식물 내 싸이토키닌의 합성, 대사, 항상성 유지 기작 및 유전자 발현 조절을 통한 생리적 역할 doc_id PCY_201412090925392131_2

Che 등(2002)은 oligonucleotide array 분석으로 애기장대의 줄기 발달동안 유전자발현을 분석하였다. 줄기는 옥신이 풍부한 캘러스 유도배지(CIM)에 뿌리절편을 미리 배양한 후 싸이토키닌이 풍부한 줄기유도배지(SIM)로 옮기면 발생한다. 이때 절편은 줄기발생이 되도록 변하며 결국 줄기를 형성한다. 8,000개의 애기장대 유전자에서 줄기발생 동안 얻어진 oligonucleotide array data에 대한 주요인 분석을 실시한 결과, 줄기발생동안 유전자 발현의 변이의 주 요인은 여러 그룹의 유전자로 구분이 되었는데 각 그룹은 단 하나의 발달 단계에서만 발현이 증가한다. 분석된 8,000개의 애기장대 유전자중 2~3%가 줄기발생의 어느 한 단계에서 발현량이 4배 혹은 그 이상 증가하였다. 발현양이 증가된 유전자와 감소된 유전자들을 기능별로 분류하니 많은 호르몬 반응 유전자들이 캘러스 유도배지(CIM)에 전배양(preincubation)을 하는 동안 발현이 증가하였다. 신호 및 전사에 관련된 유전자 그룹들은 줄기발생이 결정되기 이전이나 당시에 유도되었고 광합성 기구의 요소들을 암호화하는 유전자들은 줄기가 나오기 전인 발달 단계후기에 발현양이 증가하였다. 그러나 최근 분자생물학적 기술이 발달하고 애기장대의 유전체 분석이 완료됨에 따라 싸이토키닌과 다른 유전자 사이의 관계를 더 정밀하게 분석할 수 있게 되었다. 이미 싸이토키닌이 첨가된 배지에서 줄기가 발생하는 동안 DNA CHIP (oligonucleotide array)를 이용하여 유전자 발현의 포괄적인 분석을 수행한 연구가 발표되었다. Affymetrix ATH1 full genome array를 이용하여 Brenner 등(2005)은 싸이토키닌에 의해 71개의 유전자가 즉시 발현이 증가하고 11개의 유전자가 발현이 감소하는 것을 확인하였다. 즉각적으로 반응을 보이는 유전자의 대부분은 전사조절자(transcriptional regulator)들이었다. 반면 천천히 반응을 보이는 유전자는 전사조절자 외에도 신호관련 단백질(signaling protein), 발달관련 유전자, 호르몬 조절 유전자, 2차 대사 관련 유전자, 에너지 생산 그리고 스트레스 반응에 관련된 유전자들이었다. 1955년 발견 이후 싸이토키닌에 대하여 많은 연구가 진행되어 그 구조와 기능에 대하여 많이 밝혀졌다. 싸이토키닌 대사는 싸이토키닌의 세포내 농도 유지 문제와 세포내 활성 유지의 측면에서 생각할 필요가 있다. 이미 알려진 장거리 수송 등도 세포 및 조직의 싸이토키닌 농도를 변화시키는 요인이지만 다른 물질과의 결합(conjugation)이나 cytokinin oxidase에 의한 분해(degradation)가 세포내 활성 및 그에 따른 반응에 끼치는 영향이 더 큰 것으로 알려지고 있다. 싸이토키닌 대사의 많은 단계들이 퓨린 재활용(Purine salvage) 대사회로와 공유되고 있어서 외부에서 싸이토키닌을 식물에 처리하면 이것들이 nucleotide와 nucleoside로 들어간다고 한다. 퓨린 재활용 대사회로에 관여하는 많은 효소들이 아데닌 외에도 싸이토키닌도 인지하고 상호작용을 할 수 있다고 알려졌다. 싸이토키닌 대사는 크게 아데닌 부분을 변형하는 것과 측쇄 부분을 변형하는 두 가지로 나눌 수 있다. Dewitte 등(1999)은 잎과 꽃을 형성하는 기관형성은 싸이토키닌 함량 증가와 연관이 있으나 꽃눈의 형성 등과 같은 전이단계에서는 싸이토키닌의 함량은 매우 낮음을 보고하였다. 그들 역시 dihydrozeatin과 isopentenyladenine은 주로 세포질에 존재하는 반면 zeatin은 핵과 관련이 있음을 발견하고 이들은 각기 다른 종류의 싸이토키닌이 대사과정의 각기 다른 과정에서 또는 다른 세포내 구획에서 역할을 할 것이라고 제안하였다. 유사한 결과를 Redig 등(1996)도 발표하였는데 이들은 동조시킨 담배 BY-2 현탁배양 세포를 이용하여 세포주기(cell cycle) 진행과 세포내 식물 호르몬 사이의 관계를 조사하였다. 그 결과 zeatin과 dihydrozeatin이 S-phase의 끝에 나타나며 각각 다른 형태의 싸이토키닌이 세포주기의 각각 다른 단계(step)에서 역할을 할 것이라는 가설을 지지하였다. 식물세포에서 싸이토키닌 농도는 싸이토키닌 합성 그리고/혹은 외부에서의 흡수, 대사적 상호전환, 비활성화 및 분해에 의하여 유지된다. Kaminek 등(1997)은 싸이토키닌의 극성(polarity)이 다른 화합물로 전환되는 것이 세포내 및 세포내 구획에 이들을 갇혀 있게 하는 결정적인 역할을 하며 대사적 안정성에 영향을 끼치는 것 같다고 고찰하고 있다. 흡수에 의한 것이든 내부 생산에 의해 초래된 것이든 싸이토키닌 농도의 증가는 싸이토키닌으로 시작된 생리적 과정들의 유도에 역할을 할 수 있도록 싸이토키닌의 자체 농도를 더 증가시킬 수도 있다. 그러나 축적된 싸이토키닌들은 거꾸로 싸이토키닌의 농도를 결과적으로 감소시킬 cytokinin oxidase를 유도할 수도 있다. 이것은 일시적인 싸이토키닌 축적으로 유도되는 생리적 사건들을 더 진전 시키는데 필요한 싸이토키닌 항상성(homeostasis)의 유지나 재확립의 기작인 것으로 보인다. 옥신도 싸이토키닌 생합성을 억제하거나 싸이토키닌 분해를 촉진시킴으로써 싸이토키닌 농도에 영향을 끼칠 수도 있다. 싸이토키닌 항상성(homeostasis)의 기작은 생합성 연구와 대사 작용에 대한 이해가 높아지면서 비교적 자세하게 밝혀지고 있다. 이러한 항상성은 합성(증가), 다른 부위에서의 수송(증가), 당화(감소) 그리고 분해(활성 감소)기작에 의하여 유지된다. 먼저 당화(glycosylation: 싸이토키닌에 당이 붙는 것)에 의한 싸이토키닌 구성부분 및 측쇄의 변경이 싸이토키닌 대사에서 중요한 역할을 한다. 여기서는 이렇게 다른 물질과 결합한 싸이토키닌을 그냥 편의상 싸이토키닌 conjugate라고 부르기로 , N7 및 N9 위치에서 상호작용을 함으로써 싸이토키닌의 구성부분에 영향을 끼치는 것으로 알려져 있다. 측쇄와 관련되어서는 당화는 trans-zeatin, cis-zeatin 및 dihydrozeatin의 OH기에 영향을 끼치는 것이 밝혀졌다. 식물에서 싸이토키닌의 농도는 싸이토키닌 conjugate들의 방출 속도와 싸이토키닌의 분해속도를 조절함으로써 항상성에 맞추어 유지되는 것으로 알려졌다. 식물에서 원래 주요한 싸이토키닌 합성장소는 뿌리 끝으로 알려져 있으나 최근 이러한 이론은 바뀌고 있다. 즉, 줄기 끝부분, 어린 잎, 꽃의 원기, 과실 안에서 발달 중인 종자 등 여러 곳에서 합성되며 장거리 신호와 국부적인 신호 모두에서 역할을 한다는 것이 밝혀졌다. 뿌리에서 생산된 싸이토키닌은 꼭지방향과 줄기 끝으로 수송되어 절단된 줄기에서 배어 나오는 물관액에서 분리해낼 수 있으며 이것은 활성이 적은 zeatin riboside의 형태를 띠고 있는 것으로 밝혀졌다. Salama과 Wareing(1979)은 식물체에 붙어있는 잎은 뿌리로부터 분비되는 싸이토키닌에 의존하며 떨어진 잎은 인위적인 영양분이 공급될 때 싸이토키닌 합성이 가능하다고 보고하였다. 식물에서 싸이토키닌 분포 유형을 조사하기 위하여 Emery 등(2000)은 GC-MS를 이용하여 생장하고 있는 루핀(Lupinus albus)의 물관과 체관 조직의 다양한 싸이토키닌을 정량화하였다. 개화 10일 이후 싸이토키닌은 씨방에 축적됨이 관찰되었다. 흥미롭게도 초기의 cis-CK : trans-CK 이성체들의 비율은 10 : 1이었다.