Biomolecular Assemblies Shaping Plant Developmental Transitions

Abstract

세포는 다양한 생체분자를 구획화하여 효율적으로 생화학 반응을 조절한다. 기존의 막 결합 소기관(membrane-bound organelle)과 달리, 세포는 막이 없는 구획(membraneless compartment) 혹은 생체분자 응축물(biomolecular assembly)를 활용하여 막의 도움 없이도 시공간적 구획화를 이룬다. 이러한 응축물은 환경적 또는 발달적 신호에 따라 분자 간 상호작용을 동적으로 재구성할 수 있게 하며, 세포의 적응성과 가변성을 가능하게 한다. 그러나 동물이나 효모에서 활발히 연구되어 온 생체분자 응축물의 작용 원리와 생리학적 의의는 식물의 발달 과정에서는 아직 충분히 밝혀지지 않았다. 본 논문은 애기장대에서 일어나는 두 가지 주요 발달 전환인 개화와 노화를 모델로 하여, 이 과정들이 생체분자 응축물에 의해 어떻게 조직화되는지를 규명하고, 환경 인식이 발달 조절로 연결되는 분자적 원리를 탐구하였다. 첫 번째 연구에서는 광주기 신호를 통합하여 개화를 조절하는 GIGANTEA (GI) 단백질의 상분리 현상을 규명하였다. GI는 광주기 의존적 개화를 조절하는 중심 단백질로 알려져 있으나, GI 응축체가 막이 없는 액상 응축체인지, 그리고 이러한 물성이 온도 의존적 개화에 어떻게 작용하는지는 명확히 알려지지 않았다. 본 연구는 GI가 식물 특이적 핵 응축체를 형성함을 보였으며, 이는 액상 특성 및 가역적 융합과 광표백 후 회복(FRAP) 등의 동적 특성을 나타내었다. GI의 내재적 무질서 영역(intrinsically disordered region, IDR) 이 상분리를 유도하는 핵심 영역으로 확인되었고, FLAVIN-BINDING, KELCH-REPEAT, F-BOX 1 (FKF1) 이 고온이나 청색광 조건에서 GI 응축체를 해체시켜, 개화 억제 단백질 SHORT VEGETATIVE PHASE (SVP)의 분해를 촉진함으로써 온도 의존적 개화를 유도함을 밝혔다. 이러한 결과는 GI 응축체가 환경 자극을 발달적 반응으로 변환하는 온도 감응성 생체분자 응축물로 기능함을 보여준다. 두 번째 연구에서는 엽록체 기능 전환을 조절하는 긴 비번역 RNA (long noncoding RNA) CHLORELLA의 역할을 규명하였다. 엽록체는 잎 노화 과정에서 동화 기관에서 분해 기관으로 전환되며, 이를 통해 생식기관으로의 영양분 재분배가 이루어진다. 본 연구는 CHLORELLA가 엽록체 RNA 중합효소(PEP) 복합체의 핵심 구성요소인 FLN1과 rpoA, 그리고 RNA 헬리케이스 RH3와 물리적으로 결합함을 RNA 풀다운 및 질량분석을 통해 확인하였다. 또한, 새로 개발된 파라핀 절편 기반 단일분자 형광제자리혼성화(single-molecule FISH) 및 MS2–MCP 기반 엽록체 단일 RNA 이미징 시스템을 이용하여 CHLORELLA 전사체가 엽록체 내부에서 점상 RNA 신호로 관찰되었으며, FLIM-FRET 분석을 통해 FLN1과 직접 상호작용함을 입증하였다. CHLORELLA 발현의 변화는 rpoA 복합체의 크기와 안정성을 변화시켜, CHLORELLA가 엽록체 전사 복합체를 조립하고 안정화하는 RNA 스캐폴드로 작용함을 시사하였다. 이상의 연구를 통해, 식물의 발달 가소성이 단백질 응축체나 RNA 기반 복합체와 같은 생체분자 응축물에 의해 물리적으로 뒷받침됨을 밝혔다. GI–FKF1 응축체는 온도 신호를 개화 전환으로 연결하는 가역적 환경 감응 응축물의 예를 제공하며, CHLORELLA 매개 PEP 복합체 조립은 노화 과정 중 엽록체 기능 전환을 조절하는 RNA 기반 응축물의 예를 제시한다. 이러한 결과들은 생체분자 응축물이 식물에서 내·외부 신호를 발달적 전환으로 연결하는 보편적 물리 원리로 작용함을 보여준다.| Cells compartmentalize various biomolecules to effectively orchestrate biochemical reactions. Other than the conventional membrane-bound compartments, cells also employ membraneless compartments or biomolecular assemblies, to achieve spatial and temporal compartmentalization of biochemical reactions without the use of membranes. Such assemblies enable cells to dynamically reorganize molecular interactions in response to environmental or developmental cues. Although these assemblies have been extensively studied in animals or yeast, their physiological significance in plant development is still poorly understood. This thesis investigates how distinct biomolecular assemblies organize two major developmental transitions in Arabidopsis thaliana, including flowering and leaf senescence, and studies how biomolecular assembly-based mechanisms connect environmental sensing to developmental regulation. GIGANTEA (GI) is a circadian clock hub protein in Arabidopsis that integrates light and photoperiodic cues to promote flowering. Despite its well-established role in photoperiodic regulation, it is still elusive whether GI functions in temperature-dependent flowering and how its subcellular organization contributes to this process. In the first part of the thesis, GI is shown to form plant-specific nuclear condensates with liquid- like characteristics, exhibiting dynamic fusion and fluorescence recovery after photobleaching. The intrinsically disordered medial domain of GI was identified as the key driver of its liquid-liquid phase separation (LLPS). The blue-light receptor FLAVIN-BINDING, KELCH-REPEAT, F-BOX 1 (FKF1), a known binding partner of GI, was found to act as a molecular regulator that disperses GI condensates upon high temperature or blue light illumination. This dispersion facilitates the GI–FKF1-mediated degradation of the floral repressor SHORT VEGETATIVE PHASE (SVP), thereby enabling thermal induction of flowering. These findings establish that GI condensates function as temperature-sensitive biomolecular assemblies linking environmental signals to developmental outcomes. Beyond flowering, leaf senescence also serves as an important developmental transition in which chloroplasts shift from photosynthetic to catabolic states, recycling nutrients to support reproduction. While the coordination between the nucleus and chloroplast during senescence has been described in previous studies, the molecular mechanisms on how long noncoding RNAs couple these organelles remain elusive. In the second part of the thesis, the chloroplast-targeted long noncoding RNA CHLORELLA has been identified as a key regulator of chloroplast function during leaf ageing. CHLORELLA physically associates with core components of the plastid-encoded RNA polymerase (PEP) complex, such as FLN1 and rpoA, and stabilizes its assembly. Using a newly developed paraffin-sectioning-combined single-molecule fluorescence in situ hybridization and a chloroplast-translocating MS2–MCP live-cell single RNA imaging system, CHLORELLA transcripts were visualized within chloroplasts as discrete RNA spots, where they interact directly with FLN1 as confirmed by FLIM-FRET microscopy. Perturbation of CHLORELLA abundance altered the size and integrity of rpoA assemblies, consistent with its role as an RNA scaffold assembling chloroplast transcriptional machinery. Together, these studies demonstrate that biomolecular assemblies underpin plant developmental plasticity. The GI–FKF1 condensate exemplifies a reversible, environmentally responsive assembly that links temperature to floral transition. Regulation of chloroplast PEP complex by long noncoding RNA CHLORELLA was shown to be critical in chloroplast function during leaf senescence. These findings highlight biomolecular assemblies as a global physical principle governing developmental transitions in response to internal or external signals in plants.