An array of photoreceptors including cryptochromes, phototropin, and phytochromes regulates various light responses in plants. Among these photoreceptors, phytochromes perceive red and far-red light by switching between two interconvertible spectral forms (Pr and Pfr). The Pfr form promotes light responses partly by destabilizing negatively acting, phytochrome-interacting bHLH transcription factors (PIFs), thus modulating transcription in the nucleus. The Pfr form is also present in the cytosol. However, the role of phytochromes in the cytosol is not well understood. Here we show that the Pfr form interacts with the cytosolic protein PENTA1 (PNT1) and inhibits the translation of protochlorophyllide reductase (PORA) mRNA. PNT1 possesses five C3H-type zinc finger domains and displays similarity to various RNA binding proteins including Tristetraprolin (TTP), which regulates stabilities of mRNAs such as TNF-?? mRNA in humans. Consistent with its function as an RNA binding protein, PNT1 directly binds to mRNA of a key chlorophyll biosynthetic gene, protochlorophyllide reductase in vivo and inhibits the translation of PORA mRNA in the presence of phy-tochromes. The present results demonstrate that phytochromes transmit light signals to regulate not only transcription in the nucleus through PIFs, but also translation in the cytosol through PNT1.
식물은 동물과 같이 이동할 수 없는 생물체로 환경의 다양한 변화에 적응하기 위하여 일련의 광수용체를 발달시켜왔다. 애기장대는 세 종류의 대표적인 광수용체를 가지고 있는데, 적색광을 인지하는 phytochrome, 청색광을 인지하는 crytochrome 과 photo-tropin이 그것이다. 이러한 광 수용체들 중 특별히 phytochrome은 red 와 far-red 파장의 빛을 흡수하며 Pr 과 Pfr의 두 구조형태를 취한다. Pfr형태의 phytochrome은 PIF라고 불리는 광신호전달에 negative factor로 작용하는 일련의 전사조절인자에 결합하여 이들을 분해시킴으로써 광신호를 일으킨다. 이는 빛에 의해 핵 속으로 이동한 phytochrome에 이들과 직접 결합해 나타나는 현상으로 광신호 전달의 대부분이 이 과정을 통해 일어나는 것으로 알려져 왔다. 그러나 Pfr 형태의 phyto-chrome은 세포질에도 여전히 존재하고 있으며, 세포질에서 일어나는 phytochrome의 역할은 지금까지 거의 연구가 되지 않고 있었다.
이번 연구는 세포질에 존재하는 PNT1단백질이 Pfr형태의 phytochrome과 결합하여 식물 엽록소 합성에 가장 마지막 단계를 조절하는 PORA 효소의 번역을 억제한다는 것을 밝혀내었다. PNT1(PENTA1)은 다섯 개의 C3H-type zinc finger를 가지고 있는데, 이 zinc finger는 인간 TNF-α mRNA의 안정성을 조절하는 TTP단백질과 같은 RNA 결합인자들에서 유사하게 발견되는 구조이다. RNA 결합단백질로서 PNT1은 PORA mRNA의 5’UTR에 결합하여 광수용체가 활성화되었을 때 이들을 UTR로 데리고 오는 역할을 한다. 광수용체, PNT1, 그리고 mRNA는 식물체 내에서 tertiary 구조를 이루며 해당 유전자의 번역을 억제한다. 이 연구는 애기장대의 광수용체가 PIF들을 통한 유전자 전사의 조절 외에도 PNT1에 의한 유전자 번역 조절을 통해 광신호를 전달한다는 것을 보여주고 있다.
