식물에서 ornithine decarboxylase 유전자의 발현조절과 그 역할에 관한 연구 = Studies on the expression regulation of plant ornithine decarboxylase and its role in plant development
저자
발행사항
[서울] : 연세대학교, 2001
학위논문사항
학위논문(박사)-- 연세대학교 대학원 : 생물학과 2001. 2
발행연도
2001
작성언어
한국어
주제어
KDC
481
발행국(도시)
서울
형태사항
x, 169 p.
소장기관
토마토 (Lycopersicon esculentum Mill)의 뿌리로부터 ornithine decarboxylase (ODC)를 코딩하는 cDNA를 분리하여 ODC 유전자의 발현조절 기전을 연구하고자 하였다. 토마토 ODC cDNA의 5' untranslated region (UTR)에는 5개의 아미노산으로 이루어진 upstream open reading frame (uORF)이 존재하고 있었다. uORF는 in vitro 번역 실험 결과 ODC의 번역 효율을 억제하는 것으로 나타나 식물에도 번역 단계의 ODC 발현조절 기전이 존재할 가능성을 제시하였다. uORF의 엽기서열이나 아미노산 서열은 uORF의 번역 억제 작용에 영향을 미치지 않았고 upstream AUG 개시 코돈의 존재가 uORF에 의한 억제 작용의 원인이었다. 토마토 ODC 유전자의 발현은 조직 특이적으로 이루어지고 있었는데 뿌리, 하배축, 어린잎, 꽃에서 ODC 전사체가 검출되었고 성숙한 잎에서는 ODC 전사체를 관찰할 수 없었다. ODC 유전자는 일차근과 측근의 정단 분열조직에서 발현하고 있음을 in situ hybridization을 통하여 확인하였으며, 정단 분열조직 내에서 ODC 전사체는 피층에 편재하였다. 토마토 ODC의 유전자 발현은 서당에 의하여 조절되었다. 서당에 의한 ODC 발현 유도는 뿌리, 꽃, 하배축 그리고 특히 뿌리 정단분열조직에서만 관찰되고 성숙한 잎에서는 관찰되지 않았다. 그리고 뿌리 정단분열조직에서만 서당에 대한 반응이 나타났다. 이는 ODC의 발현의 공간적인 양상이 세포분열과 밀접한 관계를 지니고 있다는 사실과 서당의 감지가 ODC의 공간적 발현 양상을 결정하는데 중요한 역할을 수행한다는 사실을 나타낸다. 서당신호 전달 경로에는 protein phosphatase PP1 또는 PP2A가 억제 조절자로 관여하고 있었다. 토마토 ADC는 ODC와는 다른 조절 양상을 보여 식물의 발달과 성장과정에서 ODC와 ADC가 서로 다른 생리적 역할을 담당하고 있다는 가설을 뒷받침하였다. 담배 배양세포에서 ODC 활성은 세포분열과 밀접한 관계를 가지며 조절되었다. ODC 활성은 서당에 의해 번역 또는 번역 후 단계에서 조절되었으며, 이러한 조절은 서당에 의해 활성화되는 mitogen-activated protein (MAP) kinase cascade에 의해 매개되었다. MAP kinase kinase (MEK)억제제인 U0126은 서당에 의한 세포주기의 재개를 억제하였는데, putrescine의 처리는 담배의 S 기 특이적 cyclin (CYS) 전사체의 수준을 부분적으로 복구하여, 서당에 의해 활성화되는 ODC가 서당에 의해 세포주기가 재개될 때 G1 기 또는 S 기에서 역할을 수행할 것이라 생각할 수 있었다. 동시성 배양세포를 이용한 실험에서 ODC 활성은 G1 기에서 증가하기 시작하며 S 기 동안 높은 수준을 유지하였고, ODC 전사체 수준은 G1 기에 피크를 나타내었으며, 폴리아민 수준은 대체로 G1/S, G2/M 전환기에 증가하는 양상을 나타내었다. 또한 동시성 배양조건에서 MEK 억제제인 U0126은 ODC 활성과 DNA 합성을 억제하였고, S 기 정지를 유발하여 결과적으로 ODC 전사체 수준의 G1 피크를 사라지게 하였다. 이러한 사실들은 ODC의 발현이 G1/S 전환기, S 기의 진행에서 그 역할을 수행한다는 사실을 나타낸다. 토마토에서의 토마토 ODC 유전자의 과잉 발현은 뿌리의 초기 성장을 촉진하였고, shoot 유도 배지에서 뿌리의 발생을 유도하였으며, 수술 개수, 꽃잎이 갈라진 개수, 암술대 굵기, 심피 개수의 증가와 자방의 비정상적인 조기 성장을 유도하여 꽃의 이상 발생을 초래하였다. 또한 ODC의 과잉 발현은 웅성 불임과 단위결실을 유도하였다. 이러한 사실은 ODC 활성과 토마토 자방의 성장 사이의 관계를 더욱 확실히 하는 것으로 ODC가 자방 성장의 필요충분조건임을 확인할 수 있었고, 폴리아민이 꽃의 발달 과정에서 중요한 역할을 수행함을 알 수 있었다.
더보기A near-full-length clone encoding ornithine decarboxylase (ODC) was isolated from tomato (Lycopersicon esculentum Mill). It contained a small upstream open reading frame (uORF) within its 5' untranslated region (UTR). In vitro translation assay demonstrated that the uORF repressed expression of downstream ORF. Neither nucleotide nor predicted peptide sequence of the uORF was responsible for the repression. The presence of upstream AUG codon was shown to be repressive. ODC expression appeared to be organ-specific. ODC gene was expressed in roots, hypocotyls and sink leaves but not in source leaves. ODC transcripts were observed in apical meristem of primary and lateral roots, and were distributed in cells of cortex layer preferentially. ODC expression responded immediately to sucrose availability via sucrose-specific pathway independent of hexokinase. Sucrose induction of ODC gene was seen in roots, hypocotyls and flower but not in mature leaves. Moreover, only root apical meristem responded to sucrose availability. These observations indicate that the spatial pattern of ODC expression is closely associated with cell proliferation and that sucrose sensing plays an important role in the spatial patterning of ODC expression. Protein phosphatase PP1 or PP2A is likely to be involved in the transduction of sucrose signal as a negative regulator. And the differential regulation of ODC and arginine decarboxylase gene expression by factors modulating plant growth suggests that they would have different physiological roles in plant development. The regulation of ODC activity was closely related with cell division in tobacco suspension cultured cells. ODC activity was regulated at translational or post-translational level by sucrose, and the regulation of ODC activity by sucrose was mediated by mitogen-activated protein (MAP) kinase cascade. U0126, a potent and specific inhibitor of MEK (MAP kinase kinase) inhibited cells' re-entering the cell cycle and putrescine restored CYS transcript level partially but not CYM transcript level. This indicates that sucrose-activated ODC is likely to play a role in the G1 or S phase when the cells re-enter the cell cycle by sucrose. In the M phase synchronized cells, ODC activity began to increase at the G1 phase and showed high level during the S phase. ODC transcript was detected throughout the cell cycle, and it's level showed a peak at the G1 phase. And polyamine contents were high at the G1/S and G2/M transition in general. U0126 inhibited ODC activity and DNA synthesis, and consequently caused the S phase arrest. Thus the G1 phase peak of ODC transcript level was disappeared by U0126. These results suggest that ODC expression plays a major role in the G1/S transition and the progression of the S phase. ODC over-expression in tomato stimulated early root growth, and root initiation on shoot induction medium. And flower malformation was observed in ODC over-expressing tomato. The mutant flower had 8 to 10 stamen and petals and very thickened styles. It's pistil consisted of about 15 carpels. Over-expression of ODC caused premature initiation of ovary development without pollination, male sterile and parthenocarpy. These confirm the relationship between ODC activity and ovary development in tomato, and indicate that ODC is necessary and sufficient in stimulation of ovary development in tomato.
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