Tumor suppressors are genes that appear to prevent formation of a cancer. Among more than 10 tumor suppressors identified to date, I have focused upon two representative tumor suppressors - p53 and LKB1, whose mutations are responsible for cancer development in the Li-Fraumeni syndrome and the Peutz-Jeghers syndrome, respectively. First, p53 is a representative tumor suppressor protein, which is most frequently altered in human cancers. In order to analyze the physiological function of p53, Dmp53 mutant flies, the first model animal with no p53-family protein, has been generated. Surprisingly, Dmp53-null mutants well developed into adults, only displaying mild defects in longevity and fertility. However, genomic stability and viability of Dmp53 mutants dramatically decreased upon ionizing irradiation. Moreover, the absence of Dmp53 abolished irradiation-induced apoptosis and reaper induction. These results indicate that Dmp53 is a critical component of DNA damage-dependent apoptotic signaling. Second, LKB1 is a recently discovered tumor suppressor, whose down-regulation is generally implicated in the cancer progression. Drosophila LKB1 has been shown to negatively regulate organ growth by caspase-dependent apoptosis, without affecting cell size and cell cycle progression. Through genetic screening for LKB1 modifiers, the c-Jun N-terminal kinase (JNK) pathway was identified as a novel component of LKB1 signaling; the JNK pathway was activated by LKB1 and mediated the LKB1-dependent apoptosis. Furthermore, inhibition of LKB1 resulted in morphogenetic defects associated with a decrease in JNK activity. These results suggest that LKB1 is a cellular gatekeeper which induces developmental and stress-induced apoptosis via the JNK pathway. Finally, to further characterize the biological functions mediated by LKB1, genetic studies of AMP-activated kinase (AMPK), a recently discovered downstream target of LKB1, has been performed. Surprisingly, null-mutant of AMPK is lethal even in the presence of sufficient nutrients; AMPK-null embryos could not develop into larval stages, with abnormalities in epithelial polarity and cytoskeleton structure. Myosin regulatory light chain 2 (MRLC), which is responsible for the correct cytoskeletal organization, was suggested to be a downstream target of AMPK. Collectively, the present studies about the physiological role of p53, LKB1 and AMPK would provide a new paradigm for understanding complex molecular mechanisms underlying the tumor formation and development.
병리학적 측면에서 발암억제 유전자의 손상 혹은 결실은 암세포의 발생과 성장에 있어서 절대적으로 필요하다고 알려져 왔다. 따라서 발암억제 유전자의 생리적 기능이 신속하게 규명되어야 함에도 불구하고, 포유류 계통의 유전체 내 복잡성으로 인해 그 기능에 대한 유전학적 연구는 큰 진척을 이루지 못해 왔다. 따라서 본 연구자는 상대적으로 단순한 초파리 모델 시스템을 사용하여, 대표적인 발암억제 유전자인 p53 유전자와 LKB1 유전자의 기능을 추적하였다. p53 유전자는 인간에서 발견되는 전체 암의 50% 이상에서 손상되어 있는 가장 잘 알려진 발암억제 유전자이다.
나는 이러한 p53 유전자가 결실된 최초의 모델 초파리를 제작하여 그 기능을 규명하였다. 놀랍게도 p53 유전자가 없는 돌연변이 초파리는 정상적인 발생과정을 거쳐 성체로 성장하였으며, 수명과 번식력에 약간의 결함이 있는 것을 제외하고는 눈에 띄는 문제점을 보이지 않았다. 하지만 이 p53 돌연변이 초파리에 방사선을 조사했을 때에는 유전체의 안정성과 개체의 생존율이 같은 양의 방사선이 조사된 정상 초파리에 비해 급격히 떨어지는 사실을 관찰하였다. 흥미롭게도 방사선이 조사되었을 때 정상 초파리의 조직 안에는 많은 양의 죽어가는 세포가 관찰되었지만 p53 돌연변이 초파리의 조직 안에는 죽어가는 세포가 거의 관찰되지 않았다. 분자적인 수준에서, p53 유전자는 세포사멸 유전자인 reaper 유전자의 발현량을 조절하였으며, caspase 단백질의 활성을 촉진하여 세포를 죽이는 것으로 나타났다. 따라서 p53 유전자는 방사선에 의해 유전체의 안정성이 파괴된 세포를 조직으로부터 제거하는 역할을 하는 것으로 추정되었다. LKB1 유전자는 최근에 발견된 발암억제 유전자로서, 암이 진행됨에 따라 그 활성이 떨어지는 것으로 알려졌다. 초파리에서 LKB1 유전자는 세포사멸을 통하여 세포의 숫자를 조절함으로써 조직의 크기를 유지시키는 기능을 하였다. 이 기능의 분자적 기작을 규명하기 위하여 대규모의 유전자 스크리닝이 실시되었고, 그 결과, LKB1이 JNK 신호전달계의 활성을 촉진시키고, 이러한 활성화가 LKB1에 의한 세포사멸에 중요하다는 사실이 새로이 밝혀졌다. 이 결과와 일관되게, LKB1이 결손된 파리는 JNK 신호전달계의 활성이 감소되었고, 그에 따른 세포의 사멸 역시 저해되었다. 따라서 LKB1은 JNK 신호전달계를 통해 세포를 사멸시키는 기능을 가진 것으로 추정되었다. AMPK는 근래에 들어 LKB1에 의해 그 활성이 조절되는 것으로 밝혀진 유전자이다. 특히 역사적으로, AMPK는 세포 내의 에너지 상태를 측정하여 대사효소들의 활성을 조절하는 것으로 알려져 왔다. 하지만 AMPK의 활성이 없는 최초의 모델동물에서 얻어진 결과는 AMPK가 대사적 기능 외의 새로운 생리적 기능이 있음을 보여주고 있다. AMPK는 배 발생 단계의 상피조직 형성에 중요한 역할을 하는 것으로 밝혀졌으며, AMPK가 없는 초파리의 상피 조직은 각종 극성 유전자의 위치가 잘못 잡히고 세포골격구조가 완전히 흐트러지게 된다. 특히, AMPK는 세포 골격을 결정하는 myosin 단백질의 조절 부위인 MRLC 인자를 직접적으로 인산화하여 활성화시켰으며, AMPK에 의한 MRLC의 활성화는 LKB1에 의한 상피조직 구조의 형성뿐만 아니라, 유전체 안정성의 유지에도 중요한 역할을 하는 것으로 생각되었다. 이렇게 새롭게 밝혀진 발암억제 유전자의 생리적 기능들은 암세포의 발생과 진행에 관련된 분자적 기작을 이해하는 데에 큰 도움을 줄 수 있을 것이다.
