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The endoplasmic reticulum conference – Structure, Function, and Disease
The endoplasmic reticulum conference  – Structure, Function, and Disease 저자 이윤경 (숙명여자대학교 생명시스템학과)
등록일 2021.07.22
자료번호 BRIC VIEW 2021-C06
조회 1686  인쇄하기 주소복사 트위터 공유 페이스북 공유 
요약문
소포체(Endoplasmic reticulum, ER)는 세포 내 소기관으로 단백질과 지방의 합성, 단백질의 접힘(Protein folding), 칼슘이온 조절 등의 역할을 수행하며, 단백질의 접힘에 문제가 생길 경우(e.g. Misfolded/unfolded protein accumulation)에 ER stress가 유발된다. 이것이 적절하게 해결되지 않으면, 당뇨병이나 지방간 등의 대사질환, 염증 질환, 파킨슨병이나 알츠하이머 같은 퇴행성신경질환 등 여러 질병으로 이어진다. 따라서 ER이 학계의 주목을 받고 있으며, 관련 연구가 많이 이루어지고 있다. 이번 FASEB (Federation of American Societies for Experimental Biology)의 ER conference는 ER의 구조, 기능 그리고 질병이라는 제목으로 2021년 6월 22일부터 24일까지 3일 간 온라인으로 진행되었으며 참여 인원은 162명이었다. 키노트 스피커였던 Whitehead Institute MIT/HHMI의 Jonathan Weissman의 발표로 학회가 시작되었으며, 수많은 연사들의 흥미로운 발표 내용과 잘 준비된 플랫폼으로 온라인으로 열리는 학회의 아쉬움을 달랠 수 있었다. 본 학회 참관기는 주로 구두 발표 내용을 정리하였다.
키워드: Endoplasmic reticulum (ER), Unfolded protein response (UPR), ER quality control, Diseases, Cancer
분야: Cell_Biology, Molecular_Biology, Medicine

목 차

1. FASEB (Federation of American Societies for Experimental Biology)의 ER (Endoplasmic reticulum) conference: Structure, Function, and Disease
2. Keynote speech: Dissecting the roles of the EMC in promoting membrane protein biogenesis, Jonathan Weissman (Whitehead Institute MIT/HHMI)
3. Day 1
  3.1. Session I: Translational approaches
  3.2. Session II: ER biogenesis
4. Day 2
  4.1. Session III: ER quality control
  4.2. Session IV: Organelle communication
5. Day 3
  5.1. Session V: Metabolic and infectious diseases
  5.2. Session VI: UPR signaling, cell fate and cancer
6. Summary

 

1. FASEB (Federation of American Societies for Experimental Biology)의 ER (Endoplasmic reticulum) conference: Structure, Function, and Disease

FASEB는 1912년에 설립되어 현재는 전 세계의 13만 명 이상의 연구자들로 이루어진 29개의 Scientific member societies로 구성되어 있다. 멤버들은 생명과학과 의학 분야의 연구와 교육의 발전과 진보를 추구하며, The FASEB Journal을 발행하고 있다.

ER (Endoplasmic reticulum)은 세포 내 소기관으로, 단백질과 지방의 합성, 단백질의 접힘 (Protein folding) 그리고 칼슘 이온(Calcium ion)을 유지하는 것에 중요한 역할을 한다. 항상성이 유지되지 못할 경우에 ER stress가 유도되고, Unfolded protein response (UPR)로 이 스트레스 반응에 대처하지만, 제대로 복구가 되지 않을 경우에는 당뇨나 지방간 같은 대사 질환, 염증 질환, 파킨슨병이나 알츠하이머 같은 퇴행성 신경질환 등을 비롯한 다양한 질병으로 이어질 수 있다. ER의 중요성으로 인해 최근에 학계의 주목을 받고 있으며, 활발한 연구가 진행되고 있다.

2021년 6월 22일부터 24일, 3일에 걸쳐 온라인으로 개최된 FASEB의 ER conference는 ER의 구조와 기능, 관련한 질환에 대해 다루었으며, ER 연구를 하고 있는 여러 국가의 연구자들이 참여하여 최신 연구 결과를 발표하고 발전 방향에 대해 심도 있는 토의를 하였다.

2. Keynote speech: Dissecting the roles of the EMC in promoting membrane protein biogenesis, Jonathan Weissman (Whitehead Institute MIT/HHMI)

- Membrane proteins (막단백질)은 세포 간, 내포 내 communication과 architecture에 매우 중요한 역할을 한다. 세포의 신호 교환(Cell-cell communications), 세포 부착(Cell adhesion), 세포의 에너지 저장(Cellular energy storage) 등을 수행한다.
- ER은 membrane protein synthesis, insertion, stabilisation and trafficking 등의 기능을 가진다.
- Membrane protein folding은 정상인 상황이나 질병 모두에서 실패하기 쉽다.
- Misfolded membrane proteins이 cystic fibrosis, retinitis pigmentosa, hypercholesterolemia와 같은 여러 질병을 일으킬 수 있다.
- 잘 알려진 membrane protein biogenesis factors들은 TMH insertion, translocation or glycosylation와 같은 생화학적 역할을 수행하는 것으로 이해된다.
- EMC: a membrane protein biogenesis factor discovered in S.cerevisiae systematic genetic screens
- EMC는 membrane protein homeostasis를 유지하는 역할을 가지며, yeast부터 human에 이르기까지 conserved 되어 있는 stable membrane complex이다.
- 발견한 이래로, EMC에서 기능 이상은 종(species)을 너머 pleiotropic, membrane-related pheno-types을 나타냈다.
- Biochemistry와 in vitro reconstitution은 terminal transmembrane helices의 membrane insertion을 용이하게 하는 EMC의 역할을 밝혀냈다.
- Co-chaperone deletions은 EMC와 그것의 multipass membrane substrates 간의 interaction을 증가시킨다.
- EMC의 potential clients의 co-translational engagement를 monitoring하면, EMC는 clients에 가까이 온다.
- EMC는 적어도 몇 개의 multipass transmembrane protein과 terminal membrane insertase에 대한 holdase/chaperone으로 작용한다.
- EMC는 protein folding이 끝나기 이전에 clients와 직접적으로 binding 한다.
- EMC는 transmembrane helix insertion 동안 clients와 binding 한다.
- 50개의 EMC mutants의 발견: 다양한 mutations이 polytropic membrane proteins biogenesis에 문제를 일으키고, SQS TA proteins의 생성을 증가시킨다.
- Hypothesis: SQS insertion이 EMC에 의해 조절되고 더 일반적으로 EMC와 lipid synthesis 간에 직접적인 연결고리가 존재한다.
- EMC의 구조적인 특징들이 세포의 필요에 따른 biogenesis를 조절하는 메커니즘을 알게 한다.
- 요약하자면, EMC의 다양한 기능은 여러 범주의 clients의 biogenesis를 조절할 가능성이 있다는 것이다.
- Pathway-related but topologically distinct proteins: e.g. SQS (tail-anchor) and SOAT1 (polytopic) 둘 모두 cholesterol synthesis에 관여한다.
- 적절한 folding과 packing을 돕기 위해서, 다른 ER factors (Translocons, Chaperones)와 함께 작용할 수 있다.

 

3. Day 1

3.1. Session I: Translational approaches
A. Endoplasmic reticulum: a primary therapeutic target for Wolfram syndrome, diabetes, and retinal degradation, Fumihiko Urano (Washington University School of Medicine)
- ER 항상성이 망가지는 것은 ER stress의 원인이 된다.
- ER이 제 기능을 하지 못하면 1) 신경 2) 췌장의 베타세포 3) 망막세포에 영향을 준다.
- 가장 흔하게는 1) 노화 2) 당뇨병을 유발한다.
- ER stress response에 관여하는 “WFS1”이라는 단백질을 연구 중인데, WFS1 단백질을 돌연변이화 시켰을 때, 미토콘드리아의 기능이 망가졌다.
- Wolfram 유도만능줄기세포 유래 베타세포(Wolfram iPSC-derived beta cells)에서 포도당으로 인한 인슐린 분비(glucose stimulated insulin secretion (GSIS))의 기능에 문제가 발생하였다.
- 실험 방법은 WFS1이 돌연변이화 되었을 때, 이어지는 질병인 Wolfram syndrome에 효과가 있을 것으로 추정되는 Sodium phenylbutyrate-Taurursodiol을 유도만능줄기세포 유래 베타세포(iPSC-derived beta cells)에 처리하여, 세포 사멸을 확인하고 마우스 질환 모델에서 이 약물이 포도당 내성(glucose tolerance)을 개선하는지를 확인하였다.
B. The ups and downs of elF2alpha phosphorylation, Anne Bertolotti (MRC laboratory of molecular biology)
- 건강과 질병에서의 단백질 기능을 비교하는 연구를 진행 중이다.
- 단백질 접힘 기능에 이상이 생긴 질병(Protein misfolding diseases)은 단백질 기능 유지 시스템에 문제가 있다.
- elF2alpha 인산분해효소(phosphatases)를 억제하는 것이 큰 이점이 있다.
- elF2alpha 인산분해효소(phosphatases)는 세포/쥐/인간의 생명을 유지하는 데에 필수적이다.
- elF2alpha pathway를 타겟팅하는 작은 분자들에 관해서 연구 중이다.
- 그 중 R15A를 억제하는 약물인 Raphin1을 임상시험 중인데, 경구 복용할 수 있고, 마우스 모델에서 헌팅턴병(Huntington’s disease)에 효과가 있고, 학습 능력이 회복되는 것이 확인되었다.
- elF2alpha 인산화를 증가시키는 것의 이점에 대해서도 인간 유전체 데이터(Human genetic data)를 통해 밝혀졌다.
C. Pharmacologically targeting the unfolded protein response: Where do we go from here?, R. Luke Wiseman (The Scripps Research Institute)
- Unfolded protein response (UPR)은 IRE1, PERK, ATF6 kinases에 의해 활성화되면서 UPR 타겟 유전자들의 전사가 활성화(transcription activation)된다.
- UPR은 여러 질병과도 연관되어 있는데, 이 반응이 너무 적게 일어나거나, 너무 많이 일어나면, 질병으로 이어진다.
- IRE1/XBP1s activators (IXAs)에 대해 연구 중인데, 그 중 IXA4는 식이로 유도하는 비만 마우스 모델(Diet-induced obese (DIO) mice)에서, 대사 관련 결과들을 개선시키는 것으로 나타났는데, 결과는 다음과 같다. 1) 장기적으로 IXA4를 주입하는 것은 DIO 쥐들의 간에서 IXAs 신호전달계를 선택적으로 활성화시킨다. 2) 포도당 항상성을 개선하고, 지방간증을 약화시킨다. 3) 췌장의 인슐린 조절을 개선시킨다.
D. RNAi therapeutic to prevent and reverse ER accumulation of Z-alpha-1 antitrypsin, Christine I. Wooddell (Arrowhead Pharmaceuticals, Inc.)
- AAT gene에 mutation이 생기면 (Z-AAT), 단백질의 mis-folding으로 이어지고 Z-AAT가 accumulation되면, Cirrhosis나 HCC의 원인이 될 수 있지만, 현재 치료 방법이 없다.
- RNA interference (RNAi)는 특정 단백질을 타켓하도록 디자인되고 합성될 수 있으며, 결과적으로 특정 단백질이 만들어지지 않도록 만든다.
- 1st: ARC-AAT, 2nd: ARO-AAT, 이 둘은 AAT 유전자의 발현을 silencing 함으로써, Z-AAT가 만들어지지 않도록 억제함으로 Z-AAT가 간에 축적되는 것을 막고, 이미 축적된 Z-AAT는 clearance하고, 세포에 가해지는 손상을 억제하며, liver fibrosis의 진행을 막거나 되돌린다.
- Human Z-mutant AAT gene (Z-AAT)를 발현하도록 만든 transgenic PiZ mouse model에서 HCC로 이어지는 것을 확인하였다.
- 이 쥐들에게 ARO-AAT를 injection 했을 때, 간에서 Z-AAT가 크게 감소하였고, liver tumors의 발달이 억제되었다.
- 이와 같은 RNAi intervention이 liver disease phenotype (Cirrhosis는 제외)을 되돌릴 수 있는 것을 쥐 모델에서 확인했고, 현재 AROAAT1001, AROAAR2002을 임상시험 중이다.
3.2. Session II: ER biogenesis
A. RNA localisation and translation on the ER: models and mechanisms, Chris Nicchitta (Duke University School of Medicine)
- ER-localised translation은 RNA localisation의 가장 두드러진 예이다.
- Candidate mechanisms으로는 ER-localised translation을 다양화하는 것이 있다.
- ER-associated mRNA transcriptome은 다양하고, 이것은 proteome 발현에 ER의 다양한 역할을 의미한다.
- mRNAs는 ER에 direct anchoring을 할 수 있고, “zip codes”를 localisation 하는 것이 확인되어야 한다.
- Secretory- and membrane protein-encoding mRNAs는 ER에 localisation 한다.
B. Structural insights into metazoan pre-targeting GET complexes, Sichen Shao (Harvard medical school)
- Transmembrane domain (TMD)이 하는 역할로는 올바른 타겟을 인지하고 생합성(biosynthesis)하는 것과 잘못 타겟한 단백질을 제거하여 Quality control을 유지하는 것이 있다.
- Tall-anchored (TA) membrane proteins은 C-terminus에 존재하는 Single hydrophobic TMD으로, ER, Mitochondria, Peroxisomes, Lipid droplets에 위치한다.
- TA protein을 targeting 하는 조건들: TA protein이 ribosome에서 recognition & chaperoning 후 Get3에서 targeting &insertion 되어, ER receptor (Get ½)로 운반한다.
- Get3: homodimeric ATPase with ER receptor, ATP-bound: closed conformation with hydrophobic substrate chamber, apo: open conformation
- SGTA는 Get3 loading에 nascent TA proteins을 capture하고 select 하는 역할을 한다.
- SGTA는 또한 homodimer이며, Nucleotides를 가수분해하지 않고, TMDs에 빠르게 binding하거나 방출되어 clients를 돕는다.
- The Bag6 complex가 구조적, 기능적으로 modular이다.
- Get4과의 interaction은 Get3 alpha4의 형성을 막고, Get3 L (alpha4)는 substrate chamber와 ATPase domain을 연결시킨다.
- Get4는 Get3 subunits (Get3-A, Get3-B) 모두와 interaction 하며, Get3 substrate chamber의 윗부분이 composite lid에 의해 덮이고, 이 Get4 lid는 TA protein transfer를 용이하게 한다.
C. An ER kinase that catalyses the dynamic tethering of ER to microtubules, Smita Yadav (University of Washington)
- Autism gene인 TAOK2는 integral ER membrane kinase로 신경계 발달에 중요한 S/T kinase를 encoding 하며, ER subdomains에 위치해 있다.
- TAOK2는 ER-mitotic spindle pole association을 조절한다.
- TAOK2 KO에서 ER dynamics가 증가하고, mitotic cell %를 보면 misaligned가 크게 늘어난다(정상의 경우에는 bipolar가 대부분).
- Kinase activity를 억제하면, mitotic spindle에서 ER을 decoupling 하는 것에 문제가 생긴다.
- ER과 Mitochondria의 dynamics에서 TAOK2의 pleiotropic roles을 밝히는 것이 연구의 목표이다.
D. An ER translocon for multi-pass membrane protein biogenesis, Bob Keenan (University of Chicago)
- membrane protein의 genesis에 관심이 있음, 과정은 1) nascent polypeptide가 targeting 2) hydrophobic transmembrane segment에 insertion 3) folding 4) assembly
- Transmembrane domain (TMD) integration의 sequential model: Sec61 complex가 single/multi-pass를 만든다.
- Multi-pass proteins의 성공적인 folding을 위해서 1) hydrophilic TMDs의 insertion되고 2) hydrophilic TMD가 ER-associated degradation pathways로부터 일시적으로 보호되어야 한다.
- Oxa1 superfamily는 membrane protein biogenesis factors이다.
- ER에 위치한 단백질로, 인간의 여러 조직에서 많이 발현된다.
- Loss of TMCO1 or CCDC47는 rare autosomal recessive developmental disorders의 원인이 된다.
- CCDC57, Nicalin, TMEM148, NOMO는 여러 receptors와 ion channels의 세포 표면에서 발현된다.
E. Fidelity of cotranslational protein targeting to the ER, Shuou Shan (California Institute of Technology)
- Ribosome에서 만들어진 nascent proteins은 folding assembly, localisation, maturation, quality control 등 다양한 과정을 거친다.
- Trigger factor, Hsp70, NAC, RAC는 folding assembly로 작용을 하고,
- SRP, SecYEG, SecA, Bag6는 localisation 하는 역할을 하며,
- N-acetyltransferase, Arginyltransferase, Deformylase, Aminopeptidase는 Maturation과 Quality control에 관여를 한다.
- 순차적인 형태 재배열은 Mammalian SRP pathway를 cargo recognition, targeting, pre-translocation 순으로 이루어진다.
- Protein targeting의 정확성: hydrophobic core의 sequence를 target 한다.
- SRP-dependent protein targeting은 매우 특이적이다.
- SRP와 NAC은 RNC에 co-binding 하고, SRP는 SR에 binding 할 때, 더 active 하다.
- Nascent polypeptide-associated complex (NAC)은 abundant and conserved cotranslational chaperone, eukaryotic organisms에 필수적이고, mitochondrial proteins이 ER로 mistargeting되는 것을 막는다.
- NAC은 RNC에 binding하는 SRP의 proximal conformation을 선택적으로 감소시킨다.
- NAC에 의해 조절되는 protein targeting의 model: Ribosome에 NAC tail이 있고, protein biogenesis factors인 SRP이 recruit 되고, nascent protein이 cytosol이나 mitochondria로 이동한다.

 

4. Day 2

4.1. Session III: ER quality control
A. Quality control of procollagen in the ER by collagen-specific molecular chaperone Hsp47, Kazuhiro Nagata (JT Biohistory research hall & Kyoto Sangyo University)
- Hsp47 WT vs. KO conditional knockout of hsp47 gene
- Alizarin staining; impaired bone formation 확인, cKO mouse의 Vertebral body (vb)가 staining되지 않았는데, collagen 생성에 문제가 생기기 때문이다.
- HSP47은 procollagen을 형성할 때, Gly-Pro-Arg (Glycine-Proline-Arginine) sequence에 우선적으로 binding
- ER에서 procollagen의 quality control은 Hsp47 and TANGO1에 의해서 이루어진다.
- Procollagens은 ER에서 Golgi로 분비된다.
- Hsp47의 발현은 항상 collagens의 발현과 관련이 있는데, Hsp47이 liver, kidney, lung 등에 up-regulation 되면 fibrosis, atherosclerosis, systemic sclerosis, keloid (collagen-related diseases) 등이 발생하고 downregulation 되면, fibrogenic의 진행이 억제된다.
- Hsp47은 collagen 분비에 필수적이므로 fibrosis therapeutic target이 될 수 있다. e.g. small molecule compound로 Hsp47의 발현을 막으면, ER 밖으로 secretion이 막혀서 collagen이 accumulation 되지 못한다. Hsp47 inhibitor는 fibrosis에서 collagen accumulation을 막을 수 있다.
B. Mapping BiP co-chaperone binding sequences in surfactant protein C provides insights into BRICHOS domain function and disease-associated mutations, Linda Hendershot (St. Jude Children’s research hospital)
- Hsp70 (BiP) chaperone은 nascent protein folding과 ER-associated degradation의 protein targeting 하는 것에 관련이 있다.
- ER-localised co factors는 BiP-mediated ERQC decision에 중요한 역할을 한다.
- ILD와 관련이 있는 Surfactant protein C (SP-C) mutants는 Erdj4과 Erdj5를 binding 하는 ERAD clients이고, GRP170과도 binding한다.
- 3개의 BiP co-chaperones이 aggregation prone sequence에 binding 하는 것은 ERAD client인 SP-C로 확장될 수 있고, 이런 sequences에 mutation을 만드는 것은 co-chaperone의 binding을 줄인다.
C. Mechanisms of membrane protein quality control, Pedro Carvalho (University of Oxford)
- membrane proteins의 quality control에 관한 메커니즘을 연구 중
- ER에서 protein quality control에 관여하는 pathway인 ER-associated degradation (ERAD)
- Recognition – Retrotranslocation – Ubiquitination – Degradation 순으로 진행된다.
- Yeast에서는 Hrd1, Asi and Doa10 complexes, Mammals에서는 Hrd1 homologue를 포함한 다수의 유전자가 이 pathway에 관여한다.
- ERAD의 타겟으로는 misfolded proteins, folded “unwanted” proteins (signal-regulated)) (e.g. sterol biosynthetic enzymes), mislocalised proteins 등이 있다.
- ERG11TM와 CYP51A1TM이 distinct ERAD routes로 degradation 되는 것을 밝혔고, 이 단백질들의 degradation에 관여하는 ERAD components를 찾기 위해 Genome-wide CRISPR/Cas9 screen을 진행하였는데, ubiquitin E3 ligase인 RNF185 (and MBRL)가 CYP51TM ubiquitination과 degradation에 주된 역할을 하는 것을 알아냈다.
- RNF185/membralin/TMUBs가 ERAD ubiquitin ligase complex를 이루어 함께 작용하고, substrate recognition은 RNF185/MBRL이 한다.
- MBRL은 substrate에 직접 binding 하여, substrate recognition factor로 작용한다.
D. Lipid droplet proteome remodelling and ER-associated degradation, James Olzmann (UC Berkeley)
- Perilipin2 (PLIN2)는 prototypic class II lipid droplet protein을 뜻한다.
- PLIN2-GFP가 ATGL-dependent lipolysis 동안에 Proteasome에 의해 분해된다.
- ATGL을 sgRNA로 knock-out 시켰을 때, ubiquitination이 되지 않았다.
- “MARCH6”라는 단백질을 depletion 했을 때, PLIN2의 분해에 문제가 발생하고, lipid droplets 안에 Neutral lipid storage가 변했다.
- Class I과 II lipid droplet proteins은 ERAD에 의해 분해된다.
- ER membrane에서 lipid droplets 만들어진다.
E. Choosing your poison: The targeting of misfolded proteins for ERAD versus post-ER degradation, Jeffrey L. Brodsky (University of Pittsburgh)
- ERAD는 Endoplasmic reticulum-associated degradation의 약어이다.
- ERAD를 피해 가는 어떤 단백질들은 Golgi로 운반되어 vacuole 안에서 분해된다.
- Aggregation-prone ERAD substrates은 autophagy, 조금 더 구체적으로는 ER-phagy의 target이 된다.
- A plasma membrane transporter (Kir2.1)은 yeast와 human 모두에서 endocytosis와 lysosomal degradation과 ERAD의 target이 된다.
- 반면 SZ*의 vacuole에서의 분해는 ESCRT-dependent하고, Ydj1이 SZ*의 분해 과정에서 binding하고 역할을 한다.
4.2. Session IV: Organelle communication
A. Lipid channeling at membrane contact sites and GPI-anchor biosynthesis, Will Prinz (Laboratory of Cell and Molecular Biology, NIDDK, NIH)
- ER의 contact sites에 지방을 운반하는 것은 Membrane expansion (bulk transport)와 Membrane modification의 기능을 가지고 있다.
- Mitochondria로 lipid 운반: Non-vesicular하고 in vitro에서 에너지가 필요하지 않고, contact sites에서 일어난다.
- Lipid transport: PA PI PS PE PC (membrane biogenesis), Fatty acids (β-oxidation), Ceramides (apoptosis), Cholesterol (steroid synthesis), Co-enzyme Q, Heme, PE (phosphatidyl ethanolamine)
- ER과 주변 세포 내 소기관 사이에 lipid를 transport에 중요한 역할을 하는 단백질인 Vps13
- Vps13-like protein들 중 하나인 Csf1를 연구하는데, ER-mitochondria contact sites에 존재, GPI-anchored protein biogenesis에 관여, GPI anchor synthesis는 ER lumen에서 일어나고, 3개의 PE molecules이 필요하다.
- Csf1은 PE metabolism에 역할을 하는데, Csf1이 없는 세포에서 GPI anchor precursors가 accumulation, GPI anchor synthesis의 early step에 필요하다.
- Csf1이 ER에서 만들어진 PE를 mitochondria로 transport 하여 GPI anchor biosynthesis를 한다.
B. ER-mitochondrial contacts and local signalling by Ca2+ and ROS, Gyorgy Hajnoczky, (Mitocare center PACB Jefferson)
- 칼슘 이온(Ca2+)과 ROS에 의한 ER과 mitochondria의 contacts와 local signalling을 연구하고 있다.
- 세포 스트레스 상황에서 ER과 Mitochondria의 contacts은 세포 생존에 관련되어 있고, 이 과정에 문제가 생길 경우 신경퇴행성질환(Neurodegenerative diseases)이나 대사질환(Metabolic diseases)을 유발.
- ER과 Mitochondria 사이에 Ca2+ 전달이 이루어지고, 이때 IP3Rs (inositol trisphosphate receptor)이 관여를 한다.
C. A role for a COPII coat subunit in ER autophagy, Ferro Novick (UCSD)
- ER-phagy는 nutrient deprivation이나 aggregation-prone proteins이 발현될 때 일어나는데, ER의 domains을 분해한다.
- ER-phagy receptors로는 RTN3L, FAM134B, SEC62, CCPG1, ATL3, TEX264 in mammals, Atg40, Atg39 등이 있다(Yeast에서).
- ER-phagy에 관여하는 Lst1은 rapamycin treatment 했을 때, Sec61 degradation에 필요하다.
- Cargo를 만드는 과정에서 COPII vesicles이 cargo adaptors를 포함한다.
- 이 연구진들은 Lsd1이 ER 주변에 autophagosome이 형성될 때, Atg40에 binding하여 작용하는 것으로 예상하고 실험을 진행하였다.
- Atg40 upregulation은 ER-phagy activity와 Lst1-Sec23의 colocalization을 증가시켰다.
- Lst1는 Atg40와 binding하여, ER을 autophagosome으로 감쌌다.
- ER에서 Quality control systems은 aggregation-prone proteins이 UPR, ERAD (proteasome), COPII vesicle (secretory pathway), ER-phagy (Lst1-Atg40) 이 4개의 pathway에 의해 이루어진다.
- ER을 조절하는 Stress response pathways는 ERES (ER exit sites), UPR (Sec24-Sec23), Secretory pathway, ERPHS (ER phagy sites), TOR (Lst1-Sec23), ER-phagy 순서로 이루어진다.
- Atg40는 FAM134B and RTN3 (RTN3L)과 연관되어 있고, RTN3를 lysosome으로 운반하는 것에 SEC24C가 필요하다.

 

5. Day 3

5.1. Session V: Metabolic and infectious diseases
A. A role of ER-phagy in rectifying a diabetic syndrome, Billy Tsai (University of Michigan)
- Misfolded cargos는 ER-coupled autophagy (ER-phagy)에 의해 분해된다.
- Diabetes disease 환경에서의 ER-phagy를 연구: disease명은 MIDY (mutant INS-gene-induced diabetes of youth) 이다.
- mutant proinsulin의 ER-dependent degradation 메커니즘을 이해하는 것이 질병 치료의 관건이 될 것이다.
- Mutant proinsulin이 RTN3-dependent ER-phagic clearance pathway에 의해 분해된다.
- PGRMC1 ER transmembrane protein이 RTN3의 binding partner 이다.
- PGRMC1는 proinsulin인 A16P에 binding해서 degradation을 촉진한다.
- Proinsulin trafficking은 ER, secretory granule에 의해 이루어진다.
- PGRMC1은 mutant proinsulin A16P에 binding하여 degradation을 유도한다.
- Mutant proinsulin A16P는 PGRMC1이 없는 세포에서 puncta에 축적된다.
- PGRMC1은 RTN3-depedent ER-phagy를 통해 또 다른 mutant prohormone (POMC)를 degradation 한다.
- Mutant POMC를 lysosome으로 운반하는 것은 PGRMC1
- PGRMC1 inhibitor인 AG-205는 췌장의 베타세포에서 mutant proinsulin이 degradation되는 것을 막아서 부분적으로 인슐린 분비가 다시 되도록 한다.
B. Unfolding the roles of ER stress in viral infection, Susan Fink (University of Washington, Seat-tle)
- Positive-strand RNA viruses는 ER에서 복제된다.
- ER stress가 유발되면 IRE1alpha, ATF6, PERK 3개의 kinases가 activation된다.
- 3개의 pathway 중 IRE1alpha – XBP1를 연구 중이다.
- IRE1alpha에 의해 XBP1이 unspliced form에서 sliced form으로 splicing된다.
- IRE1alpha은 Dengue와 Japanese encephalitis virus의 감염을 촉진한다.
- Zika virus 감염 동안에는 IREalpha가 활성화되며, XBP1의 mRNA level이 증가된다.
- IREalpha inhibitor인 4u8C를 HeLa 세포에 처리하면, cell viability가 증가하고, Zika virus RNA level도 감소하는 것을 확인했다.
- XBP1 CRISPR/Cas-9 system을 이용한 knock-out cell에서도 같은 효과가 나타났다.
- IRE1alpha-dependent ER reorganisation이 IRE1alpha inhibitor를 처리했을 때, 감소했다.
- IRE1alpha에 의해 sXBP1의 발현이 증가하면 ER reorganisation이 일어나고, 이로 인해 Zika virus의 증식이 촉진된다.
- 현재는 SARS-CoV-2 감염에서의 IRE1alpha의 역할에 대해서 연구 중이다.
- SARS-CoV-2에 감염되었을 때, IRE1alpha와 sXBP1의 발현이 증가하는 것을 확인했다.
- IRE1alpha inhibitor를 처리했을 때, SARS-CoV-2의 dsRNA가 크게 감소하고 따라서 증식 감소됐다.
- sXBP1에 의한 IL-6의 발현이 pathogenic inflammation을 일으키는데, SARS-CoV-2로 인한 IL-6의 증가에 IRE1lpha가 필요함을 확인하였다.
- Ageing, Obesity, Diabetes, Hypertension을 가진 SARS-CoV-2 환자는 IRE1alpha pre-activation으로 Coronavirus 증식에 부스터 효과를 가져올 것으로 예상된다.
C. Adaptive reprogramming of pancreatic beta-cells to chronic ER stress, Chien-Wen Chen (Case Western Reserve University)
- 당뇨병과 ER stress 간의 상관관계에 대해 연구, ER stress와 T1D의 발달 (Feyza Engin. 2016), ER stress가 비만, 인슐린 작용, T2D와 연관되어 있다 (Ozcan et al., 2004).
- Cyclopiazonic acid (CPA): A reversible SERCA inhibitor that induces ER stress를 mouse insulinoma cell line인 MIN6에 처리했을 때, time-dependent 하게 ER stress markers이 증가했다(PERK phosphorylation, elF2alpha phosphorylation, ATF4, GADD34).
- Chronic ER stress는 베타 세포와 관련된 유전자들이 reversible downregulation 되었다.
- ER에서 Golgi로 transport가 upregulation 되는 것은 unique chronic ER stress adaptation event
- Chronic ER stress는 인슐린의 synthesis, maturation에 결함을 유도한다(실제로 staining 해보면 ER stress를 유도했을 때, proinsulin의 trafficking이 정상 상황과 다름을 알 수 있음).
- Lysosome impairment도 proinsulin misfolding과 accumulation과 상관관계가 있다.
- 세포는 prolonged sublethal ER stress로부터 회복하는데, adaptive plasticity가 있기 때문이다.
- 이러한 stress로 인한 adaptive plasticity는 cell identity의 일시적인 감소로 이어지고, ER stress가 반복되면 세포의 수와 adaptive plasticity를 잃게 된다.
- T1D 환자에게서 얻은 세포에서 위에서 설명한 현상을 확인했다.
D. The roles of O-linked GlcNAc Transferase (OGT) signaling in pancreatic beta-cell and ER stress, Emilyn U. Alejandro (University of Minnesota)
- 제2형 당뇨병(Type 2 diabetes)에서 베타세포의 기능 변화를 연구 중이다.
- 장기 목표는 제2형 당뇨병을 치료하는 것이다.
- “Ogt”라는 유전자는 췌장에서 많이 발현하고, Ogt가 베타세포의 발달과 기능을 촉진할 것으로 예상한다.
- Ogt를 deletion하면 neonatal pancreas에서 hypoplasia가 유도되고, exocrine과 endocrine 세포들의 발달을 감소시킨다.
- 베타세포에서의 Ogt를 knock-out 시킨 mice에서 당뇨병과 베타세포 기능이 상실되는 이유는 ER stress, 세포사멸(Apoptosis) 때문이다.
- βOgt KO mice의 Carboxypeptidase E 조절에 문제가 일어나면, hyperproinsulinemia 발생한다.
- Ogt는 mitochondria의 형태와 기능, 그리고 mitochondrial function-independent Chop-mediated ER stress를 조절, 베타 세포의 발달과 기능의 다양한 측면을 조절한다.
- Pdx1을 overexpression 하면, Ogt knock-out 베타세포에서 mitochondria의 형태가 복구된다.
E. Comparative interactomics of coronavirus nonstructural proteins identifies shared and unique ER-mitochondrial host cell dependencies, Lars Plate (Vanderbilt university)
- 바이러스들은 감염되는 동안, 호스트의 단백질의 상호작용에 의존(host protein interactions) - Attachment – Endocytosis – Uncoating – Translation – Replication – Assembly – Maturation – Release 순으로 바이러스의 증식이 이루어진다.
- 바이러스는 호스트의 UPR을 변화시키며, 이러한 호스트-바이러스 간의 단백질 상호작용은 감염과 병증을 유발한다.
- Too much UPR activation이 pathologic state (cell death)와 연관(Mild UPR activation – homeostasis, Full UPR activation – pathology)
- Nsp2와 Nsp4라는 유전자를 타겟으로 하여, 이 두 유전자를 ER과 mitochondria의 contact sites에 위치시키고, UPR activity를 확인했다.
- Mitochondria-associated ER membranes: 세포 내 소기관들 간의 communication, Ca2+ signalling, mitochondrial activity의 조절한다(energy production, apoptosis).
- Nsp2: CoV pathogenesis에서 알려지지 않은 역할, SARS-CoV-2에서 positive selection pressure의 site를 포함한다.
- Nsp4: Replication complexes (RC)의 double membrane vesicles (DMV)를 만드는 것을 도와준다.
- UPR activity를 조절하는 Nsp3의 역할을 연구: SARS-2 Nsp3.1이 ATF6와 interaction 하여 ATF6 pathway를 modulation 한다.
- Nsp3에 의해 ATF6가 억제되는 것의 molecular mechanism을 밝히는 것과 여러 바이러스 감염 과정 동안 UPR 억제하는 기능, anti-viral treatment에 대해 더 연구할 예정이다.
5.2. Session VI: UPR signaling, cell fate and cancer
A. ATF6 drives fatty liver disease progression to hepatocellular carcinoma, Randal J. Kaufman (SBP Medical Discovery Institute, La Jolla, CA)
- 환경적 요인, 알코올 섭취, 고지방 식단, 과당 섭취, 바이러스 감염에 의해서 Fatty liver가 유발된다.
- Healthy liver에 injury가 생길 시 NAFLD (Steatosis) – NASH (Steatohepatitis) – Cirrhosis – Hepato-cellular carcinama (HCC) 순으로 진행된다.
- ER stress가 key factor이다.
- NASH와 HCC에서의 ER stress의 역할: HFD를 먹인 쥐의 간세포에 있는 ER에 misfolded urokinases (MUP-uPA)가 일시적으로 발현될 경우 NASH와 HCC의 원인이 되는 것과 HFD diet를 먹인 쥐에게서 ER stress를 induce 하는 clotting factor VIII를 발현시켰을 때, hepatocyte adenomas/carinomas가 생기는 것을 확인했다.
- UPR tranducer ATF6가 NAFLD/NASH-driven HCC에서 하는 역할에 대해 연구 중이다.
- hepatocytes-specific ATF5p50 induction은 liver damage, NRF2-induced genes, and accumulation of lipids/cholesterol의 upregulation의 원인이 되며 DEN + HFD-induced liver cancer로 이어진다.
- ATF6 deletion 시에는 DEN-HFD model에서 NASH가 억제되고, HCC 발달이 약화된다.
- Hepatocyte-specific ATF6 deletion은 oncogene-induced HCC로부터 보호된다.
B. Post-translational regulation of BiP by FICD-mediated AMPylation and deAMPylation, Luke Perera (David Ron Lab, University of Cambridge)
- FICD: BiP activity를 조절, ER-localised, type II membrane protein, BiP의 AMPylation과 deAMPylation을 촉매, AMPylation은 BiP을 inactivation 시킨다.
- FICD의 monomerisation은 BiP의 AMPylation을 촉진하고, deAMPylation을 억제한다.
- 또한, Monomerisation은 Glu234의 flexibility를 증가시키고, MgATP의 AMPylation competent binding을 가능케 한다.
- FICD는 BiP의 Hsp70 ATP-state를 recognition 한다.
- FICD monomerisation은 BiP deAMPylation을 약화시킨다.
C. Regulating ER protein homeostasis by differentially processing mRNAs, Weihan Li (Peter Walter Lab, UCSF)
- ER folding capacity와 folding burden 간에 균형이 맞춰져 homeostasis를 유지하는데, folding burden이 커질 경우 UPR이 activation 되고, 그 중 IRE1이 mRNA splicing을 통해 folding capacity를 증가시키고, selective mRNA decay를 통해 folding burden을 감소시킨다.
- 두 개의 IRE1 outputs이 protein homeostasis를 유지: XBP1 splicing (Transcriptional regulation), substrate cleavage & degradation (mRNA decay)
- 이 두 과정에서 IRE1은 RNase specificity를 가짐: stringent, promiscuous substrate specificity
- 이러한 RNase specificity를 결정하는 IRE1의 residue가 무엇인지를 알고자 했고, protomer alignment가 조절함을 밝혔다.
D. Activation of the UPR sensor ATF6 is regulated by redox-dependent dimerisation, Ojore Oka (University of Glas-gow)
- ATF6는 ER stress sensor이며, transcription factor 이다.
- ATF6 activation의 key step은 ER retention factors로부터 release 되는 것과 Golgi로 이동하는 것, S1P, S2P-ATF6-N에 의해 cleavage 되는 것을 포함하며, redox와 oligomeric status가 activation을 조절한다.
- ER stress 발생할 때, ATF6는 redox status 이다.
- Misfolded LDLR의 발현은 ATF6 C467 dimer accumulation과 trafficking을 일으킨다.
- Dimer ATF6는 S1P에 의해 잘려서 Golgi로 이동한다.

 

6. Summary

 

코비드-19이 발생한 지 1년이 조금 더 지났는데, 6월 중순에 참여했었던 Keystone e-symposia도 그렇고 이번 FASEB ER conference도 온라인 플랫폼이 완벽하게 준비되어 있었다. 시간이 지연 되는 것 없이 짜여진 세션 순서에 따라 발표자들이 자신의 연구 내용을 발표하고, 청중들은 듣는 중에 질문이 생기면 Q&A 버튼을 눌러 질문을 글로 남기고, 모든 세션이 종료된 후 발표자들이 전부 나와 자신에게 들어온 질문에 답해주는 형식으로 진행되었다.

나 역시, ER stress-mediated autophagy를 연구하는 연구자로서 이번 학회를 통해 ER에 대해 더 깊이 공부하였고, 또한, 연구자의 중요한 덕목 중 하나인 자신의 연구 결과를 청중들 앞에서 어떻게 하면 더 잘 설명할 수 있는지를 배운 시간이었다. 한편, 내가 연구하는 다른 주제인 다양한 대사 질환들(Metabolic diseases)을 유발하는 것에 ER stress가 영향을 끼친다는 것을 알고는 있었지만, 구체적인 메커니즘에 대해서는 알지 못했는데, Session V에서 다양한 지식들을 얻게 되었고, 향후 나의 연구에 어떻게 접목할 수 있을지를 구상하는 것에 많은 영감을 받았다. 특히, Arrowhead Pharmaceuticals 소속 Dr. Christine Wooddell의 liver fibrosis/cancers에서의 RNAi therapy는 현재까지의 지식으로는 NAFLD의 발달 단계에서 Simple steatosis-NASH-Fibrosis-Cirrhosis-HCC 순서의 병증에서 Fibrosis까지 진행되면 reversible 하지 않고, 치료 방법이 없다는 안타까운 현실 속에서 ‘RNAi’라는 아주 익숙한 방법을 사용해 병증을 막거나 되돌릴 수 있다는 점에서 혁신적으로 다가왔다.

포스터 세션에서는 자신의 연구 결과를 포스터로 만들어 PDF file과 설명하는 동영상으로 올려두고 정해진 시간에 연구자들이 모여 토의하는 모습은 인상적이었고 고무적이었다. 나도 포스터 발표자로 참여했고, 몇 분의 교수님들과는 트위터로 서로 팔로우도 하고, 앞으로 박사학위를 마친 후 해외 포닥을 생각하고 있는 사람으로서 새로운 경험과 시각을 얻게 되었다. 현장에 직접 가서 다양한 연구자들을 만나 소통하고 네트워킹을 늘려가지 못하는 점은 크나큰 아쉬움으로 남았지만, 너무나도 잘 준비된 온라인 플랫폼을 통해 갑작스러운 팬데믹이라는 어려운 상황 속에서도 많은 것을 배우고 느낄 수 있었던 유익한 시간이었다.

 

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이윤경(2021). The endoplasmic reticulum conference – Structure, Function, and Disease. BRIC View 2021-C06. Available from https://www.ibric.org/myboard/read.php?Board=report&id=3840 (Jul 22, 2021)
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