CXCR4와 ETBR의 상호작용 연구

Abstract

Chemokine receptor인 CXCR4는 각종 암에서 전이(metastasis), 증식(proliferation), 신생 혈관 생성(angiogenesis) 등을 촉진하는 주요한 원인으로 지적되고 있다. 이러한 이유로 CXCR4를 직접 저해하는 다양한 약물들이 개발되었지만 CXCR4를 직접 표적하는 약물들에 의한 심각한 부작용이 보고되면서 암치료를 위한 약물로 승인 및 사용되지 못하고 있다. 따라서 GPCR hetermomerization 특성을 이용해 CXCR4와 heteromer를 형성하는 또다른 GPCR을 통해 CXCR4의 기능을 조절하는 새로운 접근법을 시도해보기로 하였다. 이러한 새로운 접근을 위해 CXCR4와 heteromerization을 하는 또다른 종류의 GPCR로 Endothelin Receptor type B (ETBR)을 선정하고 Bimolecular Fluorescence Complementation (BiFC)와 Bioluminescence Resonance Energy Transfer (BRET)을 통해 두 GPCR 간의 물리적 결합에 따른 heteromer 형성 가능성을 확인하였다. CXCR4와 ETBR 이 함께 발현하는 조건에서 동시에 활성화되면 세포 내 Ca2+ 수준이 비약적으로 증가하는 현상을 확인하였다. 또한, CXCR4와 ETBR 이 함께 발현할 때 endothelin-1 자극에 의해 CXCR4로의 β-arrestin1과 β-arrestin2 recruitment가 증가하며, CXCR4가 세포 내로 internalization 되는 현상을 확인하였다. 하지만 CXCR4와 ETBR이 함께 발현하고 있는 MDA-MB-231 세포주에서 ligand에 의해 촉진되는 migration에서 특별한 변화를 관찰하지 못하였다. GPCR heteromerization 관점에서 GPCR 기능 변화 및 조절에 대한 접근은 GPCR이 갖는 기능적 다양성에 대한 이해를 넓히는데 기여하고, 질병에 대한 효과적인 치료 방법을 모색하는데 도움이 되며, 제약 산업적으로도 큰 이익 창출을 기대할 수 있을 것이다.

Chemokine receptor CXCR4 has been reported as a major contributor of metastasis, proliferation, and angiogenesis in various cancers. For this reason, a variety of drugs have been developed that directly impede the function of CXCR4, but have not yet been approved for use as a cancer drug due to reports of serious side effects. Therefore, we decided to take a new approach to indirectly modulate the function of CXCR4 through another GPCR that forms a heteromer with CXCR4. In this context, Endothelin Receptor Type B (ETBR) was selected as one of the counterpart GPCRs that heteromerizes with CXCR4. First, the possibility of heteromer formation due to physical interaction between CXCR4 and ETBR was confirmed through Bimolecular Fluorescence Complementation (BiFC) and Bioluminescence Resonance Energy Transfer (BRET). And it was confirmed that the intracellular Ca2+ level synergistically increases when CXCR4 and ETBR are simultaneously activated under co-expression condition. Furthermore, when CXCR4 and ETBR were expressed together, β-arrestin1 and β-arrestin2 recruitment to CXCR4 were increased upon stimulation by endothelin-1. No particular changes were observed in migration assay carried out in MDA-MB-231 cell line constituently expressing CXCR4 and ETBR. From the perspective of GPCR heteromerization, access to GPCR functional changes and regulation will contribute to a more comprehensive understanding of the functional diversity of GPCR, help to discover effective treatment for diseases, and can also be expected to generate significant benefits in the pharmaceutical industry.