식물의 생장과 발달을 조절하는 호르몬으로서 싸이토키닌의 기능, 발견 역사 및 신호 전달 기작 doc_id PCY_201412090925392131_1

모든 생명체는 하나의 세포에서 시작되어 분열되며 그 세포는 발달하여 다양한 역할을 하는 세포 혹은 조직으로 분화된다. 이러한 식물의 생장과 발달은 유전적 요인, 외부환경 요인 그리고 식물 내부의 화학적 호르몬의 영향을 받는다. 식물은 빛, 중력, 수분, 무기양분 및 온도와 같은 많은 환경적인 요인들에 대하여 반응한다. 식물의 호르몬은 식물로 하여금 그 환경에 반응하는 능력에 영향을 끼치는 화학적인 신호이다. 호르몬은 저농도에서 효과가 나타나는 유기화합물이다. 보통 식물의 한쪽에서 합성되어 다른 곳으로 수송되어 작용한다. 이들은 특별한 표적 조직과 상호작용을 하여 생장이나 과실 성숙 같은 생리적인 반응을 일으킨다. 이러한 각 생리적인 반응들은 두 가지 이상 호르몬의 상호작용의 결과인 경우가 많다. 따라서 이러한 호르몬들은 필요한 시기에 필요한 곳에 필요한 양만큼 존재해야 식물이 정상적으로 발달할 수 있다. 호르몬들이 식물의 생장을 촉진시키거나 억제하기 때문에 식물 생장조절 물질이라고 한다. 지금은 많은 호르몬들의 인공 합성이 가능하기 때문에 이를 이용한 기능구명이 어렵지 않게 이루어지고 있다. 1950년대 초반 Skoog 교수의 그룹은 화학물질 처리로 배양중인 담배줄기의 절편에서 새로운 줄기를 발생시키는 연구를 하고 있었다. 이들은 온실에서 자란 식물의 줄기조각을 무균으로 건전한 상태로 얻는데 어려움을 많이 겪은 것 같다. 우리는 지금도 야외에서 자란 포플러나 자작나무의 무균배양체를 얻는데 상당한 주의를 기울여야 한다. 그 당시에는 아마 야외 재료의 선택, 소독 방법, 배양환경 등이 지금처럼 잘 확립되지 않아서 더 어려웠을 것이다. 이들은 배양 조직들을 한정된 시간 동안 자라게 할 수는 있었으나 꾸준한 생장이나 유지, 혹은 완전한 식물체의 재생에는 실패하였다. 많은 첨가물이 시험되었는데 그 중 코코넛 밀크가 배지에 첨가되었을 때 까마중(Solanum nigrum)의 어린 배가 생장하는 것이 다른 그룹에 의하여 그 이전에 확인된 바 있었다(van Overbeek 등, 1941). 이후 코코넛 밀크에 식물의 생장을 자극하는 물질이 있음을 인식한 Miller 등(1956)에 의해 이 물질이 싸이토키닌 임이 확인되었다. Skoog와 Miller(1957)는 담배세포의 조직배양시 yeast extract와 청어 정소 DNA에서도 역시 세포 분열을 자극하는 물질이 존재한다는 것을 확인하였다. 싸이토키닌은 식물의 세포분열을 촉진시킨다. 싸이토키닌은 발달하는 잎, 뿌리, 과실, 종자 등에서 생산된다. 천연적으로 나타나는 싸이토키닌은 adenine에서 유래된 것으로 추정되고 N6 말단에 방향족 혹은 이소프렌(isoprenoid)에서 유도된 측쇄를 가지고 있다. 여기에 반해 인공 싸이토키닌은 기본적으로 diphenylurea 계통이다. 현재 싸이토키닌은 2종류로 분류되는데 그 하나는 방향족(aromatic)이며 두 번째가 이소프렌 계통의 싸이토키닌이다. 식물에서 가장 흔한 천연 싸이토키닌은 trans-zeatin 이며 지금까지 식물 조직은 인공 싸이토키닌보다 zeatin 같은 천연 싸이토키닌에 더 잘 반응하는 것으로 알려지고 있다. 싸이토키닌은 조직배양에 없어서는 안 될 생장조절제이다. 옥신과 싸이토키닌의 비율에 따라 뿌리, 캘러스 및 줄기발생이 결정된다. 싸이토키닌의 역할은 이름 그대로 세포분열(cytokinesis)과 분화을 유도하여 줄기눈을 터지게 하고 뿌리 발생을 억제시키며 노화지연 효과 외에도 영양신호 전달, 뿌리와 줄기의 균형 조절 기능을 들 수 있다. 이러한 효과가 가장 뚜렷하게 드러나는 실험은 조직배양이라고 할 수 있는데 많은 식물에서 BAP, kinetin 등이 캘러스에서 줄기를 발생시키거나 줄기배양에서 부정아를 유도시킨다. 또한 싸이토키닌 과발현 식물에서는 많은 줄기발생이 일어나고 뿌리형성은 억제되는 현상이 다양한 식물군에서 공통으로 나타난다. 줄기와 잎들은 또한 부가적인 엽록소를 더 많이 만들어 내고 상처가 생기면 새로운 가지가 돋아나기도 한다. 정아 우세는 사라지고 줄기를 삽목하면 삽수들은 천천히 부정근들을 생산하며 제대로 뿌리가 나오려면 옥신처리가 필요하다. 마디에서 캘러스 같은 종양조직이 생길 수도 있으며 세포주기가 변경되기도 한다. 식물 기관(plant organ)은 분열조직에서 계속적으로 예측 가능한 방식으로 생산된다. 식물 호르몬과 전사인자들은 분열조직을 유지하고 기관을 생산하는데 균형을 맞추려고 협력하고 있다. 최근 이러한 협력 작용 밑에 깔려있는 기작에 대한 실마리가 제공되었다. KNOTTED1-like homeobox(KNOX)와 WUSCHEL(WUS) 전사인자들은 줄기 정단 분열조직(SAM)에서 싸이토키닌 활성을 촉진시키는 반면 높은 농도의 GA 및 옥신은 SAM 작용부위의 측면에서 측면 기관들의 생성을 촉진시킨다. 비록 다른 식물 생장 조절호르몬이 식물 생장과 발달을 조절하는 상호작용에 관여한다고 하더라도 싸이토키닌 보다 더 현저한 효과를 나타내는 것은 없다. 싸이토키닌이 발견된 이후 세포 분열을 자극하다는 것은 잘 알려져 있다. 그러나 여전히 왜 그것이 식물의 특정한 부분을 자극하여 한 방향으로 생장을 유도하는지에 대한 원인은 밝혀지지 않고 있다. 이러한 목적을 위하여 가장 연구하기 편리한 체제는 아마 물질 및 환경조절이 쉬운 조직배양 식물체일 것이다. 싸이토키닌은 조직배양에서 줄기형성을 초래하는 복잡한 유전자 발현 프로그램을 펼쳐내게 한다. 과거 10여 년 동안 싸이토키닌 신호에 대하여 많이 밝혀졌다. 2001년 Inoue 등은 싸이토키닌의 수용체를 발견하였다고 보고하였다. 그들은 cre1(cytokinin response 1) 돌연변이체를 확인하였는데 이것은 싸이토키닌에 대하여 반응이 둔감하다. 돌연변이된 유전자 CRE1은 histidine kinase를 암호화하는데 CRE1 발현은 내부 histidine kinase SLN1이 없는 효모 돌연변이체에서 발현시키면 싸이토키닌 의존적인 표현형을 가지게 하여 CRE1이 싸이토키닌 수용체라는 직접적인 증거를 보여주었다. 또한 싸이토키닌이 CRE1을 활성화시키면 phosphorelay 신호가 시작된다는 증거도 제시하였다. 애기장대에서 싸이토키닌의 반응이 결손된 돌연변이체가 선발되었는데 이것들은 조직배양에서 세포증식이 빠르고 줄기형성이 촉진되는 것들이다. 이중 한 돌연변이체를 분리하여 cytokinin response 1-1(cre1-1)로 명명하였는데 이 돌연변이체를 조직배양에서 NAA와 kinetin을 사용하여 옥신과 싸이토키닌에 대한 반응을 조사한 결과, 야생형 식물은 kinetin에 반응하여 빠른 생장, 녹색화, 줄기형성 등 반응을 보였으나 cre1-1에서는 그러한 싸이토키닌 반응이 뚜렷하지 않았다고 한다. 최근 Kurakawa 등(2007)은 분열조직 특이 활성에 의해 싸이토키닌이 분열조직 활성을 조절하는 새로운 조절 기작을 보고하였다. 쌀에서 LONELY GUY(LOG) 유전자의 발현은 분열조직의 활력을 유지하는데 요구된다. LOG 유전자는 새로운 싸이토키닌을 활성화시키는 효소이며 cytokinin-phosphoribohydrolase 활성에 의해 비활성 싸이토키닌 nucleotide를 생물활성이 있는 free-base 형태로 전환시킨다. LOG mRNA는 줄기분열조직의 끝 부분에서 관찰되었으며 싸이토키닌을 활성화시키는 효소는 생체활성 싸이토키닌을 분열조직의 미세한 지역에서 미세수준으로 조절하고 거기에 따라 분열조직 활성이 조절됨을 보고하였다. 유사한 결과가 Ioio 등(2007)의 보고에 의해서도 제시되었다. 그들은 싸이토키닌은 histidine kinase와 전사요인 신호전달회로(transcription factor signaling pathway)라는 2개의 구성 수용체를 경유하여 분열조직 세포의 분화를 조절하고 뿌리 분열조직의 크기를 결정한다고 하였다.