Cytokinin의 분자 생리학

싸이토키닌은 세포분열에 중심적인 역할을 하며 수 많은 발달 프로그램에 영향을 끼치는 호르몬이다. 따라서 싸이토키닌 결핍식물체가 살아남기란 매우 어려운 일이다. 이러한 특성으로 생합성 및 신호전달에 대한 돌연변이체를 발견하기 어렵기 때문에 싸이토키닌의 조절적 역할의 연구가 많이 지체되어 있는 것도 사실이다. 식물 유전공학 기술의 발달로 외래유전자 도입발현이 가능해지면서 아그로박테리아의 싸이토키닌 생합성 유전자의 이용으로 세포내 싸이토키닌을 증가시키는 것은 먼저 가능하였고 뒤이어 cytokinin oxidase의 클로닝과 더불어 이제는 싸이토키닌 결핍 변이체를 만들어 낼 수 있게 되었다. 세포내 싸이토키닌의 함량을 조절하는 가장 강력한 기작은 싸이토키닌의 새로운 합성과 일단 합성된 싸이토키닌에 대한 cytokinin oxidase의 분해일 것이다. 자연에서 발생하는 싸이토키닌은 adenine 유도체이며 N6 -말단 측쇄를 가진 이소프레노이드 싸이토키닌(isoprenoid cytokinin)과 방향족 싸이토키닌(aromatic cytokinin)으로 분류된다(Strnad, 1997; Mok과 Mok, 2001). 지금까지 식물에서 발생하는 싸이토키닌은 대부분 isoprenoid 형이다. 식물에 방향족 싸이토키닌이 존재하는 지에 대한 여부는 아직도 명백하지는 않기 때문에 싸이토키닌 학자들은 isoprenoid 형 싸이토키닌의 생합성 단계에 치중하여 왔다. 아직 싸이토키닌 생합성 단계가 완전히 밝혀지지 않고 있지만 지금까지 AMP(ATP/ADP) 회로, iPRMP-independent 회로 그리고 tRNA 회로라는 적어도 세 가지의 다른 생합성 회로가 밝혀졌다(Kakimoto, 2001; Takei 등, 2001; Åstot 등, 2000; Golovko 등, 2002). 식물에서 싸이토키닌 생합성의 주요 회로는 AMP(ATP/ADP) 생합성 경로이며 iPRMP 의존적인 회로이다. 싸이토키닌의 아데닌 측쇄의 전구물질은 보통 이소프렌(isoprene)이어서 터펜 생합성 회로는 부분적으로 지베렐린류(gibberellins)와 공유된다. 이 경우 이용되는 재료는 isopentenyl pyrophosphate이다. 박테리아에서 비교적 소상하게 알려진 싸이토키닌 합성반응은 식물에서는 초기단계가 잘 밝혀지지 않고 있다. 현재 싸이토키닌의 1차 생합성 반응은 AMP같은 adenine nucleotide가 dimethylallyl pyrophosphate(DMAPP)와 반응하는 isopentenylation 이라고 생각되고 있다. 이 화합물들의 생리학적 중요성에도 불구하고 여러 해 동안 고등식물에서 이 반응을 촉매하는 효소의 특성이 밝혀지지 않았다. 식물에서 DMAPP:AMP isopentenyltransferase(ipt) 효소 활성은 싸이토키닌 독립영양의 담배 배양 세포(Chen과 Melitz, 1979)와 옥수수의 알곡(Blackwell과 Horgan, 1994)에서 그 존재가 확인되었으나 그 효소는 오랫동안 분리되지 않았다. 싸이토키닌 생합성의 가중 중요한 단계는 AMP의 6번째 질소(N6 )에 5-carbon chain을 첨가시키는 반응이다. Kakimoto(2001)는 싸이토키닌의 isopentenyl 측쇄 형성을 촉매하는 싸이토키닌 생합성 효소를 동정하기 위하여 ipt를 암호화하는 애기장대의 유전체 서열을 탐색하여 ipt 효소들을 만들어 낼 것으로 예상되는 잠정적인 유전자들을 동정하였다. 이중에 하나인 Atipt4를 자세히 분석한 결과 이 유전자의과 발현은 캘러스에서 싸이토키닌과 무관하게 줄기를 형성시켰다. 이는 보통 캘러스에서 줄기유도를 할 때 싸이토키닌이 필요하기 때문에 이 유전자 산물이 식물에서 싸이토키닌 생합성을 촉매함을 암시한다. 재조합 Atipt14는 dimethylallyl diphosphate에서 ATP 및 ADP로 이전시키지만 AMP로는 이전시키지 않았다. Atipt4는 DMAPP:tRNA ipt 효소활성을 보이지는 않았다. 이 결과로 미루어 싸이토키닌들은 적어도 식물에서는 ATP와 ADP에서부터 합성된다고 할 수 있다. 최근 생물정보학이 발달하고 애기장대 유전체 염기서열 구명이 완결되면서 이 문제를 해결할 기반이 마련되어 ipt homologous 유전자들이 발견되었다(Kakimoto 등, 2001; Sun 등, 2003; Takei 등, 2001a). Sakakibara와 Takei(2002)의 연구에 의하여 싸이토키닌 생합성 효소는 박테리아의 adenylate ipt 효소 및 tRNA ipt 효소와 구조적으로 유사한 하나의 작은 multigene family에 의하여 암호화된다는 것이 밝혀졌다. 싸이토키닌 생합성의 첫 번째 반응속도를 제한하는 단계(rate-limiting step)를 촉매하는 문제의 이 식물 효소 ipt는 ATP, ADP 혹은 AMP와 DMAPP 및 HMBDP 모두를 기질로 사용하여 N6 -(D2-isopentenyl)adenine(iP) nucleotide와 trans-zeatin (tZ) nucleotide를 각각 생성한다(Krall 등, 2002; Sakakibara, 2004). 그러나 여전히 식물의 ipt가 HMBDP를 측쇄공여자로 이용하는지에 대한 여부는 명확히 알려져 있지 않다. 담배(Redig 등, 1996; Faiss 등, 1997; McKenzie 등, 1998)와 애기장대에서 (Åstot 등, 2000) tmr 유전자의 과발현은 zeatin-type 싸이토키닌들이 증가하였지만 iP-형싸이토키닌은 거의 증가되지 않았다고 보고되고 있다. 그에 반하여 iP형 싸이토키닌은 애기장대의 Atipt8(Sun 등, 2003) 또는 페튜니아의 SHO유전자를 과발현 시켰을 때 증가되는 것이 관찰되었다(Zubko 등, 2002). SHO 는 일종의 식물 내생 싸이토키닌 생합성 ipt 유전자이다. 이 결과는 적어도 식물의 ipt 유전자(즉, 페튜니아의 SHO와 애기장대의 Atipt8)는 측쇄공여자로 DMAPP를 더 선호함을 암시한다. Kakimoto(2001)는 애기장대로부터 9개의 다른 ipt 효소를 분리하고 아미노산 구성을 분석하였다. 그는 식물의 ipt는 미생물의 ipt DMAPP:AMP 그리고 DMAPP:tRNA ipt와 일반적인 특징을 공유한다고 보고하였다. 이 효소 중 Atipt4는 DMAPP로부터 ATP와 ADP로 isopentenyl 기를 이동시키는 반응을 중재함을 발견하였다. Takei 등(2001)은 여덟 개의 각기 다른 ipt를 암호화하는 cDNA를 애기장대에서 분리하여 애기장대에 발현시켜 AtIPT1이 DMAPP 및 AMP로부터 iPMP를 만드는 과정을 촉매함을 확인하였다. Kasahara 등(2004)은 Atipt1, Atipt3, Atipt5 그리고 Atipt8이 색소체에 위치함을 보고하였고 MEP 회로로부터 유도된 DMAPP를 사용하여 싸이토키닌이 생합성되고 Atipt4 및 Atipt7은 세포질과 미토콘드리아에서 각각 발견되며 MVA 생합성 경로로부터 유도된 DMAPP를 이용하여 싸이토키닌을 생산함을 확인하였다.