RhoA-ROCK Downregulates Akt phosphorylation through PTEN in Cells Poorly Attached to Substrates

Abstract

혈액에 떠있는 혈구세포나 전이 능력을 가진 종양세포를 제외한 대부분의 세포는 기질이나 인접한 세포에서 충분한 부착신호를 제공받지 못하면 충분한 성장인자 신호가 제공됨에도 불구하고 세포증식률이 감소하며, 기질로부터 완전히 분리되면 결국 죽게 되는 부착의존성(anchorage-dependency)의 특징을 보인다. 이와 같이 세포부착신호는 세포의 생존과 증식 같은 세포 활성을 유지하는데 있어서 필수적인 신호이다. 그럼에도 불구하고, 아직까지 세포의 이러한 부착의존성에 대한 분자기작은 완전히 밝혀져 있지 못한 실정이다. 본 연구는 정상 세포가 기질로부터 적절한 부착신호를 받지 못했을 경우 대표적으로 나타나는 현상인 낮은 세포 증식률과 관련하여 이러한 현상을 조절하는 분자 기전을 좀 더 근본적으로 이해하는데 목적을 두었다. 본 실험 연구를 통해 세포 증식과 같은 세포 활성도는 세포의 기질 부착 강도와 비례적으로 나타났고, 이와는 정반대로 Small GTPase RhoA (RhoA) 의 활성도는 세포의 기질 부착 강도에 따라 역으로 상관 관계를 보이는 것이 확인 되었다. 이러한 RhoA 활성조절은 부착 신호가 약한 표면에서 증식하는 세포의 증식률에 서로 반비례적으로 영향을 미치는 것을 확인되었다. 추가적으로 약한 기질 부착 세포에서 높아진 RhoA 활성은 그것의 대표적인 하위 분자 (down-stream Molecule) 인 Rho-associated, coiled-coil containing protein kinase (ROCK) 의 활성을 높였고, 단계적으로 ROCK 분자의 하위 분자 중 하나인 Phosphatase and Tensin Homologue Deleted on Chromosome 10 (PTEN) 의 활성과 그것의 레벨 또한 높이고 있다는 것이 확인되었다. 요약하자면, 세포의 기질 부착강도에 따라서 흥미롭게도RhoA, ROCK, PTEN 세포 신호 전달 축의 활성이 상당히 역동적으로 조절 되고 있었다. 특히 PTEN는 잘 알려진 강력한 종양 억제 분자로, 일반적으로 성장인자에 의해 활성화 되는 RTK(Receptor Tyrosine Kinases)-PI3K(Phosphatidylinositol 3-kinases)-AKT 세포 신호 전달 축을 억제하여 비정상적인 세포의 생존과 증식을 조절하는 역할로 보고 되어지고 있다. 본 연구 결과를 바탕으로 부착 신호가 약한 경우 강하게 활성화 된 RhoA-ROCK-PTEN 세포 신호 전달로 인해 세포 증식에 있어 필수적이라 할 수 있는 RTK-PI3K-AKT 신호전달 축이 원활하게 작동하지 못하게 되고, 결과적으로 정상적인 세포 증식이 이루어 지지 못하고 있음을 확인하였다. 추가적으로 이러한 세포 부착 신호에 있어 RhoA 활성을 조절하는 게 아마도Focal Adhesion Kinase (FAK) 에 의한 것으로 관찰 되었다. FAK 분자는 세포 부착 정도를 나타내어 주는 마커(Marker)로 세포가 기질에 부착 시 매개로 작용하는 integrin 에 의해 직접적으로 활성화 되는 분자(Molecule)이다. 이러한 FAK 은 이전 다른 연구 보고들에서 RhoA의 상위 억제자 중에 하나인 p190RhoGAP 을 활성화 시켜RhoA 를 간접적으로 억제한다고 알려져 있다. 본 연구 결과 세포와 기질의 부착이 적절히 이루어 지면 FAK 의 활성이 높아지면서 빠르게 RhoA의 활성 낮추는 반면, 부적절한 세포-기질 부착이 이루어지는 조건에서는 충분한 FAK 의 활성이 높아지지 못해 RhoA 의 활성이 적절하게 억제 되지 하는 것이 확인 되었다. 결론적으로 RhoA-ROCK-PTEN 신호 체계를 억제하면 부착신호가 약한 표면인데도 불구하고 놀랍게도 정상표면에서의 세포와 유사한 정도까지 AKT 활성과 세포 증식이 향상 되었다. 이상의 결과들로 비추어 RhoA-ROCK-PTEN 세포 신호 전달 축은 세포의 부착 신호가 미약한 경우 강하게 활성화 되어 세포 활성을 억제하는 세포의 부착 의존성을 제어하는 분자 스위치임을 가리킨다.

Survival and proliferation of anchorage-dependent cells such as osteoblasts and fibroblasts require an attachment of cells to substrates. Thus, cells that poorly attached to substrates exhibit retarded cell cycle progression or apoptotic death. This study investigated the molecular mechanism underlying the reduced proliferation rate of the cells that poorly attached to the substrates. There was an inverse relationship between the activity of the small GTPase RhoA (RhoA) and the cell proliferation rate. The RhoA activity correlated inversely with the strength of cell adhesion to the substrates. The high RhoA activity in the cells poorly attached to substrates caused an increase in the activity of Rho-associated kinase (ROCK), a well-known effector of RhoA that upregulated the activity of phosphatase and tensin homolog (PTEN). The resulting activated PTEN downregulated Akt activity, which is essential for cell proliferation. Thus, the cells that poorly attached to substrates showed low levels of cell proliferation because the RhoA-ROCK-PTEN pathway was hyperactive. In addition, RhoA activity seemed to be related to focal adhesion kinase (FAK) activity. Weak FAK activity in the poorly attached cells failed to downregulate the high RhoA activity that restrained cell proliferation. Interestingly, reducing the activity of any component of the RhoA-ROCK-PTEN pathway rescued the proliferation rate without physicochemical surface modifications. Based on these results, this study suggests that the RhoA-ROCK-PTEN pathway acts as a molecular switch to control cell proliferation and determine anchorage dependence.