Studies on the Transcriptional Regulation of Glucose Starvation Induced autophagy by PHF20

Abstract

Autophagy is a catabolic pathway that maintains cellular homeostasis under various stress conditions, including conditions of nutrient deprivation. To elevate autophagic flux to a sufficient level under stress conditions, transcriptional activation of autophagy genes occurs to replenish autophagy components. Thus, the transcriptional and epigenetic control of the genes regulating autophagy is essential for cellular homeostasis. Here, I applied integrated transcriptomic and epigenomic profiling to reveal the roles of plant homeodomain finger protein 20 (PHF20), which is an epigenetic reader possessing methyl binding activity, in controlling the expression of autophagy genes. Phf20 deficiency led to impaired autophagic flux and autophagy gene expression under glucose starvation. Interestingly, the genome-wide characterization of chromatin states by Assay for Transposase-Accessible Chromatin (ATAC)-sequencing revealed that the PHF20-dependent chromatin remodelling occurs in enhancers that are co-occupied by dimethylated lysine 36 on histone H3 (H3K36me2). Importantly, the recognition of H3K36me2 by PHF20 was found to be highly correlated with increased levels of H3K4me1/2 at the enhancer regions. Collectively, these results indicate that PHF20 regulates autophagy genes through enhancer activation via H3K36me2 recognition as an epigenetic reader. Our findings emphasize the importance of nuclear events in the regulation of autophagy.

오토파지는 세포내 항상성을 유지하기 위해 불필요한 단백질이나 손상된 소기관을 제거하는 작용으로 영양 결핍 상황과 같은 세포 스트레스 상황에서 오토파지는 매우 높은 수준으로 증가하여 세포를 보호하는 역할을 수행한다. 오토파지는 세포의 생존이나 외부 환경으로부터의 피해를 보호하는데 중요한 역할을 수행하므로, 오토파지가 제대로 일어나지 않는 경우 당뇨, 암, 신경퇴행질환과 같은 심각한 질병이 유발된다. 오토파지가 진행됨에 따라, 오토파고좀을 형성하는 단백질 구성성분들은 라이소좀에 의해 급격히 분해되기 시작한다. 따라서 스트레스 상황에서 오토파고좀의 생성과 충분한 오토파지 흐름을 유지하기 위해서는 오토파고좀 구성 단백질들의 유전자 발현이 증가되어야 한다. 유전자 발현은 전사인자들 뿐 아니라 크로마틴 리모델링 인자들에 의해 변형되는 크로마틴 구조를 통해서도 조절된다. 히스톤 꼬리에 일어나는 전사 후 변형과정들은 종류에 따라 전사 활성 혹은 억제와 연관된 크로마틴 구조 변화를 촉진시킨다. 활성화된 프로모터 부위는 H3K4me3로 표시되어 있고 활성화된 인핸서 부위는 H3K4me1 혹은 H3K27ac 와 연관되어 있으며 헤테로크로마틴 부위는 H3K9me3로 표시되어 있다. 특정한 히스톤 표지를 유도하거나 제거하는 효소들은 다양한 세포 상태에 적합한 히스톤 변형을 유도하기 위해 매우 엄격하게 조절된다. 예를 들어, 포도당 결핍 상황에서 H3R17me2는 coactivator-associated arginine methyltransferase 1 (CARM1)에 의해 유도되며 이를 통해 TFEB의 목표 유전자들을 활성화시킨다. 반면 포도당 결핍상황에서 일어나는 males absent on the first (MOF)의 히스톤 아세틸화 활성 감소와 sirtuin 1의 활성화로 인해 히스톤 H4K16ac은 감소한다. 이와 같은 효소의 작용뿐 아니라 후성유전학적 인지 단백질들이 특정한 히스톤 변형을 인식하고 다른 구조체들을 해당 부위로 불러온다는 점에서, 후성유전적 인지 단백질들의 작용 기전을 밝히는 것 역시 오토파지 유전자 조절의 통합적인 이해를 위해 반드시 필요하지만 현재까지는 많은 연구가 진행되어 있지 않은 상황이다. PHF 계열 단백질 중 하나인 PHF20은 두개의 Tudor 도메인과 하나의 planthomeodomain (PHD)을 가지고 있다. MOF-nonspecific lethal (NSL) 복합체의 핵심 구성 인자중 하나로써, PHF20은 히스톤 혹은 히스톤 외 다른 전사 조절 단백질의 메틸화를 인지하여 목표 프로모터로 NSL 복합체를 위치시키고 해당 부위에 히스톤 H4 아세틸화를 유도하는 것이 알려져 있다. PHF20 결손 마우스의 경우 대부분 태어난 지 얼마 지나지 않아 사망하며 생존한 성체도 야생형에 비해 상대적으로 작은 크기를 나타내는데 흥미롭게도 오토파지가 제대로 일어나지 않는 마우스에서도 유사한 표현형이 나타난다. 이 연구를 통해, PHF20 결손이 포도당 결핍 상황에서 오토파지를 유지하는데 문제를 일으킨다는 것을 밝히고 오토파지 상황에서 PHF20의 후성 유전적 조절 과정을 새롭게 밝혔다.