Investigating the Functional Significance of an Evolutionarily Diverged Residue in ZEITLUPE, a Blue-Light Photoreceptor = 진화 과정에서 분화 된 청색광 수용체 ZEITLUPE LOV domain 잔기의 기능적 중요성 탐구

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Plants perceive photoperiodic changes through photoreceptors to regulate diverse physiological processes and adapt to changing environmental conditions. ZEITLUPE (ZTL), a blue light receptor containing a LOV (Light-Oxygen-Voltage-sensing) domain and functioning as an E3 ubiquitin ligase, undergoes phase-specific degradation and interacts with Pseudo Response Regulator 5 (PRR5) and GIGANTEA (GI) to control circadian rhythm and flowering. Here, I investigated the functional importance of the residue 151 in ZTL, which diverged into isoleucine in dicots and methionine in most monocots during evolution.
To assess functional differences in vivo, I used AtZTL from Arabidopsis and OsZTL1 from rice as representative ZTL proteins and introduced reciprocal substitutions (AtZTL I151M and OsZTL1 M164I) into Arabidopsis. The earlier flowering of OsZTL1 M164I compared with OsZTL1, together with the altered FT rhythmic expression, suggests that this residue influences flowering regulation even in homologous proteins. Although both substituted proteins accumulated to higher abundance, their functional activities were reduced in protein analyses under various conditions, as PRR5, a proteolytic target, showed delayed degradation, and the interaction between the substituted ZTL proteins and GI was reduced even under blue-light treatment.
Collectively, this study suggests that the 151st residue in the LOV domain of ZTL induces functional divergence, such as protein abundance, the activity of the E3 ligase, and regulation of circadian rhythm through the complex with GI. In addition, this residue may be involved in optimizing physiological responses to or sensing photoperiod in plants. Furthermore, it may contribute to understanding how photoreceptors with LOV domains recognize signals and to developing photoreceptor-based biotechnological applications.

국문 초록 (Abstract)

식물은 광수용체를 통해 광주기 변화를 인식하여 다양한 생리 반응을 조절함으로서 환경 변화에 적응하고 생존한다. 청색광 수용체 ZEITLUPE (ZTL)는 LOV domain을 보유한 E3 ubiquitin ligase로서, Pseudo Response Regulator 5 (PRR5) 또는 GIGENTEA (GI)와 상호작용을 통해 일정 시간에 turnover 되며 ZTL 생체 리듬 및 개화 등 조절한다. ZTL dimerization에 중요한 LOV domain의 151번째 잔기는 진화 과정에서 쌍떡잎식물에선 isoleucine, 대부분 외떡잎 식물에선 methionine으로 분화되었다. 본 연구에서는 151번째 잔기의 차이가 생체 내 ZTL 구조적 및 기능적으로 미치는 중요성에 대하여 탐구하고자 하였다.
이를 위해 쌍떡잎식물 Arabidopsis의 AtZTL과 외떡잎식물 Oryza sativa의 OsZTL1을 대표 단백질로 사용했고 각 151번째 잔기 위치에 해당되는 아미노산을 상호 치환한 AtZTL I151M, OsZTL1 M164I을 이용하여 Arabidopsis에서 기능적 차이를 확인했다. 장일 조건의 Arabidopsis에서 늦은 개화 표현형을 보인 OsZTL1은 151번째 잔기 치환 시 광주기와 관계없이 더 빠른 개화 표현형을 나타냈으며, 이와 함께 관찰된 FT 발현 리듬의 변화는 해당 위치가 상동 단백질에서도 개화 조절 기능에 기여함을 시사한다. 두 돌연변이 단백질은 western blot 분석에서 모두 야생형보다 단백질이 축적되었으나, 기능적 활성은 감소한 것으로 보인다. 각 151번째 잔기의 돌연변이체들은 야생형 단백질보다 Proteolytic target인 AtPRR5 분해가 저해되었고 co-IP 분석에서 다양한 빛 조건에서 ZTL-GI 결합이 감소했기 때문이다. 특히, AtZTL I151M은 청색광 처리에도 GI과의 결합이 증가하지 않았다.
종합하면, 본 연구는 분자 수준의 분석을 통해 광수용체 ZTL의 151번째 잔기 변이가 LOV domain의 기능적 분화를 유도하여, 식물의 광주기 감지 및 생리 반응 최적화에 기여할 가능성을 제시한다. 특히 해당 잔기가 GI와의 복합체 형성 및 E3 ubiquitin ligase 활성 조절을 통해 ZTL 단백질의 리듬과 안정성(abundance)에 영향을 미칠 수 있는 요소임을 확인하며, 이는 광수용체의 진화적 분화에 대한 새로운 통찰을 제공한다.

목차 (Table of Contents)

• Abstract i
• Table of Contents ii
• Introduction 1
• Materials and Methods 6
• Results 14
• Discussion 41
• References 47
• Supplementary Materials 51
• Abstract in Korean 60
• Acknowledgments 63