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대체 산화효소 경로의 in vivo 역할
대체 산화효소 경로의 in vivo 역할 저자 도민재 (KAIST 화학과)
등록일 2019.06.25
자료번호 BRIC VIEW 2019-R15
조회 489  인쇄하기 주소복사 트위터 공유 페이스북 공유 
요약문
대체 산화효소(alternative oxidase, AOX) 경로를 조절하는 조절 인자의 in vitro 특성에 대한 집중적인 연구에도 불구하고, 생체 내에서의 in vivo 활성 조절은 여전히 완전히 이해되지 않고 있다. 본 총설논문은 산소 동위원소 분율 기법에 기반한 AOX의 생체 내 조절에 관한 연구 결과들을 검토하고, 향후 연구할 가치가 있는 주제들을 살펴본다. 또한 식물 AOX가 담당하는 주요 생물학적 기능을 검토하고 토론하며, 서로 다른 가설의 생리적 역할을 시험하기 위해 생체 내 활동 측정과 관련된 향후 실험을 제안한다.
키워드: plant, redox, oxidase pathway, metabolism
분야: Plant Science

본 자료는 An In Vivo Perspective of the Role(s) of the Alternative Oxidase Pathway. Trends plant sci., 2018, 23(3):206-219.의 논문을 한글로 번역, 요약한 자료입니다.

목차

1. AOX의 패러다임
2. AOX 조절에 대한 in vivo 증거
3. AOX 경로의 생리학적 기능
4. 결론


1. AOX의 패러다임

호흡에는 산소(O2)를 소비하는 산화환원 레독스(redox) 반응과 등가물 [NAD(P)H 및 FADH2]을 감소시키는 작용을 하며, 이산화탄소(CO2)와 같은 탄소 골격 및 에너지(ATP)를 생성한다. 미토콘드리아의 ATP 합성은 주로 시토크롬 산화효소(cytochrome oxidase, COX) 경로를 통해 미토콘드리아의 O2 소비와 연결되어 있다. 식물계에는 O2를 H2O로 변화시키는 강력하게 보존된 대체 비인산화 전자전달계가 있다. 이는 내측 미토콘드리아 막에 위치한 말단 AOX에 의해 달성되며, 따라서 대체 산화효소 경로로 불린다.

COX보다 AOX는 무거운 동위원소 18O2에 대한 차별성이 더 크며, 이를 통해 두 경로 사이의 전자 분할(electron partitioning)을 측정할 수 있는 비침습 질량 분석 기법을 개발할 수 있었다. 이 기법을 사용하여 AOP가 유비퀴논(ubiquinone, UQ)의 전자에 대해 COP와 경쟁하고, 잘 알려진 AOX 억제제인 SHAM (salicylhydroxamic acid)를 첨가한 후 호흡량의 변화가 AOP의 실제 활동을 과소평가할 수 있다는 것이 증명되었다. 따라서 호흡 억제제 적용 후 산소 소비율을 사용하면 COP 및 AOP의 활동을 결정할 수 없다. 실제 AOX 활성은 산소 동위원소 분율 기법에 의해서만 결정될 수 있는 반면에 억제 속도는 COP와 AOP의 용량인 최대 전자 플럭스(flux)만을 나타낸다.

AOP의 널리 알려진 기능은 열발생 식물의 발열 기능이다. 산소 동위원소 분율 측정은 꽃에서 AOP 활성도의 급격한 증가가 Nelumbo nuciferaPhilodendron bipinnatifidum의 높은 열 유발 활동과 관련이 있다는 것을 보여주었다. 그러나 AOX는 많은 비열생성 조직에서 상당한 수준으로 활동하고 있지만, 생화학 및 분자 수준에서 광범위하게 밝혀진 특성들에도 불구하고 생체 내 실험은 거의 이루어지지 않고 있다. UQ의 레독스(redox) 상태(UQr/UQt)의 안정화를 포함하여 많은 기능이 AOX에 포함되어 있으며 ROS (reactive oxygen species)의 형성을 감소시키고 있다.

에너지 효율을 감소시켰음에도 불구하고, 식물이 열을 생산하고, 스트레스를 용인하며, 성장을 자원 가용성과 균형을 유지할 수 있도록 대사 유연성을 부여하기 위해 몇 가지 생리적 상황에서 AOX 활동의 유도가 필요하다. 스트레스 조건 하에서 생체 내 AOP 활동은 보통 증가하지만, 전체 호흡 중 AOP이 활동이 차지하는 비율인 τa은 가변적이다. 한편, 스트레스가 없는 생체 내 AOP 활동은 총 호흡의 10~50%를 차지하며, 이 비율은 식물 성장 중에 일반적으로 직면하는 온도 범위에서 유지된다. 이러한 관찰은 스트레스를 받지 않는 조건에서 비인산 AOP의 역할에 의문을 제기하게 했다. 특히, τa 증가는 꽃 조직, 뿌리에서 발생하며, 크라스쿨레이산 대사(crassulacean acid metabolism, CAM)와 관련된 말린산염 데카르복실화(Malate decarboxylation)가 발생하는 동안에도 발생한다. 따라서 AOX의 기능은 스트레스 하에서의 역할을 넘어서는 것처럼 보인다. 즉, AOX는 주로 미토콘드리아 역신호전달(retrograde signaling)을 담당하는 ROS와 RNS (reactive nitrogen species)와 같은 신호 분자의 생성을 제어하는 능력 때문에 스트레스를 받는 세포 재프로그래밍에서 중심적인 역할을 할 가능성이 높다. 이러한 관점에서 AOX는 스트레스 상황에서 신호 전달 능력과 대사 '항상성(homeostasis)'을 유지하는 것으로 제안되었다. AOX는 유전자 규제 네트워크에 영향을 미치는 신호 분자의 안정적인 수준을 유지하기보다는 조절하는 데 있어서, 미토콘드리아 및 스트레스 반응에 관련된 다른 세포 구성요소에 대한 결과가 있을 수 있다. 단, ROS 및 RNS와 같은 신호 분자의 생성은 산소 동위원소 분율 방법으로는 검출할 수 없는 AOX 활동에서의 일시적인 변화만 관련이 있을 가능성이 높다.

2. AOX 조절에 대한 in vivo 증거

AOX 단백질의 생화학적 특성과 격리된 미토콘드리아에서의 활동은 단백질 양, 활성화 상태 및 기질 가용성을 포함한 AOP 활동을 조절하는 요인으로 알려져 있다. 이러한 규제 기능이 생체 내 AOP 활동에 미치는 정도는 14년 전부터 검토되었다. 그 이후로 생체 내 AOP 활동에서 보고된 연구는 일부 문제를 명확히 했으나, 많은 문제들이 해결되지 않은 채로 남아 있다. AOX의 전사 후 조절이 중요하다고 알려졌지만, in vitro 결과와 비교해 본다면 실제로 생체 내 활동을 어느 정도까지 조절하는가?

Cys residue의 산화/환원 반응을 통한 가역적인 이합체(dimer)의 형성은 분명히 in vitro AOX 활동에 영향을 미치지만, AOX는 일반적으로 전체 조직 추출물에서 감소/활성 형태이기 때문에 생체 내 중요성에 의문이 제기되었다. 음영종인 Alocasia Odora의 잎에서 AOX의 산화환원 변화는 매우 낮은 양의 빛(LL, low-light)에서 높은 빛(HL, high-light) 상태로 전환될 때 일어나는 것으로 보고되었다. 또한, AOX의 산화된 형태는 담뱃잎 추출물에서 발생하며, 생체 내 AOP 활동이 감소할 때 프로그램된 세포 사멸(PCD, programmed cell death)의 진전된 단계에서 감소된 형태에 대한 비율이 증가한다. 티오레독신(thioredoxin)은 AOX의 레독스 활성화 후보로 제안되었다. 티오레독신이 격리된 미토콘드리아에서 AOX 감소 상태를 변조하고 그 용량을 자극할 수 있다는 증거가 있지만, 아직 AOX 가 생체 내 티오레독신 시스템에 의해 조절된다는 증거는 없다. 미토콘드리아 티오레독신 돌연변이를 사용함으로써 생체 내의 미토콘드리아 트리카르복실산(TCA, tricarboxylic acid) 사이클 효소의 레독스 규제를 풀 수 있었다는 점을 고려할 때, 이러한 돌연변이의 AOP에 대해 전자 분배를 관측하는 접근법을 활용해 티오레독신이 생체 내 AOX를 조절하는지 여부를 명확히 결정할 수 있어야 한다.

 

생체 내 AOP 활동에 연결된 주요 대사 경로
그림 1. 생체 내 AOP 활동에 연결된 주요 대사 경로.
잎(A)과 뿌리(B)에서 서로 다른 기관과 세포 구획 사이의 상호 작용을 나타내며, 다양한 조건 하에서 생체내 AOP 활동이 주요 대사물과 유의미하게 연관되어 있다. 대사물의 양적 변화는 생산/소비와 연관되어 생체 내 AOP 활동에 영향을 미친다.

 

일단 감소된 상태에서 AOX는 두 개의 보존된 Cys residue를 통해 α-케토아산과 상호작용하며, 단백질에 순응적인 변화를 일으키고 활동량이 증가한다. 피루빈산염(pyruvate)은 낮은 UQ 감소 수준에서 가장 효과적인 활성제 중 하나이다. 그러나 생체 내 피루브산염 자극의 관련성은 높은 미토콘드리아 내 농도 때문에 의심받았다. 다른 연구에서는 피루산염 수준과 AOX 유도 사이의 관계가 보고되었지만, 미토콘드리아 피루산염 수준의 변화로 인해 생체 내 활동의 변화가 발생하는 것으로 확인되지는 않았다. 또한 세린(serine)기에 대한 첫 번째 보존된 시스테인(cysteine) residue의 돌연변이 결과로 숙성에 의해 규제되는 AOX 동형단백질(isoform)의 보고도 있다. 논란을 해결하기 위해 생체 내 AOP 활성 측정과 결합하여 세포 내 비유효분율 기법에 의한 대사물의 대사 내 수준을 측정할 필요가 있을 것이다. 또한 변환 후 규정이 변경된 돌연변이 AOX isoprotein을 사용하면 AOP의 생체 내 활동에 대한 redox 및 유기산 규제 모두의 관련성을 테스트할 수 있는 좋은 기회가 된다.

AOX가 완전히 활성화되면, 그 활동은 기질 가용성, 즉 UQ 풀(UQr/UQt)의 감소된 분율과 산소에 따라 달라진다. AOX의 특성은 고립된 미토콘드리아에서 많이 연구되었다. 최근의 가설은 AOX가 산소 농도를 미토콘드리아 내부에서 충분히 낮게 유지하여 ROS 생성을 제한한다는 것이다. 이 가설을 뒷받침하기 위해 억제제를 활용한 연구가 수행되었지만, 두 경로 사이의 전자 분할에 대한 서로 다른 O2 농도의 영향은 다루어지지 않았다. 다른 기질인 UQ와 관련하여 AOP 활동에 대한 UQ 감소 수준의 생체 내 관련성을 다룬 연구는 거의 없다. 이전의 연구들은 UQr/UQt의 안정화에 대한 AOX의 역할에 대한 증거를 제공하였다. 그러나 생체 내 AOP 활동은 UQr/UQt의 함수로써 측정을 통해 결정되어야 한다. 매우 유사한 실험 설계를 사용하여 수행한 AOX1a 변형 식물에 대한 최근 두 가지 연구에서 흥미로운 결론을 도출할 수 있다. 단기간 HL 처치 후에는 AOX1a 억제 식물보다 높은 잎 UQ 감소가 관찰되었다. 또한 AOX1a 변형 식물의 생체 내 COP 활성도가 증가했기 때문에, 호흡이 돌연변이가 없는 식물과 다르지 않았다. 이러한 결과를 종합해 보면, AOX1a 돌연변이 식물에서 HL 유도된 생체 내 AOP 활동이 부족하여 COX가 포화 상태가 아닐 때 UQ 감소 수준이 증가했음을 시사한다. 반면에 UQ 감소 수준은 부분적으로 내부 및 외부 NAD(P)H 탈수소효소의 활동에 의해 제어된다. 일부 인코딩 유전자는 특정 AOX isoform과 공존한다. 내부 또는 외부 탈수소에 대한 RNAi 억제는 생체 내 AOP 활동에 유의미한 영향을 미치지는 않았지만, 대체 호흡 구성요소를 대상으로 하는 다차원적 목표를 사용하는 향후 접근방식은 UQ 풀 감소를 위한 다중 경로에 의한 보상을 피하는 데 유용할 수 있다.

감소된 UQ, 즉 AOX 기질의 가용성은 레독스 변경뿐만 아니라 UQ 풀의 총량에 달려 있다. 콩 조직에서 서로 다른 양의 UQ가 보고되었으며, 총 UQ 양이 AOX 활동에 제한 요인이 될 수 있다는 결론이 내려졌다. 따라서 감소된 UQ와 산화된 UQ의 수준은 모두 낮은 조명(LL)에서 자란 식물보다 HL에서 자란 Arabidopsis 식물의 잎에서 더 높았지만, UQr/UQt 비율은 비슷했다. 이러한 UQ 수준의 차이는 COP와 AOP의 생체 내 활동이 LL에서 자라는 식물보다 HL에서의 잎에서 더 큰 이유를 설명할 수 있다. 이 경로에서 효소의 돌연변이 가용성과 결합된 식물 UQ 합성 경로에 대한 최근의 중요한 결과는 생체 내 두 호흡 경로의 활동에 대한 UQ 수준의 관련성을 테스트할 수 있는 새로운 기회를 제공한다.

3. AOX 경로의 생리학적 기능

기존의 ‘에너지 초과 가설’ 모델은 AOX 억제제를 사용한 실험 결과를 토대로 재검토하여야 한다. 스트레스가 많은 상황 전면 개편된 일부의 스트레스 반응에 필요한 대사 물질의 수준에 영향을 미칠 수 있는 세포 변화를 유도한다. 이러한 대사 변화 호흡 기질 여부 및 수요의 불균형에 잠재적으로 둘 다 미토콘드리아의 전자 전달 시스템의 산화 환원 반등 상태에 영향을 미치는 이어질 수 있다. 예를 들어 HL 조건에서 과도한 환원제와 탄소가 발생한다. 미토콘드리아 전자 전달계의 에너지 우회(bypass) 시스템은 이러한 HL 조건 하의 과도한 반응을 완화시킬 수 있다. 이러한 방법으로 미토콘드리아 대사 광저해 개선에 역할을 맡게 된다. 광합성 특성, 대사물 및 생체 내 AOX 분석의 조합은 다른 조명 조건 하에서 잎에서 AOX의 대사 역할에 대한 중요한 통찰력을 주었다. HL에 따른 잎 내 AOX 경로의 생체 내 활성화가 TCA 사이클의 비순환 플럭스 모드에 관여하는 주요 대사물의 변화와 연관되어 있으며, 두 가지 광합성을 모두 지원할 수 있다. 흥미롭게도, HL 처리 후 AOX1a 변경 식물은 그렇지 않은 식물에 비해 플라스토키논 감소 수준이 증가한다. 궁극적으로 만성 광 억제를 유발하며, 이는 생체 내 AOP 활동(νalt)의 저하에 기인할 가능성이 매우 높다. AOX 유전자변형식물에 대한 실험은 엽록체의 에너지 균형에서 AOX의 역할을 더욱 뒷받침하여, 광합성과 광증화에도 영향을 미친다는 결론을 얻을 수 있었다. 그러나 각 호흡 경로가 광경화와 연결되는 범위를 정량적으로 결정하기 위해서는 식물 내 AOX 경로와 COX 경로 모두의 생체 내 활동을 측정해야 한다. 또한 C3, C4, CAM, 중간종을 비교하는 생체 내 전자분할연구에서는 광합성 탄소대사의 진화 과정에서 AOX가 어떻게 통합되는지를 더 잘 이해하기 위해 필요할 것이다.

이전의 연구들은 νaltPoa anua 뿌리와 콩 떡잎에서 빛에 의한 당 수치 변화와 상관관계가 없다는 것을 보여주었다. 반면 시금치와 콩의 잎에서는 당 수치의 하루 동안 변화가 νalt 변화로 연결되었다. 최근 Arabidopsis 잎의 아미노산 및 유기산 수치의 변화는 다른 성장광선과 주간/야간 조건에서 νalt의 변화와 강하게 상관관계가 있는 반면, 당 수치와는 낮은 상관관계를 보였다. 이 문제를 확실히 해결하기 위해서는 다양한 광선 작동 및 자연광 조건에서 시간점과 대사물에 대한 광범위한 적용 범위를 포함하는 더 많은 실험 증거가 필요하다. 특히 성장광 변화 후 νalt와 관련된 대사 변화는 단기 광변화 이후와 다르므로 광 섭동의 지속시간과 강도에 따라 AOX의 다른 대사 역할을 나타낸다.

저온, 영양소 제한, 상호대립 억제작용물질(allelochemical), 금속 독성, 질산소(NO)와 같은 행위자들은 COX의 활동을 억제할 수 있다. AOP는 COP의 전자 바이패스 역할을 하므로 잠재적으로 ROS 생성을 피하고 동시에 COX 제한에 따라 호흡도 지속할 수 있다. νalt에 대한 단기 및 장기 온도 변화의 영향은 상당한 주목을 받았다. 일반적으로 생체 내 AOP 활동 반응은 조직, 종 및 스트레스 지속시간에 따라 달라진다. 관찰된 가변 반응에도 불구하고, νalt 변화는 대부분의 경우 COP 제한과 결합되는 것으로 보인다. 이에 동의하여 최근 Salsola divaricata 잎에서 νalt의 증가가 관찰되었으며, 이는 급하고 심한 온도 변화 하에서 COP 및 광합성 기능의 유지에 있어 AOP의 역할로 해석되었다.

인(P)이 제한된 환경에서는 아데닐산염(adenylate) 제어를 통해 COX의 활동을 제한할 수 있다. 총 호흡에 대한 AOP 기여는 인 제한 하에서 재배된 Phaseolus blastisGliricidia sepium 잎에서 증가했다. 인 제한 하에서 재배된 Nicotiana tabacum 식물의 뿌리의 νalt도 증가하지만, 동일한 종의 잎에서는 감소한다. 따라서 인 제한에 대한 AOP 반응은 복잡하고 조직과 종에 따라 다양하다.

다양한 연구들은 상호대립 억제작용물질과 제초제에 피폭된 후 장기 가뭄과 염도에 노출된 후 성장이 감소한다고 보고했다. 이러한 경우 전자를 AOX로 분할하는 것이 주로 증가하였고, νalt는 유지되거나 때로는 증가하여 저에너지 수요 하에서 TCA 사이클 반응을 가능하게 하였다. 복합체 III에서 전자 압력이 증가하여 AOX가 억제된 식물에서는 미토콘드리아의 NO 합성이 영향을 받는다. 이러한 관찰은 COP와 AOP 사이의 생체 내 전자 분할에서 NO가 어떻게 영향을 미치는지 더욱 이해하기 위한 매우 흥미로운 틀을 제공한다.

AOX는 비인산화 특성을 고려할 때 미토콘드리아 및/또는 사이토솔에서 생성된 NAD(P)H를 다시 산화시킬 수 있으며, 세포 ATP 수요가 낮을 때 호흡대사를 계속할 수 있다. 이러한 방식으로 AOX는 스트레스와 비스트레스 조건 모두에서 성장과 세포 기능에 필수적인 여러 탄소 화합물의 생산을 중재할 수 있다.

아직까지 아연산염의 부족은 AOX1이 억제된 식물에서 확인된 적이 없다. 실제로 AOX를 저해한 식물의 νalt는 LL 및 HL 강도 모두에서 자라는 AOX 과발현 식물과 매우 유사하다. 더욱이 νalt와 그 용량은 두 가지 성장 광도 모두에서 AOX1a 억제 식물에서도 매우 유사했다. 이러한 결과를 종합하면, 다른 AOX isoform에 의해 νalt의 '기준' 임계값이 AOX1a 억제 식물에서 항상 유지됨을 시사한다. AOX의 스트레스와 비스트레스 관련 isoform 모두 Arabidopsis 잎의 다른 발달 단계에서 표현되며, 이는 AOX가 신진대사의 균형에 일반적인 역할을 한다는 것을 시사한다. 이 점에서 비스트레스 조건 하에서 νalt는 잎과 뿌리 발달을 따라 상당히 일정하지만 AOP/COP 비율은 증가한다. 따라서 AOP가 발달의 고급 단계에서 호흡기 대사에 기여하는 것이 명백해지고, 성장 감소로 인해 ATP 수요가 낮은 조건에서 TCA 사이클의 지속적인 작동을 촉진할 가능성이 가장 높다.

4. 결론

AOP의 활성이 식물 호흡의 에너지 효율을 크게 감소시킬 수 있기 때문에, AOP의 조절을 이해하는 것은 중요하다. 생체 내 AOP 활동에서 측정할 수 있는 νalt은 유전자 표현에서 생체 내 역할까지 모든 연구를 가능하게 한다. νalt는 대부분 전사 후 수준에서 조절되지만, 이 관계가 완전히 밝혀지지는 않았다. νalt 측정과 대사학을 함께 활용하여 AOX 조절 연구가 최근 이루어지고 있다. 생체 내 실험적 증거에 따르면 AOP는 스트레스 조건 하에서 세포 에너지와 탄소 대사에 유연성을 제공한다. 스트레스를 받지 않는 조건하에서도 AOP의 중요한 기능이 있으며, 이는 추가적인 연구를 필요로 한다.

 

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도민재(2019). 대체 산화효소 경로의 in vivo 역할. BRIC View 2019-R15. Available from https://www.ibric.org/myboard/read.php?Board=report&id=3256 (Jun 25, 2019)
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