The flowering of plant is amazing and beautiful phenomenon. Interactive molecular pathways
determine when to flower based on the environmental and endogenous signals. Flowering type of Arabidopsis can be separated by two groups. Summer annuals flower early while winter annuals show late-flowering phenotype after vernalization. The major determinant of flowering type is FLOWERING LOCUS C (FLC) which represses flowering by inhibiting floral pathway integrators. FRIGIDA (FRI), increases transcription level of FLC and causes late-flowering phenotype in Arabidopsis. However, the molecular mechanism of how FRI up-regulates FLC chromatin is not well understood. To investigate the function of FRI in flowering time regulation, I solved the crystal structure of FRI. The structure shows a novel fold and contains 14 $\alpha -helices$ forming extended helical bundle structure. Based on structural analysis and sequence conservation of FRI, we found a conserved region on the surface of the structure coincides with positive charged region. To identify the conserved positive surface is important for the function of FRI, we generated mutants by mutating the conserved positive amino acids to Ala and introduced the mutant genes into first generation (T1) transgenic plants for flowering time analysis. We showed that the conserved region we observed on the surface plays a crucial role in flowering time regulation. In addition, I suggested structure-based explanation of naturally occurring nonfunctional
FRI. Furthermore, EARLY FLOWERING IN SHORT DAYS (EFS) which is also related to regulation
of FLC, is a histone methyltransferase which has SET domain and methylates histone H3 Lys4 and Lys36. We
showed that FRI increases the activity of EFS by in vitro histone methyltransferase assay. In addition, we observed that EFS methylates histone H3 Lys36 not Lys4 in our in vitro methylation assay condition. This structural analysis of FRI provides insights to study flowering time regulation by FRI and EFS.
식물에서 꽃이 피는 현상은 놀랍고도 아름다운 현상이다. 환경적인 요소와 같은
외적인 요소나 식물 내의 호르몬과 같은 내적인 요소들이 상호작용을 하며 언제 꽃을 피우게 될
지를 결정하게 된다. 애기장대에서 꽃이 피는 유형에 따라서 크게 두 가지로 분류를 할 수
있는데 여름형 한해살이는 꽃이 일찍 피는 현상을 보여주고 겨울형 한해살이에서는 꽃이 늦게
피는 현상을 볼 수 있다. 이렇게 꽃이 피는 유형을 결정하는 데 중요한 역할을 하는 것이
FLOWERING LOCUS C (FLC)인데 이 것은 꽃이 피는 것을 촉진하는 요소들을 저해 함으로써
꽃이 피지 못하게 한다. 개화시기 조절 단백질 중 하나인 FRIGIDA 는 FLC 의 전사를 활성화
시켜 줌으로써 꽃이 늦게 피는 표현형을 갖도록 도와준다고 알려져 있다. 그러나, FRIGIDA 가
어떻게 FLC 를 활성화 시키는 지에 대한 기작을 아직까지 분자적인 수준에서는 이해하지 못하고
있다. FRIGIDA 가 FLC 를 활성화 시키는 과정 중에서 어떻게 작용하고 있는지 이해하기 위해서
우리는 FRIGIDA 의 단백질 3 차원 구조를 규명하였다. FRIGIDA 의 구조는 14 개의 알파 나선
구조를 포함하고 있으며 기존의 구조들과는 다른 새로운 구조를 나타내고 있다. 구조 분석과
단백질 서열의 보존 정도를 비교해보며 연구를 했을 때, 우리는 구조의 표면에 위치한 아주 잘
보존되어 있는 양전하를 띄는 부분을 발견할 수 있었다. 이 부분이 FRIGIDA 의 기능에
직접적으로 영향을 주는 지 확인하기 위해서 이 부분에서 양전하를 띄는 아미노산들을
알라닌으로 바꿔줌으로써 구조의 표면에서 특정 부분에 양전하를 잃은 돌연변이 유전자를
만들었고, 그 유전자를 식물에 주입해서 개화 시기의 변화를 측정해보기로 하였다. 결과를 보면
우리가 구조와 단백질 서열 분석으로 찾은 잘 보존되어 있는 양전하를 띄는 부분이 애기장대에서
개화 시기 조절에 영향을 주는 것을 확인 할 수 있었다. 게다가, 자연적으로 존재하는
FRIGIDA 가 가지는 단일 아미노산 변형 돌연변이 들에서 FRIGIDA 의 기능이 완전히 사라진
경우들이 보고 된 적이 있었는데, 우리가 가지고 있는 구조를 사용해서 분자적 수준에서 그
이유를 설명하기도 하였다. 더 나아가서, EFS 라고 불리는 히스톤 단백질 메틸화효소가 있는데 이
단백질이 FLC 를 조절하는 데 중요한 역할을 한다는 것이 알려져 있었다. 우리는 EFS 의 히스톤
메틸레이션 기능을 FRIGIDA 가 증가시킨 다는 것을 다양한 실험 방법을 통해서 확인할 수
있었다. 또 EFS 가 히스톤 3 의 4 번째 라이신과 36 번째 라이신을 메틸화 시킨다고 보고 되어
있었는데 우리가 실험한 조건에서는 36 번째 라이신 만을 메틸화 시킨 다는 것을 확인할 수
있었다. 이 연구는 FRIGIDA 의 첫 번째 단백질 구조를 제시하고 있고 또 FRIGIDA 와 EFS 가
어떻게 FLC 를 조절하며 식물의 개화시기 조절에 관련되어 있는 지에 대한 정보를 제공하고
있다.
