Regulation of Mitochondrial Morphology by ERK1/2-Mediated Control of Mfn2 Stability

Abstract

미토콘드리아는 세포 내 에너지 생산뿐만 아니라 세포의 삶과 죽음을 포함한 세포의 운명 결정과 직결된 다양한 생명활동에 관여하고 있으며, 미토콘드리아의 형태(morphology) 조절이 세포의 항상성(homeostasis) 유지에 필수적이라는 사실이 차츰 밝혀지고 있다. 미토콘드리아의 형태는 Mitofusin 1(Mfn1), Mitofusin 2(Mfn2), Optic atrophy protein 1(Opa1), Dynamin related protein 1(Drp1), Fission protein 1(Fis1) 등의 미토콘드리아 형태조절 단백질(mitochondria-shaping protein)이 관여하는 미토콘드리아 융합-분열 기구(mitochondrial fusion-fission machinery)에 의해 정교하게 조절되고 있다. 이러한 형태조절 단백질들이 어떻게 분자 수준에서 조절 되어 그들의 역할을 수행하는지에 관해서는 아직 명확하지 않다.

본 연구는 동일한 종류의 primary 배양세포에서ERK1/2의 활성화 정도에 비례하여 미토콘드리아가 짧아지는 현상의 발견으로부터 연구를 시작하게 되었다. ERK1/2는 외부의 다양한 자극에 반응하여 세포성장, 증식, 분화 및 세포의 생(生)과 사(死)를 조절하는 세포 내 필수 kinase 로 최근의 연구에서 ERK1/2가 미토콘드리아 외 막과 내막에 모두 국재(localization) 한다고 보고되었다. 이는 ERK1/2에 의한 신호전달과 미토콘드리아 간에 직접적인 상관관계가 있음을 시사한다.

따라서, 본 연구에서는 ERK1/2의 활성화와 미토콘드리아 형태조절과의 상관관계 규명을 연구목표로 하였다. 우선, ERK1/2활성을 저해 시켜서 미토콘드리아 형태에 미치는 영향을 관찰 하여 ERK1/2의 활성화와 미토콘드리아 형태조절간의 연관성을 확인해 보았다. 여러 종류의 세포에MEK/ERK 특이적 저해제인 PD98059를 처리하여 ERK1/2의 활성을 억제한 결과, 시험한 모든 세포에서 미토콘드리아가 길어지는 것을 확인 하였다. 이러한 ERK1/2의 활성 저해에 의한 미토콘드리아의 형태변화가 미토콘드리아 형태조절 단백질과 직접적으로 연관되어 있는지 분석한 결과, 미토콘드리아 융합(fusion)조절에 관여하는 Mfn2단백질의 특이적 증가를 확인하였다. 다음으로, ERK1/2활성 저해에 의해 Mfn2가 증가된 원인을 밝히기 위한 실험을 진행하였다. Mfn2의 증가가 mRNA 수준에서 유전자 발현(expression)의 증가에 의한 것인지 RT-PCR방법으로 확인하였고, 또한 Mfn2의 증가가 단백질 수준의 안정성(stability) 증가에 의한 것인지 단백질 분해 경로에 관여하는 유비퀴틴화(ubiquitination) 분석을 통하여 확인하였다. 결과적으로 PD98059처리에 의한 ERK1/2의 활성 저해는 유비퀴틴화 감소로 인한 Mfn2 단백질 수준의 안정성을 증가시킨다는 사실을 확인하였다. Mfn2의 유비퀴틴화 감소 원인을 확인 하기 위하여 지금까지 Mfn2의 유비퀴틴화에 관여하는 것으로 보고된 2 종류의 E3 ubiquitin ligase인 MARCH-V와 Parkin을 분석한 결과, PD98059처리에 의한 ERK1/2 활성 저해는 MARCH-V의 발현 감소를 유도 한다는 중요한 사실을 밝혔으며, 이는 MARCH-V의 발현 감소가 Mfn2의 유비퀴틴화 감소에 영향을 미쳤음을 시사한다.

결론적으로, ERK1/2의 활성 변화는 E3 ubiqiutin ligase인 MARCH-V의 발현 량에 영향을 미치고, 이로 인해 미토콘드리아 형태조절 단백질 Mfn2의 안정성의 변화를 가져와 결과적으로 미토콘드리아의 형태 변화를 초래한다는 사실을 밝혔다. 본 연구 결과는 세포의 항상성 유지에 필수적이라고 알려진 미토콘드리아의 형태조절이 ERK1/2 신호전달 경로에 의해 조절되고, 그 균형이 유지되고 있음을 시사한다. 본 연구는 미토콘드리아 형태조절에 의해 매개 되는 다양한 생명현상의 이해 증진에 기여 할 것으로 생각된다.