검색 상세

CHARACTERIZATION OF ANABAENA SENSORY RHODOPSIN AND ITS TRANSDUCER ASRT

초록/요약

Since Anabaena sensory rhodopsin (ASR) was found in 2003, lots of molecular biological studies were performed to reveal the physiological roles of ASR. ASR is believed to get a property of photochromism and regulate the portion of phycobilisomes via soluble cytoplasmic transducer (ASRT). In this study, I tried to show the photochemical property of ASR and the role of ASRT which is involved in physiological photo-regulation. As a photochromic sensor ASR perceived the light quality and changed the ratio of chromophore photoisomer. In the dark adapted condition, ASR chromophore is consisted of almost all-trans configuration. And light illumination leads to conformational change of retinal chromophore. The overall ratio of chromophore isomers is according to the light quality. ASRT is influenced in retinal photoisomerization rate and photocycle rate by physical interaction. The presence of ASRT increased the photocycle rate after photoactivation and the photoisomerization rate of retinal chromophore also increased during dark adapted condition. Therefore, ASRT is able to regulate the photochemical properties of ASR through direct interaction and seems to take photosignal from ASR simultaneously. The next, the fact that ASRT was also bound to a promoter region of pec (phycoerythrocyanin) and asr operon in vitro was determined with several binding assay. These genes are known to relate photochromism of cyanobacteria. ASRT is composed of beta sandwich formation and it indicates the possibility of interaction with DNA. It was determined that ASRT binds to the promoter DNA with the 1:1 stoichiometry in NMR study and SPR assay. However, the result from ITC measurement showed the different ratio and binding affinity. This difference seems to be caused by the different condition and the in vivo mechanism needs to be discovered. The possibility of gene regulation by direct interaction between ASRT and DNA fragment was suggested in the recent study with E. coli expression system. However, the mechanism of photochromic regulation through ASR and ASRT in vivo is not revealed yet. Here the role of ASRT which is involved in physiological photo-regulation was determined with E. coli system and ASR operon knockout mutant Anabaena cells. In E. coli cell, the presence of ASRT induced the reporter gene expression which connected with pec promoter. It shows that ASRT is able to regulate the related gene expression as an activator in the cell however the exact mechanism of action of ASRT is unclear. From the results ASRT interact directly with the promoter region and seems to recruit the transcription machinery. ASRT also regulate the related gene expression in the in vivo system. In the mutant assay, when ASRT existed and absent the mRNA expression level of pec and cpc genes which are involved in phycobilisomes showed obvious differences. And to conclude, ASRT seems to role as a repressor in the Anabaena cells. The expression levels of both genes were increased in the ASRT knockout mutant cell when compared to that of WT. These results indicate that ASRT is able to regulate the expression of photochromism related gene by itself. So to sum up, ASR senses the light quality through the composition of photointermidate and ASRT regulates the photochemical reaction of ASR. And ASRT takes the photosignal from ASR and transfers that to lower cascade through direct interaction and it regulates the related gene expression.

more

초록/요약

2003년 아나베나 센서 로돕신 (ASR) 이 발견된 이래 그 생리학적 기능을 규명하기 위한 여러 분자생물학적 연구가 진행되어 왔다. 그리고 지금까지의 결과로 미루어보면 ASR은 photochromism에 관여하고 있으며 전달자인 ASRT를 통해 phycobilisome의 구성을 조절하는 것으로 생각되고 있다. 본 연구에서는 ASR의 광화학적 특성을 규명하고 생리학적 광조절기작에 연관된 ASRT의 역할을 확인하고자 하였다. Photochromic 센서로서 ASR은 빛의 파장을 감지하여 발색단의 이성질화를 조절하는 것으로 알려져 있다. 암적응 상태에서 ASR의 발색단은 대부분 all-trans 형태를 나타내는데 광 조사하에서 구조적 변화가 일어난다. 그리고 최종적인 발색단의 이성질체의 비율은 빛의 파장에 따라 달라진다. ASRT는 직접적인 결합을 통해 광 조사 후 암적응 동안 발색단의 이성질화와 광순환 주기의 속도를 증가시키는 역할을 한다는 사실을 본 연구에서 확인하였다. 이는 ASRT가 ASR의 광화학적 특성의 조절자의 역할을 한다는 것을 보여주며 이를 통해 ASR로부터 광에너지를 전달받을 수 있다는 것을 나타낸다. ASRT는 그 밖에도 photochromism과 관련된 유전자 (phycoerythrocyanin)와 asr operon의 프로모터 지역과 결합한다는 사실을 다양한 binding assay를 통해 새로이 확인하였다. ASRT는 DNA와 결합하는 것으로 알려진 β 샌드위치 구조를 가지고 있으며, 실제로 NMR이나 SPR 연구를 통해 DNA와 1:1의 비율로 결합한다는 사실을 밝혔다. 그러나 ITC 연구에서는 조금 상이한 비율과 친화도가 측정되었는데 이는 단백질 외부의 환경에 영향을 받은 것으로 생각되어 생체내에서의 메커니즘 연구가 요구된다. 최근 대장균 발현 시스템을 이용한 연구에서 ASRT와 DNA의 직접적인 결합을 통한 유전자 조절의 가능성이 제시되었다. 그러나 in vivo하에서 ASR과 ASRT를 통한 photochromic조절 메커니즘은 아직 밝혀지지 않고 있다. 따라서 본 연구에서는 대장균 발현 시스템과 ASR오페론 결손 돌연변이 아나베나를 이용하여 광조절 메커니즘에 관여하는 ASRT의 역할을 밝히고자 하였다. 결과적으로 대장균 세포에서는 ASRT의 존재가 연관된 유전자의 프로모터와 연결된 리포터 유전자의 발현을 유도하였고, 이는 ASRT가 세포내에서 activator로 작용한다는 것을 나타낸다. 그러나 정확한 메커니즘은 명확히 규명되지 않았고, ASRT가 프로모터 지역과 직접적인 결합을 한다는 결과로 미루어 전사 기구를 유도하는 등의 가능성을 제시할 수 있다. ASRT는 아나베나 세포 내에서 phycoerythrocyanin과 phycocyanin의 mRNA 전사를 억제하는 것으로 나타났다. ASRT 결손 돌연변이 세포내에서 상기 유전자의 발현이 현저히 증가하는 것을 확인하였다. 상기의 결과를 종합해 보면 ASR은 발색단의 광이성질체의 구성을 통해서 빛을 감지하고 ASRT는 ASR의 광화학적 반응을 조절하는 역할을 한다. 그리고 ASR로부터 광신호를 전달받은 ASRT는 이를 직접적인 결합을 통해 하위 cascade로 전달하며 특히 연관된 유전자 발현을 조절하는 것을 본 연구를 통해 규명하였다.

more
반출 Meta View 목록