Mitochondria are crucial intracellular organelles involved in ATP production, calcium regulation, and innate immune responses. Mitochondrial damages are associated with common neurodegenerative diseases including Parkinson’s disease (PD). Therefore, it is important that how cells respond to mitochondrial damages, in terms of cellular signal transduction, to understand and treat such diseases. Especially, CCCP-induced mitochondrial damages reveal induction of autophagy as well as inhibition of cell growth as a defense mechanism of the cell. It has been supposed that AMPK, a crucial energy sensor, mediates this defense system directly or indirectly through its downstream, mTORC1. In addition, recent reports showed that CCCP-induced autophagy including mitophagy is dependent on PINK1/Parkin pathway, one of signaling systems involved in genetic PD. Firstly, I examined whether AMPK, a crucial energy sensor, is essential for CCCP-induced autophagy. Unexpectedly, I observed that CCCP, independently of AMPK, downregulates mTORC1 and promotes autophagy including mitophagy. Furthermore, I performed the screening to find another crucial kinase for CCCP-induced mitochondrial damages using Drosophila dsRNA kinase library, and had not obtained any candidate kinases. It infers that CCCP-dependent mitochondrial damages are mediated by other proteins in new functional groups, not in protein kinases to control mTORC1 activity and autophagy. Secondly, I investigated whether calcium is required for CCCP-induced PINK1/Parkin pathway. Intriguingly, CCCP-dependent accumulation of full-length PINK1 and Parkin translocation at mitochondria were inhibited by intracellular calcium chelators including BAPTA/AM and EGTA/AM. Calcium deprivation, independently of CCCP, mainly decreased full-length PINK1 resulting in cleaved PINK1. The detailed molecular mechanism of how calcium regulates the proteolytic processes of full-length PINK1 remains to be further investigated. Taken together, my studies on AMPK and PINK1 signaling pathways under CCCP-induced mitochondrial damages will be helpful to understand the pathophysiological mechanism of PD.
미토콘드리아는 세포 내 존재하는 기관으로, ATP 생성과 세포 내 칼슘 조절, 그리고 선천성 면역 반응 등에 중요한 기능을 한다. 이러한 미토콘드리아가 손상은 여러 신경퇴행성 질환과 관련이 있으며, 그에 반응하는 세포 내 신호 전달 체계에 대한 연구가 현재 활발히 진행 중이다. 특히 CCCP에 의한 미토콘드리아의 손상이 세포 내 자식 작용의 유도 및 세포 증식 억제와 관련하여 연구되고 있다. 또한 최근 들어 유전적 파킨슨병의 신호체계 중 하나인 PINK1/Parkin pathway가 CCCP에 의한 미토콘드리아의 자식 작용에 중요한 역할을 하는 것이 규명되었다. 첫 부분에서 나는 세포 내 에너지 센서인 AMPK가 CCCP에 의한 미토콘드리아 손상에 의한 자식 작용을 유도하는 데 있어서 얼마나 중요한 역할을 하는지 연구하였다. CCCP가 AMPK를 활성화 시키고, 그 하류 타깃인 mTORC1을 억제시키는 것이 관찰되었다. 그러나 기대와 달리, 세포 내에서 AMPK가 없어도 CCCP에 의한 mTORC1의 억제와 자식 작용이 일어남을 관찰하였다. 또한 초파리 인산화효소의 dsRNA라이브러리를 이용하여 스크리닝을 수행하였는데, CCCP에 의한 자식 작용을 매개할 만한 중요한 후보군들이 발굴되지는 않았다. 이것은 CCCP에 의한 자식 작용에 있어, AMPK를 비롯한 인산화효소 외에 다른 중요한 매개체가 있을 가능성을 시사한다. 두 번째 부분에서, 나는 CCCP에 의한 PINK1/Parkin pathway에 있어서 칼슘의 필요성과 역할을 규명하고자 하였다. 흥미롭게도 CCCP에 의한 PINK1의 축적과 Parkin의 미토콘드리아로의 이동 현상은, 칼슘을 제거하면 발생하지 않았다. 이것은 칼슘의 제거가 PINK1의 합성에는 영향을 주지 않으면서 주로 긴 PINK1을 없애기 때문이었다. 칼슘과 PINK1과의 세밀한 분자적 기전은 앞으로 좀 더 자세히 규명할 필요가 있다. 지금까지의 연구를 통해 본 연구자는 CCCP에 의한 미토콘드리아 손상에 따른 AMPK와 PINK1 신호전달체계에 대해 새로운 이해를 밝혀 냈으며, 이러한 연구 결과는 앞으로 파킨슨병의 질병발생 기전을 이해하고 더 나아가 치료에도 큰 도움이 될 수 있을 것으로 기대한다.
