The function of deubiquitinating enzyme USP15 in regulating adipogenesis

Abstract

번역 후 변형 (post-translational modification, PTM) 은 세포 내에서 단백질 합성이 끝난 후 발생하는 단백질의 구조적 변형을 의미하며, 여러 번역 후 변형의 종류 중 탈 유비퀴틴화 효소 (deubiquitinating enzyme) 에 의해 일어나는 탈 유비퀴틴화 (deubiquitination) 는 유비퀴틴화 (ubiquitination) 를 무효화 함으로써 주로 단백질의 안정성을 조절한다고 알려져 있다. 탈 유비퀴틴화 효소 중 하나인 USP15는 주로 TGF-beta 수용체 신호전달경로의 중요 조절인자로 작용한다고 알려져 있고, 이와 관련하여 주로 종양과 TGF-beta 신호전달과 관련해서 많은 연구가 진행되었으며 지방세포와 관련된 연구는 거의 이루어 지지 않았다. 선행연구로 지방세포를 분화시켜 여러 탈 유비퀴틴화 효소들을 스크리닝 하였을 때, USP15의 발현이 지방세포의 분화가 진행되는 동안 증가하는 것을 확인하였다. 또한, 정상 식이를 한 마우스에 비해 고지방 식이로 비만을 유도한 마우스의 지방조직에서 USP15의 발현이 증가해 있는 것을 관찰할 수 있었다. 본 논문에서는 USP15가 지방세포의 분화를 어떻게 조절하는지에 대한 연구를 진행하였다. 마우스의 여러 조직에서 USP15의 발현 정도를 분석한 결과, 대사와 관련된 지방조직들에서 USP15가 상대적으로 높게 발현되는 것을 확인하였다. 또한 3T3-L1 지방세포에서 USP15 의 발현을 억제하면 지방세포의 분화가 감소하는 것을 관찰하였고, 이와 함께 지방세포 분화와 지방축적에 관련된 유전자들인 PPARg, C/EBPb, FABP4와 FASN 의 발현 또한 감소한 것을 확인하였다. 그리고 지방세포를 분화하는 과정에 관여하는 glucocorticoid receptor 의 agonist 인 dexamethasone 을 처리하였을 때, USP15의 전사 정도가 증가하는 것을 확인할 수 있었다. USP15의 지방세포 분화 조절 기전을 밝히기 위해 상호작용체 분석을 진행한 결과, 지방세포의 분화과정에서 중요한 역할을 한다고 알려진 전사인자인PPARg와 USP15가 상호결합을 하는 것을 예측할 수 있었고 이를 면역 침강법을 통해 실험적으로 확인하였다. 또한 USP15의 발현을 억제했을 때 PPARg의 발현이 감소하고, 탈 유비퀴틴화가 감소하였으며 반대로 USP15가 과발현 되었을 때 PPARg의 탈 유비퀴틴화가 증가한 것을 관찰하였으며 이를 통해 USP15가 PPARg의 단백질 안정성을 조절함으로써 지방세포의 분화에 영향을 준다는 것을 확인할 수 있었다. 앞선 연구 결과들을 통하여 USP15의 지방세포 분화 조절 기전과 함께 USP15가 비만치료를 위한 좋은 타겟이 될 가능성을 제시하였다.

Ubiquitin specific peptidase 15 (USP15) is an enzyme that is encoded by the Usp15 gene. USP15 is a member of deubiquitinating enzyme (DUB) which plays a critical role in ubiquitin-dependent processes through polyubiquitin chains disassembly and hydrolysis of ubiquitin-substrate bonds. This enzyme is mainly located in the nucleus and widely known to act as a key regulator of TGF-beta receptor signaling pathways. But in metabolism, the function of USP15 is not fully understood. In this study, we determined the mechanism how USP15 regulates adipocyte differentiation. The expression level of USP15 was upregulated in adipose tissues of high-fat diet fed mouse and the mRNA expression level of this enzyme was higher on metabolic tissues compared to other tissues. Furthermore, the expression level of USP15 was increased during adipogenesis process. We found that glucocorticoid receptor binding sites are existing in the USP15 promoter region and as expected, dexamethasone, the glucocorticoid receptor agonist, treatment led to the increased luciferase activity. When USP15 was knock downed, adipocyte cells differentiation was inhibited and adipogenic markers, proliferator-activated receptor (PPAR)-g, ccaat enhancer binding protein (C/EBP) b, fatty acid binding protein (FABP) 4 and fatty acid synthase (FASN) expressions were also suppressed. To identify the interaction partner of USP15, we conducted proteomics analysis and PPARg, which is a master regulator of adipogenesis and adipocyte functions, was predicted. By immunoprecipitation assay, we found out that PPARg interacts with USP15. Furthermore, from the ubiquitination assay, we investigated that USP15 deubiquitinates PPARg and blocks the degradation of this protein. Accordingly in knock down and overexpression studies, when USP15 is deficient or overexpressed, PPARg expression level also decreased and increased which demonstrates that USP15 regulates PPARg protein stability. Collectively, these results suggest that USP15 is an important regulator for the adipocyte differentiation process. Also our findings raise the possibility that USP15 might be a potential therapeutic target in obesity.