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Role of ER exit sites in GRASP-mediated unconventional secretion pathway

Authors
 He Piao 
Issue Date
2017
Description
Dept. of Medical Science/박사
Abstract
Deletion of phenylalanine at position 508 of the transmembrane protein CFTR is the most common form of disease-causing CFTR mutation, results in protein misfolding and deficiency of expressing at the cell surface. It has been shown that ER-to-Golgi blockade or GRASP overexpression could activate ΔF508-CFTR to be rescued to the cell surface through a Golgi by-pass unconventional secretion pathway. However, it is entirely unknown how misfolded ΔF508-CFTR can exit the endoplasmic reticulum (ER) membrane. Here we show that Sec16A, the key regulator of ER exit sites (ERES) formation is involved in the initiation of unconventional secretion. We found that dysfunction of Sec16A abolished both conventional and unconventional secretion of CFTR but other COPII-related components did not. During the unconventional secretion, Sec16A associated with GRASP and synchronized its localization change with GRASP, indicating that Sec16A supported GRASP to assemble with ΔF508-CFTR at the ERES nearby the cell periphery. Moreover, IRE1α-mediated UPR was identified as an upstream regulator for Sec16A responding to ER stress associated with unconventional secretion. These findings highlight the novel function of Sec16A working as key regulator for ER stress associated unconventional secretion.


낭포성 섬유증 유발 세포막 단백질(Cystic Fibrosis Transmembrane Conductance Regulator, CFTR)은 생체 내 기도, 장, 췌장 및 외분비선 등 장기의 상피세포 선단 표면에서 염소이온 및 중탄산이온을 비롯한 음이온의 수송을 조절하는 중요한 단백질이다. CFTR의 508번째 페닐알라닌이 소실되는 ΔF508-CFTR돌연변이는 낭포성 섬유증(Cystic Fibrosis, CF)을 유발하는 가장 흔한 유전변이이다. 일반적인 CFTR 단백의 경우 소포체(Endoplasmic Reticulum, ER)-골지체(Golgi apparatus)간 수송을 거쳐 세포막에 도달하게 되지만 ΔF508-CFTR 돌연변이 단백의 경우 접힘 장애를 가지게 되어 소포체 품질검사를 통과하지 못하고 소포관련 분해기전(ER associated degradation, ERAD)을 통해 분해되는 것으로 알려져 있다.
소포체-골지체간의 단백질 수송을 억제하거나 소포체 스트레스를 유발할 경우 ΔF508-CFTR돌연변이 단백이 골지체를 우회하는 비전형적 이동경로(Unconventional secretory pathway)를 통해 세포막으로 수송되어 이온수송능력이 회복되고, 이는 GRASP (Golgi reassembly stacking protein) 에 의존적이라는 것이 선행 연구에서 보고된 바 있다. 또한 소포체 스트레스를 유발하지 않더라도 GRASP의 과발현에 의해서도 비전형적 이동경로를 통한 ΔF508-CFTR 돌연변이 단백의 수송과 기능이 회복되는 것이 세포 및 생쥐모델을 통해서 확인되었다. 그러나 현재까지 접힘 장애가 있는 ΔF508-CFTR이 어떻게 소포체에서 떠나 비전형적 이동경로를 통하여 세포막에 도달하는 지에 대한 정확한 기전은 밝혀진 바 없다. 따라서 본 연구에서는 이러한 기전을 밝히는 것을 주요 연구 목표로 하였다.
본 연구를 통해 소포체 출구부위(ER exit sites, ERES)에 존재 하며 소포체 출구부위의 형성에 핵심적인 역할을 하는 Sec16A라는 단백이 비전형적 단백수송의 시작단계에서도 중요한 역할을 수행함을 밝혔다. Sec16A의 기능을 억제한 경우 CFTR 의 전형적 수송 및 비전형적 수송이 모두 봉쇄됨을 통해서 Sec16A 가 CFTR 의 전형적 수송뿐만 아니라 비전형적 수송에도 관련이 있음을 확인하였다. 특히ΔF508-CFTR 의 비전형적 수송을 일으키는 조건에서 Sec16A는 GRASP55와 결합하며 세포내 분포도 GRASP55와 같이 세포핵 주변 으로부터 세포막 근처로 이동한다는 것을 공초점 형광현미경을 이용한 이미지 관찰을 통하여 알 수 있었다. 이는 Sec16가 비전형적 단백수송경로에서 GRASP55와 ΔF508-CFTR를 세포막 가까운 부위에서 새로 생성된 소포체 출구부위에서의 결합을 돕는 스캐폴드(scaffold)로서의 역할을 수행함을 시사한다. 또한, IRE1α 에 의해 매개되는 비접힘 단백질 반응(Unfolded protein response, UPR) 신호가 이러한 Sec16A 의 작용에 관여하는 상위조절 인자임을 확인하였다.
이상의 결과를 통하여 비전형적인 단백수송경로를 통한 ΔF508-CFTR의 세포막 발현은 Sec16A에 의존적이라는 것을 밝혔으며 이는 낭포성 섬유증, 췌장염을 비롯한 단백 접힘 이상으로부터 기인하는 여러 질환들의 치료제 개발에 있어서 새로운 대안을 제시할 것으로 기대된다.
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1. College of Medicine (의과대학) > Others (기타) > 3. Dissertation
URI
https://ir.ymlib.yonsei.ac.kr/handle/22282913/154981
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