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문제 정의
- 현재까지 CTDNEP 1의 생물학적 기능을 밝히는데 상당한 발전을 이루었다고 볼 수 있으나, 해결해야 할 많은 의문점이 남아 있다. 그러한 의문점 중에 하나로써,포유류 세포에서 지질 합성에 관여하는 유전자의 발현을 조절하는 측면에서 탈 인산화 된 LIPIN의 역할을 규명하는 것이다.
- 1). 본 리뷰에서는 위에서 언급된 7종의 CTD 탈 인산화 효소들에 대해 최근에 연구되어 보고된 생물학적 역할을 중심으로 정리하여, 앞으로의 CTD 탈 인산화 효소들의 연구 전망에 대해 논의해보고자 한다.
제안 방법
- 그리고 병리적으로 폐암으로 확인된 환자조직을 정상조직과 비교 연구를 수행하여 CTDP1의 세포증식에 미치는 영향에 대해서도 연구하였다[81]. 그리고 CTDP1의 짧은 헤어핀 RNA를 발현하는 렌티 바이러스 벡터(short hairpin RNA, shRNA)를 제작하여 인간의 폐 세포에 감염시켜 그 역할에 대한 연구를 수행하였다[13]. 그 결과 CTDP1은 4 종의 모든 인간 폐암 세포에서 발현되었고 종양 환자조직에서의 CTDP1의 발현이 정상조직보다 유의하게 높았다.
- 최근 CTDP1의 종양 형성 과정에서 역할이 여러 가지 연구에 의해 제기되고 있다. 먼저 인간 폐암에서 CTDP1의 기능에 대한 연구를 수행하였는데, 4종의 인간 폐암 세포주를 가지고 CTDP1의 발현 정도를 비교 연구하였다. 그리고 병리적으로 폐암으로 확인된 환자조직을 정상조직과 비교 연구를 수행하여 CTDP1의 세포증식에 미치는 영향에 대해서도 연구하였다[81].
성능/효과
- 한편 다른 연구에서는 역 전사-정량적 중합 효소 연쇄 반응분석을 사용하여 다양한 위암(gastric cancer, GC) 세포주에서 CTDP1 전령 RNA 발현을 검출 하여, CTDP1이 특정 GC 세포주에서 높게 발현된 것을 확인 하였다. CTDP1의 짧은 간섭 RNA를 발현하는 렌티 바이러스 벡터(small interfering RNA,siRNA) 감염에 의해 GC 세포에서 발현을 억제한 경우를 통해CTDP1 억제는 세포 증식을 감소시키고, G0/G1 단계에서 세포주기를 정지시키고 GC 세포에서 세포 사멸을 증가시키는 결과를 얻었다. 한편 CTDP1을 억제함으로써 GC 세포의 콜로니 형성 능력도 억제되었다.
- 그리고 CTDP1의 짧은 헤어핀 RNA를 발현하는 렌티 바이러스 벡터(short hairpin RNA, shRNA)를 제작하여 인간의 폐 세포에 감염시켜 그 역할에 대한 연구를 수행하였다[13]. 그 결과 CTDP1은 4 종의 모든 인간 폐암 세포에서 발현되었고 종양 환자조직에서의 CTDP1의 발현이 정상조직보다 유의하게 높았다. 그리고 CTDP1의 짧은 헤어핀 RNA를 발현하는 렌티 바이러스 벡터(shRNA)에 의해 감소된 CTDP1 발현은 세포 성장을 유의하게 억제하였다.
- 그 결과 CTDP1은 4 종의 모든 인간 폐암 세포에서 발현되었고 종양 환자조직에서의 CTDP1의 발현이 정상조직보다 유의하게 높았다. 그리고 CTDP1의 짧은 헤어핀 RNA를 발현하는 렌티 바이러스 벡터(shRNA)에 의해 감소된 CTDP1 발현은 세포 성장을 유의하게 억제하였다. 이러한 연구의 결과는CTDP1이 세포 증식에 중요한 역할을 한다는 것을 나타냈다.
- CTDSPL2는 HeLa 세포에서의 siRNA 매개 knock-down을 통해 연구된 바에 따르면 RNA 중합 효소 II CTD의 5번째와 7번째 serine의 인산화 수준을 증가 시켰지만 2번째 serine의 인산화는 증가되지 않았다. 그리고 CTDSPL2는 염색질에서국소화 되어 존재하는 것으로 밝혀졌고, 특히 전사가 silenced 염색체 영역에서 많이 발견되었다. 그리고 적혈구 분화 과정에서 염색질 분획으로부터 CTDSPL2가 점진적으로 방출되어 세포질에 축적되는 것으로 나타났다.
- 이때 CTDSP1은PML 안정화를 통해 종양의 증식, 이동, 침범이라는 ccRCC의악성적인 특징을 억제하였다. 그리고 이 연구에서 밝혀진 바에 따르면 CTDSP1은 종양에서의 angiogenesis뿐만 아니라 mTOR-HIF 경로를 억제하는 것으로 나타났다. 이러한 과정의 연구를 통해 CTDSP1, CTDSP2, 그리고 CTDSPL의 암 발현과 조절에 있어 매우 중요한 역할을 수행하고 있다는 점이 밝혀지고 있어 향후 이에 대한 치료제 개발의 필요성이 제기되리라 예측한다.
- 제대혈(umbilical cord blood, UCB)에서 CTDSPL2의 전사 수준이 성인 골수(bone marrow, BM)보다 매우 높은 것이 확인되었다. 그리고 적혈구 분화 과정에서 CTDSPL2 유전자의 전사가 유의하게 증가되는 것으로 밝혀졌다. 또한, CTDSPL2의 과발현이 K562 세포에서 ε- 및 γ- 글로빈 유전자의 발현을 증가시키며, RNA 간섭에 의한 CTDSPL2의 억제는 ε- 및 γ- 글로빈 유전자의 발현을 감소 시키는 것으로 나타났다.
- 그리고 CTDSPL2는 염색질에서국소화 되어 존재하는 것으로 밝혀졌고, 특히 전사가 silenced 염색체 영역에서 많이 발견되었다. 그리고 적혈구 분화 과정에서 염색질 분획으로부터 CTDSPL2가 점진적으로 방출되어 세포질에 축적되는 것으로 나타났다. 따라서 CTDSPL2는 염색체에 분포하고 적혈구 분화 동안 유전자 조절에 참여할 수 있는 독특한 염색질 관련 CTD 탈 인산화 효소로 추정되고 있다[66].
- 또한, CTDSPL2의 과발현이 K562 세포에서 ε- 및 γ- 글로빈 유전자의 발현을 증가시키며, RNA 간섭에 의한 CTDSPL2의 억제는 ε- 및 γ- 글로빈 유전자의 발현을 감소 시키는 것으로 나타났다.
- 마지막으로, CTDNEP1의 비활성화가 원래 Xenopus laveis의 두뇌 발달에 중대한 영향을 미쳤다는 것을 주목하는 것이 필요하다고 본다[47]. 현재까지 연구된 바에 따르면 CTDNEP1은 핵막 형성을 변화시키는 것으로 알려져 있는데, 이러한 결과가 어떻게 두뇌 발달에 중대한 영향을 미칠 수 있는지 추가적인 연구가 필요하다고 본다.
- 그 cDNA는 유비퀴틴 유사 도메인과 CTD 탈 인산화 효소 도메인을 포함하는 318 아미노산 폴리펩타이드를 암호화하는 2215 bp이다. 역 전사 PCR (RT-PCR)을 통해 UBLCP1이 대부분의 성인 정상 조직에서 상대적으로 낮은 수준으로 발현되었고 빠른 성장 또는 종양 조직에서는 높은 수준으로 발현된다는 것을 밝혀냈다. UBLCP1은 시험관 내에서 실험을 통해서 GST-CTD를 탈 인산화 시킬 수 있는 것으로 알려져 있다.
- 이는 단백질 서열상의 유사성과 세포내의 localization도 유사함이 알려져 있다. 위의 연구와 더불어 인간 CTDNEP1는 yeast Pap1p의 human homolog protein인 LIPIN1을 탈 인산화 시킴을 확인하였고(Table 1),결론적으로 인간에게도 yeast와 같은 핵막 지질(nuclear membrane lipid) 합성을 조절하는 기작의 존재가 제시되었다. yeast Smp2p의 포유류 ortholog는 LIPIN 인 것으로 알려져 있다[15].
- 한편 CTDP1을 억제함으로써 GC 세포의 콜로니 형성 능력도 억제되었다. 이러한 결과를 종합하면, CTDP1은 GC 세포의 종양 형성 능력에 중요한 역할을 하는 것으로 생각되고 있다. 이러한 연구들을 통해 CTDP1의 암 생성 및 조절에 대한 역할이 새롭게 제기되었으며, CTDP1이 인간의 다양한 암 치료의 유용한 치료 표적일 수 있다는 점을 제시하고 있다.
- 그리고 CTDP1의 짧은 헤어핀 RNA를 발현하는 렌티 바이러스 벡터(shRNA)에 의해 감소된 CTDP1 발현은 세포 성장을 유의하게 억제하였다. 이러한 연구의 결과는CTDP1이 세포 증식에 중요한 역할을 한다는 것을 나타냈다. 한편 다른 연구에서는 역 전사-정량적 중합 효소 연쇄 반응분석을 사용하여 다양한 위암(gastric cancer, GC) 세포주에서 CTDP1 전령 RNA 발현을 검출 하여, CTDP1이 특정 GC 세포주에서 높게 발현된 것을 확인 하였다.
- 이에 대해 자세히 살펴보면 효모(yeast)에서 nucleoporin Nup84p와의 유전자 상호 작용연구를 통해 두 단백질 인 Nem1p와 Spo7p를 처음 발견하였다. 이어서, Nem1p와 Spo7p가 단백질 복합체를 형성하고, 이두 단백질이 Smp2p의 활성을 조절함으로써 핵막 형성에 역할을 한다는 것이 증명되었다. Smp2p는 세포주기 관련 인산화효소에 의해 인산화 되고 Nem1p와 Spo7p의 복합체에 의해 탈 인산화 된다[19, 45].
- 현재까지의 연구에 의해 잘 알려진 CTDSP1의 생물학적 역할은 신경세포 유전자 발현 억제(neuronal gene silencing)의 기능을 가지고 있음이 잘 알려져 있다(Table 2) [71]. 이에 대해서는 P19이라는 마우스 배아 암 줄기 세포(mouse embryonic carcinoma stem cell)을 이용하여 CTDSP1이 REST/ NRSF라는 신경세포 유전자 발현 억제 인자(neuronal gene silencing factor)들과 함께 신경세포 관련 유전자(neuronal gene)의 발현을 억제함이 밝혀짐을 통해 증명되었다. 그리고 이러한 역할이 CTDSP2와 CTDSPL에 의해서도 기능적으로 유사하게 나타남이 알려져 있다.
- 전체적인 구조를 살펴보면 N-말단에 세포막 통과하는 부위가 존재하고 다른 CTD 탈 인산화 효소들과 비슷한 탈 인산화 효소 도메인을 가지고 있는 것으로 알려져 있다(Table 1). 제대혈(umbilical cord blood, UCB)에서 CTDSPL2의 전사 수준이 성인 골수(bone marrow, BM)보다 매우 높은 것이 확인되었다. 그리고 적혈구 분화 과정에서 CTDSPL2 유전자의 전사가 유의하게 증가되는 것으로 밝혀졌다.
- CTDP1의 짧은 간섭 RNA를 발현하는 렌티 바이러스 벡터(small interfering RNA,siRNA) 감염에 의해 GC 세포에서 발현을 억제한 경우를 통해CTDP1 억제는 세포 증식을 감소시키고, G0/G1 단계에서 세포주기를 정지시키고 GC 세포에서 세포 사멸을 증가시키는 결과를 얻었다. 한편 CTDP1을 억제함으로써 GC 세포의 콜로니 형성 능력도 억제되었다. 이러한 결과를 종합하면, CTDP1은 GC 세포의 종양 형성 능력에 중요한 역할을 하는 것으로 생각되고 있다.
후속연구
- 그리고 최근 yeast Spo7p와 같이 인간CTDNEP1과 상호 작용하는 단백질인 Nuclear envelope phosphatase 1-regulatory subunit 1 (formerly TMEM188,NEP1-RE1)이 현재 밝혀져 CTDNEP1과의 상호 작용을 통해LIPIN 신호전달에 관여되는 것으로 알려져 있다[15]. 그러므로 CTDNEP1 또한 CTDSP1과 마찬가지로 줄기 세포 분화와의 연관성 측면에서 연구가 많이 진행될 것으로 예상된다.
- 또한, 배양된 세포에서 탈 인산화 효소의 과 발현은 비 특이적인 탈 인산화를 유도할 수 있다는 문제점 또한 예상된다. 그러므로 CTDNEP1의 BMP 수용체 신호 전달 경로에서 역할을 명확히 하기 위해서는 추가적으로 좀 더 섬세하게 디자인된 연구가 필요할 것으로 보인다.
- 이러한 연구에서 주목할 것은 P19 줄기세포에서 인산화 된 CTD에 결합할 수 있는 CTDSP1 의 불활성화 돌연변이(D96ED98N) [46]를 이용하여 P19 줄기 세포의 뉴런 유전자 발현과 신경 세포 분화 유도를 발견했다는 점이다. 다능성 줄기 세포에서 신경 세포 특이적 유전자의 부적절한 발현을 제한하는 CTDSP1의 역할을 살펴봄으로써 향후 적절한 억제제를 개발한다면 이러한 줄기 세포에서 신경 세포 분화를 유도할 수 있는 방안이 마련됨을 통해 신경 세포 재생 등의 영역에서 활용될 수 있으리라 본다. 한편 CTDSP1의 새로운 역할로써 TGF-beta/bone morphogenetic protein (BMP) 신호 전달 경로에 놓여 있는 SMADs (Mothers against decapentaplegic homologs) family의 탈 인산화에 관여됨[42, 46, 70]이 제시되고 있어 이에 대한 좀 더 많은 연구 등을 통해 추가적인 역할 규명이 될 것으로 예측된다.
- 그리고 Twist1과 같은 암세포의 침입과 전이에 중요한 역할을 하는 단백질을 탈 인산화 시키는 것으로 알려지게 되었다[22]. 이는 CTDSP1이 암 발생 조절과 전이 조절의 가능성을 보여주는 사례들이며, 향후 암과의 관련성 연구가 주요하게 이루지리라 예측된다.
- 따라서, Nem1p/Spo7p 복합체에 의한 Smp2p의 탈 인산화는 효모에서 세포 분열 동안 핵막 형성의 중요한 조절 기작이다. 이는 핵막의 형성에 있어 새롭게 밝혀진 기작으로 현재 새롭게 조명 받고 있으며 향후 추가적인 연구를 통해 좀 더 구체적인 기작 규명이 필요한 분야이다.
- 한편 RNA 중합 효소 II의 CTD에 대한 다른 탈 인산화 효소로 최근에 밝혀진 것은 SSU72와 같은 탈 인산화 효소 들이 알려지고 있다[75]. 이들은 CTD 탈 인산화 효소 그룹에 소속되어 있지 않아서 여기서는 자세히 다루지 않겠지만, 이를 통해 보면 여러 개의 탈 인산화 효소가 RNA 중합 효소 II CTD의 탈 인산화에 관여됨을 알 수 있고,이러한 과정의 기능적 복잡성을 보여준다고 할 수 있기에 향후 이에 대한 좀 더 체계적인 연구의 필요성이 제기된다고 할 수 있다.
- 그리고 이 연구에서 밝혀진 바에 따르면 CTDSP1은 종양에서의 angiogenesis뿐만 아니라 mTOR-HIF 경로를 억제하는 것으로 나타났다. 이러한 과정의 연구를 통해 CTDSP1, CTDSP2, 그리고 CTDSPL의 암 발현과 조절에 있어 매우 중요한 역할을 수행하고 있다는 점이 밝혀지고 있어 향후 이에 대한 치료제 개발의 필요성이 제기되리라 예측한다.
- 이러한 줄기세포 분화 조절물질 발굴을 위한 연구는 혈액 줄기세포나 신경줄기세포 분화 조절의 방향에서 다양하게 이루어지리라 생각한다. 이러한 연구에 있어 좀 더 성공적인 연구 결과를 얻기 위해서는 다양한 연구 결과 마련이 필요하며, 주도적인 연구 수행을 위한 노력이 필요하리라 본다.
- 한편 CTD 탈 인산화효소는 줄기 세포와의 연관성 차원에서 그 조절 물질 발굴 연구가 주요하게 이루어지리라 본다. 이러한 줄기세포 분화 조절물질 발굴을 위한 연구는 혈액 줄기세포나 신경줄기세포 분화 조절의 방향에서 다양하게 이루어지리라 생각한다. 이러한 연구에 있어 좀 더 성공적인 연구 결과를 얻기 위해서는 다양한 연구 결과 마련이 필요하며, 주도적인 연구 수행을 위한 노력이 필요하리라 본다.
- 특히 줄 기 세포분야에서 그 역할 규명이 주요하게 이뤄질 것으로 판단되며 생명현상의 기초적인 질문에 대한 답변을 제시하는방향에서도 검토되리라 본다. 특히 CTDNEP1의 경우 LIPIN 과의 연관성을 가지고 있는 측면에서 생체 내 지질 생합성과정에서의 역할이 주요하게 연구되리라 보며, CTDSP1의 경우 암 세포 조절 관련 신호전달 기작 규명 측면에서 진행되리라 본다.
- 향후 CTD 탈 인산화 효소들에 대한 다양한 연구들을 통해 좀 더 새로운 역할들이 제기될 것으로 예상된다. 특히 새로운 탈 인산화 기질의 발굴은 생물학적 역할 규명에 앞서 생화학적이고 세포 생물학적인 연구 방법을 통해 연구되어야 함이 매우 필요하다고 생각된다. 이것은 우리가 여러 가지 인간의 질병을 해결하기 위한 새로운 접근법을 제안하는데 필수적인 과정일 것이다.
- 한편 CTD 탈 인산화효소는 줄기 세포와의 연관성 차원에서 그 조절 물질 발굴 연구가 주요하게 이루어지리라 본다. 이러한 줄기세포 분화 조절물질 발굴을 위한 연구는 혈액 줄기세포나 신경줄기세포 분화 조절의 방향에서 다양하게 이루어지리라 생각한다.
- 다능성 줄기 세포에서 신경 세포 특이적 유전자의 부적절한 발현을 제한하는 CTDSP1의 역할을 살펴봄으로써 향후 적절한 억제제를 개발한다면 이러한 줄기 세포에서 신경 세포 분화를 유도할 수 있는 방안이 마련됨을 통해 신경 세포 재생 등의 영역에서 활용될 수 있으리라 본다. 한편 CTDSP1의 새로운 역할로써 TGF-beta/bone morphogenetic protein (BMP) 신호 전달 경로에 놓여 있는 SMADs (Mothers against decapentaplegic homologs) family의 탈 인산화에 관여됨[42, 46, 70]이 제시되고 있어 이에 대한 좀 더 많은 연구 등을 통해 추가적인 역할 규명이 될 것으로 예측된다. 현재 진행되고 있는 여러 연구 결과를 보아 주로 줄기 세포 등의 분화 기능 조절이나 특정 세포 발현 조절에 중요하게 작용할 것으로 예상된다.
- 그리고 CTDNEP1의 경우에는 핵막 형성에 대한 그 역할 관련성이 여러 연구를 통해 밝혀졌고, UBLCP1은 핵 프로테아좀 탈인산화효소 기능을 수행함을 통해 핵 프로테아좀 활성을 조절하는 것으로 알려지게 되었다. 향후 CTD 탈 인산화 효소들에 대한 다양한 연구들을 통해 좀 더 새로운 역할들이 제기될 것으로 예상된다. 특히 새로운 탈 인산화 기질의 발굴은 생물학적 역할 규명에 앞서 생화학적이고 세포 생물학적인 연구 방법을 통해 연구되어야 함이 매우 필요하다고 생각된다.
- 마지막으로, CTDNEP1의 비활성화가 원래 Xenopus laveis의 두뇌 발달에 중대한 영향을 미쳤다는 것을 주목하는 것이 필요하다고 본다[47]. 현재까지 연구된 바에 따르면 CTDNEP1은 핵막 형성을 변화시키는 것으로 알려져 있는데, 이러한 결과가 어떻게 두뇌 발달에 중대한 영향을 미칠 수 있는지 추가적인 연구가 필요하다고 본다. 또는 CTDNEP1의 관찰된 표현형이 현재까지 밝혀지지 않은 여러 생화학적 경로를 통해 설명될 수도 있다고 본다.
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