Krebs cycle 대사물에 의한 면역과 암에서의 신호전달 조절
2019-10-07
org.kosen.entty.User@30570fde
장현준(hjang)
1. 개요
대사적 리프로그래밍은 면역학과 종양학에서 질병의 기전을 이해하기 위한 새로운 방법으로 주목을 받고 있다. 최신의 많은 연구 결과들이 미토콘드리아 Krebs cycle의 중간산물과 파생물들이 생체에너지원과 생합성원료로써 사용될 뿐만 아니라 대사와 관련이 없는 신호전달의 기능도 가지는 것을 보여주고 있다. 이 보고서에서는 Krebs cycle을 통해 만들어지는 succinate, itaconate가 어떻게 면역세포와 종양화에서 신호전달 기전에 영향을 주게 되는지를 분석하였다.
2. 주요 내용
2.1. Succinate에 의한 대식세포 (macrophage)와 종양 세포 (tumor cell)의 신호전달 조절
Succinate는 크랩스 회로의 succinyl-CoA 합성효소(synthetase)에 의해 GTP와 ATP 합성과 함께 가역적인 반응을 통해 만들어 진다. Succinate는 최근에 lipopolysaccharide(LPS)와 인터페론γ(interferon-γ,IFN-γ)에 의해 활성화된 대식세포에 축적되어 염증반응을 촉진하는 것으로 제시가 되었다. 이러한 염증반응의 촉진은 미토콘드리아의 활성산소(mt ROS)를 생산하거나 hypoxia-inducible factor-1α(HIF-1α)를 활성화시키고 G-protein-coupled receptor(GPCR)인 succinate receptor 1(SUCNR1)에 결합함으로써 이루어진다.
2.1.1 면역세포에서SUCNR1에 의한 작용
2004년 Krebs cycle의 대사물질인 succinate와 α-KG가 리간드(ligand)가 밝혀지지 않았던 orphan GPCR인 GPR91(SUCNR1)과 GPR99(OXRG1)의 리간드임이 밝혀졌다. Succinate에 의한 SUCNR1의 활성화는 생체에너지에 대한 영향 없이 renin-angiotensin 시스템을 조절하여 혈압을 올리는 작용을 나타내었다. 이후 여러 생리작용에서 SUCNR1의 중요성이 제시되었다. SUCNR1은 콩팥과 간, 비장, 소장에서 발현이 높고 수지상 세포(dendritic cell)에서도 발현이 높다. SUCNR1에 succinate가 결합하면 Gi와 Gq 신호전달 경로가 활성화 된다. 수지상 세포에서의 SUCNR1의 활성화는 세포의 이동을 유도하며 이는 succinate가 chemokine으로 작용 할 수 있음을 보여준다. Succinate를 수지상 세포에 처리하면 toll-like receptor (TLR) 리간드와 함께 상승작용을 일으키며 tumor necrosis factor-α(TNF-α)와 인터루킨(interlukin)-1β(IL-1β)의 발현을 증가시키며 수지상 세포가 항원제시세포(antigen presenting cell)로 작용 할 수 있는 능력을 향상시켜 T 세포의 활성화를 강화시킨다. 또한 SUCNR1은 소장의 솔세포(Tuft cells)에서 발현이 되며 tritrichomonad protest와 같은 감염원에 대한 type 2 면역을 촉진 시키며 솔세포-ILC2 서킷을 통해 소장의 리모델링을 유도한다. LPS에 의한 succinate의 양과 SUCNR1의 발현이 대식세포에서 증가하며 succinate는 아직 밝혀지지 않은 경로를 통해 분비되어 자가분비(autocrine), 측분비(paracrine) 방법을 통해 IL-1β의 발현을 증가시키게 된다. 식단(diet)에 의한 비만에서도 succinate는 지방조직에서 분비되어 대식세포의 지방조직으로의 침윤을 촉진하며 염증반응에 기여하게 된다. 하지만 succinate 단독으로는 대식세포의 침윤에 효과가 없으며 저산소(hypoxia)와 같은 조건에서의 추가적인 신호가 필요하다는 결과도 제시되고 있다. Succinate가 추위 상황에서 근육에 분비되어 갈색지방의 열생산(thermogenesis)에 기여하며 마라톤 선수들의 근육에서 분비가 증가한다는 보고도 있다.
2.1.2 염증반응과 종양생성에서 HIF-1과 succinate
Succinate는 전사인자인 HIF-1을 통해서도 작용 할 수 있다. HIF-1은 저산소 상황에서 작용하는 전사 조절인자이다. HIF-1은 항상 활성상태인 β-subunit과 산소에 민감한 α-subunit으로 구성되어 있다. HIF-1α는 prolyl hydroxylase(PHD)에 의해 조절은 받는다. PHD는 α-KG 의존성 dioxygenase로 α-KG를 succinate로 바꾸며 산소분자를 사용하여 HIF-1α를 수산화(hydroxylation)한다. HIF-1α의 수산화는 Von Hippel-Lindau (VHL) E3 유비퀴틴(ubiquitin) 결합효소(ligase)에 의한 유비퀴틴화를 유도하고 분해를 일으키데 된다. Succinate는 PHD를 억제하여 HIF-1α을 안정화 시킨다. 곁신경절종(paraganglioma)과 위장관 간질성 종양(gastrointestinal stromal tumor) 등에서 SDH에 돌연변이가 있으며 succinate가 증가해 있다. 여러 종양에서 증가되어 있는 TRAP1이 SDH의 활성을 억제하고 succinate의 증가를 가져온다. 종양에서 축적된 succinate는 HIF-1α 비의존적 방법을 통해 VEGF의 발현을 증가시켜 혈관생성을 촉진 함이 밝혀졌다. 이는 SUCNR1에 의한 ERK1과 ERK2, STAT3 활성화를 통해 이루어진다.
LPS에 의한 대식세포에서의 succinate의 증가는 염증신호의 촉진과 HIF-1α 의존적인 IL-1β의 증가를 가져온다. 이러한 반응은 SDH에 의한 succinate의 산화와 미토콘드리아 막전위의 증가를 필요로 한다. Succinate는 한편으로 항염증 사이토카인인 IL-10, IL-1RA의 발현을 감소시킨다. 하지만 이러한 억제도 HIF-1α를 통하는 지는 아직 밝혀지지 않았다.
2.1.2 Succinylation에 의한 조절
Succinate 는 전사후 변형 (post-translational modification,PTM)인 lysine succinylation을 통해서도 작용 할 수 있다. Succinylation은 lysine의 양전하를 가리고 단백질의 구조적 변화를 야기하게 된다. 이 succinylation은 진화적으로 보존되어 있으며 많은 타깃을 가지고 있다. 많은 경우 대사 경로와 관련된 단백질들이 succinylation 된다. Deacetylase로 알려진 SIRT5가 desuccinylase로 작용한다. α-ketoglutarate dehydrogenase complex(KGDHC)가 α-ketoglutarate 의존적인 방법을 통해 succinylation을 매개한다. IDH와 FH가 succinylation되며 IDH는 활성이 억제되고, FH는 활성이 촉진된다. 활성화된 대식세포에서 glycolysis쪽으로 전환시키는 glycolytic 효소인 pyruvate kinase M2 (PKM2)의 Lys311이 succinylation되며 이는 tetramer를 dimer로 전환을 촉진하여 활성을 억제하게 된다. PKM2의 활성화는 대식세포의 IL-1β생산과 연결된다.
2.2. 항염증 인자로서 itaconate
LPS에 의해 활성화된 복막의 대식세포에서 증가하는 immunoresponsive gene 1 (Irg1)이 itaconate합성효소로서 itaconate는 항박테리아 인자로 제시되었으며 최근에는 면역반응을 조절하는 것으로 알려졌다.
LPS에 의해 활성화된 대식세포에서 미토콘드리아의 IRG1/CAD는 cis-aconitate로부터 itaconate를 합성한다. 이는 SDH를 억제하고 mitochondrial carrier protein을 통해 미토콘드리아 밖으로 보내진다. 세포질에서 itaconate는 KEAP1을 alkylation 시킴으로서 2,3-dicarboxypropylation이라는 새로운 전사후 변형을 일으키게 된다. 또한 GSH에 작용하여 itaconate-GSH 혹은 2,3-dicarboxypropyl-GSH를 이루게 된다. 이는 항염증 항산화 전사조절 인자인 NRF2와 ATF3를 활성화 시킨다. NRF2의 활성화는 호염증성 사이토카인인 IL-1β를 억제하고 ATF3의 활성화는 IκBξ과 IL-6를 억제한다. 또한 Itaconate는 활성산소의 양을 증가시키며 종양의 성장을 촉진하기도 한다.
2.3. 종양대사물과 후성학적 인자로서 fumarate
FH가 제거된 상황에서 fumarate의 양은 증가하며 이는 미토콘드리아의 산화적 인산화에 이상을 야기한다. 증가한 fumarate는 SDH에 대한 경쟁적 억제자로 작용하게 되며 complex 1을 억제하게 된다. 또한 redox-sensitive cysteine residues를 succination 시킴으로서 ACOS2를 억제하게 된다. 세포질에서는 KEAP1과 GSH의 succination을 유도하고 NRF2를 활성화 시킨다. 또한 PHD에 대한 경쟁적 억제자로 작용하여 HIF-1α를 안정화시킨다. 핵에서는 후생학적 조절자로 작용하여 히스톤 demethylases인 KDM 그룹을 억제하고 DNA demethylases인 TET을 억제함으로써 EMT를 유도하게 된다.
대사적 리프로그래밍은 면역학과 종양학에서 질병의 기전을 이해하기 위한 새로운 방법으로 주목을 받고 있다. 최신의 많은 연구 결과들이 미토콘드리아 Krebs cycle의 중간산물과 파생물들이 생체에너지원과 생합성원료로써 사용될 뿐만 아니라 대사와 관련이 없는 신호전달의 기능도 가지는 것을 보여주고 있다. 이 보고서에서는 Krebs cycle을 통해 만들어지는 succinate, itaconate가 어떻게 면역세포와 종양화에서 신호전달 기전에 영향을 주게 되는지를 분석하였다.
2. 주요 내용
2.1. Succinate에 의한 대식세포 (macrophage)와 종양 세포 (tumor cell)의 신호전달 조절
Succinate는 크랩스 회로의 succinyl-CoA 합성효소(synthetase)에 의해 GTP와 ATP 합성과 함께 가역적인 반응을 통해 만들어 진다. Succinate는 최근에 lipopolysaccharide(LPS)와 인터페론γ(interferon-γ,IFN-γ)에 의해 활성화된 대식세포에 축적되어 염증반응을 촉진하는 것으로 제시가 되었다. 이러한 염증반응의 촉진은 미토콘드리아의 활성산소(mt ROS)를 생산하거나 hypoxia-inducible factor-1α(HIF-1α)를 활성화시키고 G-protein-coupled receptor(GPCR)인 succinate receptor 1(SUCNR1)에 결합함으로써 이루어진다.
2.1.1 면역세포에서SUCNR1에 의한 작용
2004년 Krebs cycle의 대사물질인 succinate와 α-KG가 리간드(ligand)가 밝혀지지 않았던 orphan GPCR인 GPR91(SUCNR1)과 GPR99(OXRG1)의 리간드임이 밝혀졌다. Succinate에 의한 SUCNR1의 활성화는 생체에너지에 대한 영향 없이 renin-angiotensin 시스템을 조절하여 혈압을 올리는 작용을 나타내었다. 이후 여러 생리작용에서 SUCNR1의 중요성이 제시되었다. SUCNR1은 콩팥과 간, 비장, 소장에서 발현이 높고 수지상 세포(dendritic cell)에서도 발현이 높다. SUCNR1에 succinate가 결합하면 Gi와 Gq 신호전달 경로가 활성화 된다. 수지상 세포에서의 SUCNR1의 활성화는 세포의 이동을 유도하며 이는 succinate가 chemokine으로 작용 할 수 있음을 보여준다. Succinate를 수지상 세포에 처리하면 toll-like receptor (TLR) 리간드와 함께 상승작용을 일으키며 tumor necrosis factor-α(TNF-α)와 인터루킨(interlukin)-1β(IL-1β)의 발현을 증가시키며 수지상 세포가 항원제시세포(antigen presenting cell)로 작용 할 수 있는 능력을 향상시켜 T 세포의 활성화를 강화시킨다. 또한 SUCNR1은 소장의 솔세포(Tuft cells)에서 발현이 되며 tritrichomonad protest와 같은 감염원에 대한 type 2 면역을 촉진 시키며 솔세포-ILC2 서킷을 통해 소장의 리모델링을 유도한다. LPS에 의한 succinate의 양과 SUCNR1의 발현이 대식세포에서 증가하며 succinate는 아직 밝혀지지 않은 경로를 통해 분비되어 자가분비(autocrine), 측분비(paracrine) 방법을 통해 IL-1β의 발현을 증가시키게 된다. 식단(diet)에 의한 비만에서도 succinate는 지방조직에서 분비되어 대식세포의 지방조직으로의 침윤을 촉진하며 염증반응에 기여하게 된다. 하지만 succinate 단독으로는 대식세포의 침윤에 효과가 없으며 저산소(hypoxia)와 같은 조건에서의 추가적인 신호가 필요하다는 결과도 제시되고 있다. Succinate가 추위 상황에서 근육에 분비되어 갈색지방의 열생산(thermogenesis)에 기여하며 마라톤 선수들의 근육에서 분비가 증가한다는 보고도 있다.
2.1.2 염증반응과 종양생성에서 HIF-1과 succinate
Succinate는 전사인자인 HIF-1을 통해서도 작용 할 수 있다. HIF-1은 저산소 상황에서 작용하는 전사 조절인자이다. HIF-1은 항상 활성상태인 β-subunit과 산소에 민감한 α-subunit으로 구성되어 있다. HIF-1α는 prolyl hydroxylase(PHD)에 의해 조절은 받는다. PHD는 α-KG 의존성 dioxygenase로 α-KG를 succinate로 바꾸며 산소분자를 사용하여 HIF-1α를 수산화(hydroxylation)한다. HIF-1α의 수산화는 Von Hippel-Lindau (VHL) E3 유비퀴틴(ubiquitin) 결합효소(ligase)에 의한 유비퀴틴화를 유도하고 분해를 일으키데 된다. Succinate는 PHD를 억제하여 HIF-1α을 안정화 시킨다. 곁신경절종(paraganglioma)과 위장관 간질성 종양(gastrointestinal stromal tumor) 등에서 SDH에 돌연변이가 있으며 succinate가 증가해 있다. 여러 종양에서 증가되어 있는 TRAP1이 SDH의 활성을 억제하고 succinate의 증가를 가져온다. 종양에서 축적된 succinate는 HIF-1α 비의존적 방법을 통해 VEGF의 발현을 증가시켜 혈관생성을 촉진 함이 밝혀졌다. 이는 SUCNR1에 의한 ERK1과 ERK2, STAT3 활성화를 통해 이루어진다.
LPS에 의한 대식세포에서의 succinate의 증가는 염증신호의 촉진과 HIF-1α 의존적인 IL-1β의 증가를 가져온다. 이러한 반응은 SDH에 의한 succinate의 산화와 미토콘드리아 막전위의 증가를 필요로 한다. Succinate는 한편으로 항염증 사이토카인인 IL-10, IL-1RA의 발현을 감소시킨다. 하지만 이러한 억제도 HIF-1α를 통하는 지는 아직 밝혀지지 않았다.
2.1.2 Succinylation에 의한 조절
Succinate 는 전사후 변형 (post-translational modification,PTM)인 lysine succinylation을 통해서도 작용 할 수 있다. Succinylation은 lysine의 양전하를 가리고 단백질의 구조적 변화를 야기하게 된다. 이 succinylation은 진화적으로 보존되어 있으며 많은 타깃을 가지고 있다. 많은 경우 대사 경로와 관련된 단백질들이 succinylation 된다. Deacetylase로 알려진 SIRT5가 desuccinylase로 작용한다. α-ketoglutarate dehydrogenase complex(KGDHC)가 α-ketoglutarate 의존적인 방법을 통해 succinylation을 매개한다. IDH와 FH가 succinylation되며 IDH는 활성이 억제되고, FH는 활성이 촉진된다. 활성화된 대식세포에서 glycolysis쪽으로 전환시키는 glycolytic 효소인 pyruvate kinase M2 (PKM2)의 Lys311이 succinylation되며 이는 tetramer를 dimer로 전환을 촉진하여 활성을 억제하게 된다. PKM2의 활성화는 대식세포의 IL-1β생산과 연결된다.
2.2. 항염증 인자로서 itaconate
LPS에 의해 활성화된 복막의 대식세포에서 증가하는 immunoresponsive gene 1 (Irg1)이 itaconate합성효소로서 itaconate는 항박테리아 인자로 제시되었으며 최근에는 면역반응을 조절하는 것으로 알려졌다.
LPS에 의해 활성화된 대식세포에서 미토콘드리아의 IRG1/CAD는 cis-aconitate로부터 itaconate를 합성한다. 이는 SDH를 억제하고 mitochondrial carrier protein을 통해 미토콘드리아 밖으로 보내진다. 세포질에서 itaconate는 KEAP1을 alkylation 시킴으로서 2,3-dicarboxypropylation이라는 새로운 전사후 변형을 일으키게 된다. 또한 GSH에 작용하여 itaconate-GSH 혹은 2,3-dicarboxypropyl-GSH를 이루게 된다. 이는 항염증 항산화 전사조절 인자인 NRF2와 ATF3를 활성화 시킨다. NRF2의 활성화는 호염증성 사이토카인인 IL-1β를 억제하고 ATF3의 활성화는 IκBξ과 IL-6를 억제한다. 또한 Itaconate는 활성산소의 양을 증가시키며 종양의 성장을 촉진하기도 한다.
2.3. 종양대사물과 후성학적 인자로서 fumarate
FH가 제거된 상황에서 fumarate의 양은 증가하며 이는 미토콘드리아의 산화적 인산화에 이상을 야기한다. 증가한 fumarate는 SDH에 대한 경쟁적 억제자로 작용하게 되며 complex 1을 억제하게 된다. 또한 redox-sensitive cysteine residues를 succination 시킴으로서 ACOS2를 억제하게 된다. 세포질에서는 KEAP1과 GSH의 succination을 유도하고 NRF2를 활성화 시킨다. 또한 PHD에 대한 경쟁적 억제자로 작용하여 HIF-1α를 안정화시킨다. 핵에서는 후생학적 조절자로 작용하여 히스톤 demethylases인 KDM 그룹을 억제하고 DNA demethylases인 TET을 억제함으로써 EMT를 유도하게 된다.