Roles of Protein Complexes in TM4SF5-Enriched Microdomains in Cell Survival and Homeostasis.

Abstract

This study aims discovering the roles of TM4SF5-enriched microdomains for cell survival and homeostasis. TM4SF5 interacts with many proteins in plasma membrane or lysosomal membrane to form functional protein complexes. In plasma membrane, TM4SF5 form complexes with an amino acid transporter, CD98hc-xCT in response to ROS stimuli. TM4SF5-enriched microdomain in lung epithelial cell plasma membrane promotes cystine influx through CD98hc-xCT transporter in ROS stress conditions. It occurred by recruitment of CD98hc to plasma membrane mediated by TM4SF5 expression. TM4SF5 contributes to ROS resistance and cell survival of lung epithelial cells. TM4SF5-enriched microdomain formation increases cell survival of type 2 pneumocyte during lung fibrosis progression. In addition, TM4SF5-enriched microdomain formed in lysosome. TurboID-based proteomics study reveals lysosomal TM4SF5 forms contact sites with mitochondria. Furthermore, lysosome-mitochondria contact sites with TM4SF5, proteins related with autophagy pathway are gathered. TM4SF5-enriched microdomain formation increased in glucose sufficient conditions. Furthermore, TM4SF5 induces mitochondria fission in glucose sufficient conditions and changes metabolic status, impaired mitochondria respiration. This study identifies functional protein complexes related with TM4SF5 in plasma membrane and lysosome for cell survival and homeostasis.

세포막에는 여러 단백질이 단백질 결합체를 이루며 신호전달 기능을 발휘하는 microdomain을 형성한다. Tetraspanin과 유사한 단백질인 TM4SF5의 경우에도 세포 막에서 다양한 단백질체 구성을 통해 microdomain을 형성하여 외부와 내부의 환경 변화에 따른 세포 내의 항상성을 유지하는 데 역할을 한다. 본 연구는 세포막과 lysosome에서 형성되는 TM4SF5-enriched microdomain을 구성하는 단백질들을 밝히고, 세포의 생장과 항상성 유지에 어떠한 역할을 하는지에 관함이다. 세포막에서의 TM4SF5-enriched microdomain 연구를 위해 폐 상피 세포를 이용하였고, 이를 통해서 폐 섬유화 모델에서 TM4SF5와 결합하는 단백질들을 확인하고 그에 따른 microdomain의 역할을 연구하였다. 폐 상피세포의 TM4SF5 단백질은 세포막에서 아미노산을 수송하는 CD98hc, xCT, 그리고 CD44v8-10과 결합하는 것을 확인하였다. CD98hc와 xCT는 서로 결합하여 하나의 아미노산 수송체를 만드는데, 이 수송체는 세포 내부로 cystine을 수송한다. Cystine은 세포 내부에서 cysteine으로 분해가 되고, 여러 metabolite들로 변환되는데 그 중에서 세포 내에서 항산화제 역할을 하는 GSH(Glutathione)을 만드는 데 필수적이다. 또한 CD44v8-10은 CD98hc-xCT 수송체의 단백질 안정성을 높여주는 것으로 확인되었다. TM4SF5 단백질은 이들과 microdomain을 형성하여서 ROS가 많은 환경에서 세포 내부의 GSH 합성이 잘 이루어지도록 도와줌으로써 세포의 생장을 돕고 ROS와 관련한 세포 항상성을 유지하는데 도움을 준다는 것을 확인할 수 있었다. 특히 TM4SF5 단백질은 CD98hc가 세포막에서 위치하도록 잡아주는 역할을 하였다. TM4SF5는 또한 간 상피세포에서도 질병 상황에서 많이 발현되며, 특히 간 상피세포의 리소좀에서 세포 대사와 관련하여서 역할을 한다고 알려졌다. 세포 대사를 조절하는 TM4SF5 단백질이 lysosome에서 어떤 microdomain을 형성하는지 알기 위해서 turboID를 이용하여 단백질을 레이블한 후 LC/MS로 분석하여 단백질 후보군을 얻었다. 그 결과 TM4SF5는 세포막, lysosome 외에도 mitochondria 단백질들과 인접해 있다는 것을 확인하였다. 공초점 현미경과 전자 현미경을 이용해서 TM4SF5 단백질이 lysosome에 위치하면서 mitochondria와 근접하는 부분을 확인할 수 있었다. 세포 소기관들은 소기관들 사이의 접촉과 의사소통이 존재하는데, lysosome과 mitochondria 역시 세포 내에서 많은 접촉을 이루며 특히 TM4SF5 단백질이 존재하는 lysosome-mitochondria contact에는 autophagy, microtubule에 연관성이 있는 단백질이 존재함을 확인하였다. TM4SF5는 또한 lysosome -mitochondria contact이 많이 형성되게 역할을 하는 것을 확인하였고, TM4SF5 단백질의 mitochondria와의 contact은 glucose가 처리됨에 따라 향상되었다. Glucose가 처리되어 많은 환경에서 mitochondria는 fission이 일어나서 조각이 나게 되는데, lysosome에서 형성되는 TM4SF5-enriched microdomain에 의해서 더 촉진됨을 확인할 수 있었다. 이로 인한 세포 대사에 변화하여 미토콘드리아 기능 억제되어 TM4SF5 발현 간 세포주 또는 TM4SF5 발현하는 마우스에서 얻은 간 상피세포의 mitochondria 호흡 능력이 떨어져 있음을 확인하였다. 결론적으로 TM4SF5-enriched microdomain은 세포의 생장과 에너지 항상성 유지에 역할을 함을 본 연구에서 확인할 수 있었다.