육상식물을 포함한 모든 생물체에서 적절한 생식 시기를 결정하는 것은 생존에 필수적이다. 식물은 다양한 외부 환경 신호와 내재적 신호를 통합하여 개화 시기를 결정한다. 개화 시기를 결정하는 분자적 과정은 주로 모델 식물 애기장대 (Arabidopsis thaliana) 에서 연구되었다. 애기장대에서 개화시기를 조절하는 핵심 유전자는 MADS-box 전사인자인 FLOWERING LOCUS C (FLC) 이다. FLC 는 개화억제인자로, 개화촉진인자인 FLOWERING LOCUS T (FT)나 SUPPRESSOR OF OVEREXPRESSION OF CO1 (SOC1)의 발현 억제를 통해 개화를 저해한다. FLC 의 발현은 주로 춘화현상과 내재적 조절 기작에 의해 조절된다. FLC 는 장기 겨울 저온에 의한 개화 촉진 현상을 뜻하는 춘화현상에 의하여 에피유전적으로 발현이 저해된다. 내재적 조절 기작이란 환경조건에 독립적으로 일어나는 내재적 FLC 발현 억제 과정을 의미한다. 이 과정을 통해 빠른 개화가 유도된다. 따라서 춘화 현상과 내재적 조절에 대한 분자적 이해는 애기장대의 개화 시기 조절 과정에 대한 이해에 필수적이다.
1 장에서는 FLC 발현의 내재적 조절 기작에 대해 다룬다. Arabidopsis TBP-ASSOCIATED FACTOR 15 B (TAF15b)는 식물 특이적 전사인자 IID (TFIID)를 구성하는 단백질로, 내재적 개화 조절 인자로 보고되었다. 지금까지 내재적 개화 조절 인자에 대한 다양한 연구들이 수행되었음에도 불구하고, TAF15b 의 작용 기전과 공동 인자들에 대해서는 알려지지 않았다. 본 연구에서는, C-TERMINAL DOMAIN PHOSPHATASE-LIKE 1 (CPL1) 단백질이 TAF15b 와 TAF15b-CPL1 복합체를 구성하여 FLC 전사를 저해함을 밝혔다. CPL1 은 단백질 탈인산화 효소로, 특히 RNA 중합효소 II 의 C-말단 도메인을 탈인산화한다. 본 연구에서는 면역침강-질량분석을 통하여 TAF15b 결합 단백질인 CPL1 을 발굴하였고, TAF15b 와 CPL1 단백질의 결합을 in vitro 및 in vivo 에서 검증하였다. cpl1 돌연변이체 분석을 통하여 CPL1 이 FLC 발현을 저해하여 개화를 유도하며, 이 과정에서 TAF15b 와 CPL1 이 유전적으로 상호작용하는 것을 보였다. 또한, cpl1 돌연변이체와 taf15b 돌연변이체에서 FLC 염색질과 인산화된 RNA 중합효소간의 결합이 증진됨을 확인하였다. 이에 더불어, RNA sequencing 을 통하여 CPL1 과 TAF15b 가 FLC 이외에도 다양한 타겟 유전자를 공유함을 확인하였다. 이러한 결과를 통하여 본 연구에서는 TAF15b 와 CPL1 이 하나의 복합체로 기능하여 RNA 중합효소 II 의 탈인산화 기능을 가짐을 제시하였다.
2 장에서는 춘화현상을 통한 FLC 발현 조절 기작에 대해 다룬다. 춘화현상 동안에는 VERNALIZATION INSENSITIVE 3 (VIN3)가 주요하게 기능하여 FLC 의 발현을 저해한다.. 이 과정에서, 겨울 저온이 VIN3 발현을 유도하는 기작에 대해서는 지금까지 잘 알려지지 않았다. 본 연구에서는 VIN3 프로모터 상에서 장기 저온을 인지하는 서열인 vernalization-responsive cis-element in VIN3 (VREVIN3)를 발굴하였다. VREVIN3 는 G-box 와 evening element (EE) 로 구성되었다. VREVIN3 에 돌연변이가 유도되면 저온에 의한 VIN3 발현 현상이 저해되며, 이를 통해 개화 역시 저해되는 것을 확인하였다. 또한 두 시계 유전자 CCA1 과 LHY 가 VREVIN3 상의 EE 에 결합함을 in vitro 와 in vivo 에서 밝혔다. CCA1 과 LHY 에 돌연변이가 생긴 경우, 춘화 반응이 저해되는 것을 확인하였고, 이러한 현상은 특히 약한 겨울 조건인 12℃ 에서 두드러지게 나타나는 것을 확인하였다. 이에 더불어, 장기 저온 환경에서 CCA1/LHY 단백질의 일주기 발현 패턴이 변화하며, 특히 저녁 시간의 CCA1 의 발현이 증대됨을 확인하였다. 이러한 현상은 VIN3 의 발현이 저녁 시간에 주요하게 나타나는 현상과 연관된다. 이러한 결과를 통해 본 연구에서는 장기 저온 환경에서 시계 유전자 CCA1 과 LHY 의 발현 패턴 조절을 통하여 VIN3 의 전사 및 춘화 반응이 나타남을 밝혔다.