Plant photoreceptors regulate various developmental processes. Among the photoreceptors, phytochromes, red and far-red light receptors, regulate light responses through many signaling components, including phytochrome-interacting proteins. Many aspects of phytochrome signaling, however, remain unclear. Here, I sought to identify a functional relationship between phytochromes and phytochrome interacting factor 3 (PIF3). I first investigated whether phytochromes regulate PIF3 protein’s stability. I showed that PIF3 is polyubiquitinated rapidly and subsequently degraded in PHYA and PHYB-mediated light signaling. The degradation of PIF3 is mediated by the 26S proteasome. I then investigated whether cytosolic PIF3 can be phosphorylated and degraded by cytosolic phytochromes. I found that the nuclear localization of PIF3 is determined by a cluster of basic amino acids localized outside the bHLH domain. Cytosolic PIF3 generated by a mutation in this nuclear localization signal sequence (NLS) is neither phosphorylated nor degraded by light, even in the presence of cytosolic phyB. I also investigated whether PIF3 can be phosphorylated and degraded by the N-terminal domain of phyB.
I found that PIF3 is partially phosphorylated, but not degraded, by the N-terminal domain of phyB. However, the N-terminal domain can inhibit PIF3 by disrupting its binding to a target promoter. These indicate that light-stimulated phytochromes cause the degradation of their interacting protein, PIF3, by the 26S proteasome. In this event, the full length phyB is necessary to degrade PIF3 in the nucleus, and that phyB may inhibit PIF3 not only through degradation, but also through disruption of its binding to target promoters.
식물은 광합성을 하는 자가영양생물로 빛을 에너지의 공급원으로 사용한다. 또한 식물은 외부 빛 조건이 변함에 따라 식물체내의 생체 주기를 변화시키는 중요한 발달 조절 인자로 빛을 사용한다. 빛을 받아들이면, 애기장대(Arabidopsis thaliana)에서 빛을 인지하는 광 수용체들은 10~30%의 유전자 발현 양상을 변화시킨다. 파이토크롬은 red와 far-red 영역의 빛을 인지하고 받아들이는 광 수용체로, 자신과 상호작용하는 하위 유전자들을 통해 빛에 대한 식물체 내부의 반응을 조절한다. 그러나 파이토크롬과 그와 상호작용하는 하위 유전자들 사이에서 어떠한 일들이 일어나는가에 대해서는 많이 알려지지 않았다. 본인은 본 학위 논문에서 파이토크롬과 그와 직접 결합하여 파이토크롬의 신호 전달을 조절하는 Phytochrome Interacting Factor 3 (PIF3)의 기능적인 관계에 관하여 분석했다.
PIF3는 식물체 내의 파이토크롬 신호 전달 과정에서 빛에 대한 반응을 억제하는 전사 조절 인자로 알려졌다. 본인은 파이토크롬과 PIF3의 기능적인 관계를 밝히기 위해 PIF3 단백질의 양이 파이토크롬에 의해 조절되는가를 알아보았다. 그 결과, 암 조건에서 red와 far-red 영역의 빛을 주었을 때, PIF3 단백질이 빠르게 분해되며 이 과정은 파이토크롬A와 B를 통해 일어난다는 것을 확인했다. 또한, PIF3는 poly-ubiquitination되어 26S proteasome을 통해 분해되는 것을 확인했다. 빛에 의한 PIF3 단백질 분해 과정에서 파이토크롬에 의한 인산화가 먼저 일어난다는 것이 다른 연구자들에 의해 보고 되었다.
본 연구에서 PIF3의 인산화와 분해가 세포질에 존재하는 파이토크롬에 의해 일어나는지 알아보았다. 우선, PIF3 단백질이 만들어져서 핵으로 들어가게 하는 아미노산들을 찾아내고, 이 아미노산들을 다른 아미노산인 알라닌으로 바꾸었을 때 대부분의 PIF3가 세포질에 있다는 것을 확인하였다. 세포질에 있는 PIF3는 빛에 의해 인산화와 분해 과정이 일어나지 않는 것을 확인하였고, 세포질 내의 파이토크롬 B의 양이 많아져도 PIF3는 빛에 의해 인산화와 분해 과정이 일어나지 않음을 확인했다.
파이토크롬B는 N-term 만으로도 식물체 내에서 파이토크롬 B의 기능을 한다고 다른 연구자들에 의해 보고되었다. 그래서 본인은 빛 조건에서, PIF3가 N-term 파이토크롬B에 의해 인산화와 분해가 이루어지는지 연구했다. 그 결과, PIF3는 N-term 파이토크롬B 만으로는 빛이 있는 조건에서 인산화가 일부 일어나고 분해되지는 않았다. 그러나, 파이토크롬B의 N-term은 PIF3가 직접 전사를 조절하는 유전자에 결합하지 못하게 하였다.
학위 과정 중 연구 결과를 종합해서, PIF3는 빛이 오면 파이토크롬B에 의해 분해되는 과정은 핵에서 일어나며, full-length 파이토크롬B가 필요하다고 밝혔다. 또한 본인은, 파이토크롬B는 PIF3를 분해하는 것뿐만 아니라 PIF3가 직접 조절하는 유전자들에 결합하지 못하게 하는 것을 확인했다.
