Nrf2 활성을 조절하는 세포 표면 신호 및 약물학적 응용

Abstract

Nuclear factor erythroid-2-related factor 2 (Nrf2)는 항산화 유전자의 유도발현에 영향을 주는 대표적인 전사인자로 간, 폐, 소화기관, 뇌, 피부 등 인체 주요 조직에 분포한다. 따라서 산화적 스트레스에 의한 Nrf2활성화는 주요 조직의 세포 보호 및 생존과 연관된다. 지금까지 Nrf2 활성 조절의 기전 연구는 직접적인 산화적 스트레스 자극에 집중되었으며, 상대적으로 세포 표면 신호 전달에 의한 Nrf2활성 조절의 분자기전 연구는 미흡하였다. 본 연구는 세포 표면 수용체군인 G단백질 결합 수용체 (GPCR) 하위 Galpha12/Galpha13 및 세포 표면 세포간 접착 단백질인 E-cadherin 의한 Nrf2 활성 조절 및 그 분자적 기전을 규명하고자 하였으며, 전이성 암세포의 항암제 저항성과 관련된 핵심 신호로써 Nrf2를 제시하고자 하였다. GPCR 표면신호를 전달하는 Galpha 단백질 중Galpha12/Galpha13은 세포의 이동성 및 actin stress fiber 형성에 중요한 역할을 담당한다. 이에 산화적 스트레스에 의한 Nrf2 활성화 과정에 actin cytoskeletal rearrangement가 관여됨을 바탕으로 Galpha12/Galpha13에 의한 Nrf2 조절 가능성 및 기전을 연구하였다. Galpha12 또는 Galpha13 유전자 결손 및 활성형 플라스미드 과발현 실험을 통해 Galpha12/Galpha13 신호가 차별적으로 Nrf2 활성을 조절함을 관찰하였다. Galpha13은 하위 Rho-PKCdelta 신호 전달을 통해 Nrf2의 활성형 인산화인serine 40번 인산화를 일으켜 Nrf2 활성을 증가시켰으며, 이 현상은 Galpha12 신호에 의해 억제적으로 조절되었다. GPCR과 함께 세포막에서 발현되는 E-cadherin은 세포-세포 접착의 기능을 담당하는 단백질로 catenin과의 결합을 통해 actin cytoskeleton 형성을 조절한다. E-cadherin에 의한 Nrf2의 활성 조절 가능성 및 관련 기전에 관한 연구를 수행한 결과, E-cadherin의 과발현에 의해 Nrf2의 핵내 축적 및 Nrf2 의존성 항산화 유전자 발현이 억제되었다. E-cadheirn에 의한 Nrf2의 활성 억제 현상은 beta-catenin 을 매개한 E-cadherin과 Nrf2의 직접적 결합 및 E-cadherin과 Keap1의 직접적 결합에 의해 촉진된 Keap1 의존적 Nrf2 분해 증가에 기인함을 증명하였다. 또한, 간암세포주를 활용한 실험 결과, 전이성 암세포는 E-cadherin 발현 감소에 따른 Nrf2 활성화 및 항산화 유전자의 발현 증가를 통해 항암제 저항성을 획득함을 확인하였다. 종합할 때, Nrf2 활성은 세포 표면 수용체군인 GPCR과 연계되는 Galpha12/Galpha13 신호에 의해 차별적으로 조절되고, 세포간 접착 단백질인 E-cadherin에 의해 억제적으로 조절된다. 이상의 결과를 통해 산화적 스트레스를 인식하는 세포 표면 신호 및 하위 신호 전달 분자를 종합적으로 규명하였으며, 나아가 전이성 암세포의 항암제 저항성 획득에 있어 세포 표면 신호 신호 매개 Nrf2활성 조절의 역할을 제시하였다.

Nuclear factor erythroid-2-related factor 2 (Nrf2) is transcription factor responsible for the induction of antioxidant enzymes and is expressed widely in a variety of tissues. Therefore, Nrf2 play a crucial role in the cellular protection and cell survival against oxidative stress. Despite the well-known function of Nrf2, the upstream regulatory effectors that control Nrf2 from the cell surface have not been identified. This study investigated the regulatory effect of Galpha12/Galpha13, witch activated by downstream of GPCR, or E-cadherin, the membrane protein responsible for cell-cell adhesion, on Nrf2 activity and the underlying basis. Furthermore, this study provides evidence that chemoresistance of cancer cells by the loss of E-cadherin may be associated with Nrf2. Galpha12/Galpha13 have been shown to regulate a variety of cellular processes, such as actin-stress fiber formation. Our previous study has shown that oxidative stress induces actin-stress fiber formation for Nrf2 activation. So, this study investigated whether Galpha12/Galpha13 transmits signals to the regulatory processes of Nrf2. Here, the present study report that Galpha12/Galpha13 transmits differential signals for Nrf2 activation. Galpha13 regulates Rho-PKCdelta-mediated Nrf2 phosphorylation, which is negatively balanced by Galpha12. Cadherins are the proteins responsible for cell-cell adhesion, and E-cadherin regulates actin assembly and organization via interact with catenins. The data presented here revealed a novel inhibitory effect of E-cadherin on Nrf2; showing that E-cadherin may enhance Nrf2 and Keap1 interaction. Moreover, this study identified beta-catenin as a molecule necessary for complex formation of E-cadherin with Nrf2 and Keap1. In addition, resistance of the cancer cell lines to doxorubicin paralleled not only E-cadherin repression, but also Nrf2 expression level. In summary, Nrf2 activity is differentially regulated by Galpha12/Galpha13 and negatively regulated by E-cadherin. The present work revealed the regulatory signaling pathways from the cell surface responding to oxidative stress, and suggests that the loss of E-cadherin may promote tumor proliferation and metastasis by increasing the activity of Nrf2.