바이오인

 대체 산화효소 경로의 in vivo 역할

KAIST 화학과 도민재

[목차]

1.AOX의 패러다임

2.AOX 조절에 대한 in vivo 증거

3.AOX 경로의 생리학적 기능

4.결론

[요약]

대체 산화효소(alternative oxidase, AOX) 경로를 조절하는 조절 인자의 in vitro 특성에 대한 집 중적인 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 결 과들을 검토하고, 향후 연구할 가치가 있는 주제들을 살펴본다. 또한 식물 AOX가 담당하는 주 요 생물학적 기능을 검토하고 토론하며, 서로 다른 가설의 생리적 역할을 시험하기 위해 생체 내 활동 측정과 관련된 향후 실험을 제안한다.

[내용]

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 미토콘드리아 의 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 과소평가 할 수 있다는 것이 증명되었다. 따라서 호흡 억제제 적용 후 산소 소비율을 사용하면 COP 및 AOP 의 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 꽃에 서 AOP 활성도의 급격한 증가가 Nelumbo nucifera 및 Philodendron bipinnatifidum의 높은 열 유발 활동과 관련이 있다는 것을 보여주었다. 그러나 AOX는

많은 비열생성 조직에서 상당한 수준으로 활 동하고 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, 성장 을 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 활 동은 총 호흡의 10~50%를 차지하며, 이 비율은 식물 성장 중에 일반적으로 직면하는 온도 범위에 서 유지된다. 이러한 관찰은 스트레스를 받지 않는 조건에서 비인산 AOP의 역할에 의문을 제기하게 했다. 특히, τa 증가는 꽃 조직, 뿌리에서 발생하며, 크라스쿨레이산 대사(crassulacean acid metabo- lism, CAM)와 관련된 말린산염 데카르복실화(Malate decarboxylation)가 발생하는 동안에도 발생한다.

따라서 AOX의 기능은 스트레스 하에서의 역할을 넘어서는 것처럼 보인다. 즉, AOX는 주로 미토콘드 리아 역신호전달(retrograde signaling)을 담당하는 ROS와 RNS (reactive nitrogen species)와 같은 신 호 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 관 련된 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 연구 는 일부 문제를 명확히 했으나, 많은 문제들이 해결되지 않은 채로 남아 있다. AOX의 전사 후 조절 이 중요하다고 알려졌지만, in vitro 결과와 비교해 본다면 실제로 생체 내 활동을 어느 정도까지 조 절하는가?

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.

...................(계속)

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