뿌리털 발달

|그림 22.17| 에틸렌 작용 저해에 의한 꽃 노쇠화의 억제.

잎의 노쇠화 속도 증진

외부에서 에틸렌이나 ACC 첨가잎의 노쇠화 가속화 시토키닌 첨가잎의 노쇠화 지연

에틸렌 생산의 증가엽록소 소실 및 색조의 퇴색

에틸렌 합성 저해제 및 에틸렌 작용 저해제: 잎의 노쇠화 지연

잎의 노쇠화는

에틸렌과 시토키닌의 균형에 의해 조절

: 앱시스산도 잎의 노쇠화 조절에 관여

|그림 22.18| 물봉선화(jewelweed, 학명은 Impatiens)의 이층 형성.

잎의 탈리 촉진

이층(abscission layer)에서 세포벽의 분해로 탈리 일어남

옥신은 에틸렌 효과의 억제자: 잎 및 열매의 탈리 억제

에틸렌 수용체 돌연변이에틸렌 처리에도 탈리 일어나지 않음

|그림 22.19| 자작나무(Betula pendula)의 탈리에 미치는 에틸렌의 영향.

|그림 22.20| 잎 탈리 시 옥신과 에틸렌의 역할에 관한 모식도.

잎의 탈리에 대한 호르몬의 조절 모델

이층 세포의 에틸렌 감수성 조절은 옥신의 기울기에 좌우됨

에틸렌의 상업적 이용

에틸렌 방출 화합물: 열매숙성, 개화 및 착과 동기화, 낙과 및 적과, 암꽃발현 및 수확량 증가 등

에틸렌 결합 저해제 및 합성 저해: 과일 저장 및 유통기한 연장