Tumor Necrosis Factor(TNF) is mainly secreted by immune cells and involved in regulation of cell death. Nuclear factor-kappaB(NF-κB) is the main regulator of TNF. NF-κB activation starts from receptors of TNF, TLR, IL-1 and converges on IKK complex, which requires ubiquitin/proteasome-mediated proteolysis(UPS) for its full activation. Downregulation of proteasome function observed in neurodegenerative diseases has been attributed to mutant form of ubiquitin(UB+1) because UB+1 has been concomitantly observed with proteasomal malfunction. However, recent data supports UPS-independent IKK complex activation pathways. Therefore, this paper delineates differences of ubiquitin mutation and proteasome malfunction on NF-κB activation by computational modeling approach.
Modeling and simulation were performed from TNF receptors to IKK complex. Randomly chosen values were selected if simulation result with the values 1)is compatible with experimental data and 2)represents proteasome inhibition effect. 100,000 trial selected 13 valid parameter sets. Magnitude of variables in the parameter sets are consistent with biological considerations.
The representative variables for UPS and UPS-independent ubiquitination were found by sensitivity analysis. By changing efficiencies of UPS and UPS-independent ubiquitination, maximum IKK activity were traced. Maximum IKK activity increases as UPS efficiency decreases. On the other hand, maximum IKK activity decreases as efficiency of UPS-independent ubiquitination decreases. Therefore, UPS-independent ubiquitination itself turned out to more profoundly affect on IKK activation that through UPS. Even though mutation of ubiquitin can affect on UPS, this effect is relatively minor than UPS-independent ubiquitination effect on IKK activation. Therefore, ubiquitin mutant affects on IKK activation differently to malfunction of UPS.
Ubiquitin mutation has been thought to affect on IKK activation through UPS because mutant ubiquitin and defective UPS have been concomitantly observed in neurodegenerative diseases. However, scrutinizing with computational approach revealed that effect of mutant ubiquitin is different to that of UPS on IKK activation.
종양괴사인자(Tumor Necrosis Factor, TNF)는 주로 면역 세포에서 분비되는 분자로, 세포의 사멸을 조절하는 분자이다. TNF의 주요 기능은 전사 인자인 NF-κB에 의해 조절 된다. NF-κB의 활성화 경로는 TNF 수용체, TLR 수용체, IL-1 수용체 등에서 시작하여 IKK 복합체로 수렴하며, 이 때 프로테아좀/유비퀴틴 복합체에 의한 단백질 분해(UPS)가 관여한다. 알츠하이머와 같은 퇴행성 뇌질환에서는 프로테아좀의 기능이 저하되어 있는 것이 관찰된다. 또한 아밀로이드 베타나 타우, 유비퀴틴 돌연 변이 형태의 단백질 축적이 관찰된다. 지금까지는 퇴행성 뇌질환에서 관찰되는 프로테아좀의 기능 저하가 유비퀴틴 돌연 변이 형태 때문인 것으로 간주하였다. 그러나 최근에는 UPS와는 독립적인 유비퀴티네이션이 IKK 복합체의 활성에 참여하는 것이 보고되고 있다. 따라서 유비퀴틴 돌연 변이 형태에 의한 NF-κB의 활성이 UPS에 독립적인 반응과 의존적인 반응 중 어느 반응에 얼마나 더 영향을 받을지에 대한 연구가 필요하다. 이 논문에서는 모델링과 시뮬레이션을 이용하여 유비퀴틴 돌연 변이 형태가 NF-κB의 활성에 주는 영향을 살펴 보았다.
TNF 수용체에서 IKK 복합체까지의 경로까지를 모델링하여 시뮬레이션 하였다. 시뮬레이션에 사용할 변수의 값을 결정하기 위하여 각 변수의 값을 [0.0001, 1) 범위에서 무작위로 선택한 후, 선택된 변수로 시뮬레이션을 하여, 결과가 실험 결과에 적합한 경우만을 선택하였다. 총 100,000번을 시행한 후, 3345개의 변수 집합을 선택하였다. 그 후, 실험 결과에서 관찰되는 특징인, 프로테아좀 기능을 저하시켰을 때 IKK 복합체의 활성이 증가하는 경우만을 다시 선택하여 총 13개의 변수 집합을 구하였다. 선택된 변수 집합에 무관하게 값이 크게 나온 변수들은 생물학적으로 타당해 보이는 값들로써, 이와 같이 변수를 정한 것이 유효하다는 것을 알 수 있다.
위와 같이 선택된 변수 집합에 대해, UPS에 관여하는 변수 중 어느 변수가 IKK 복합체의 활성에 가장 중요한지 알아보기 위하여 민감도 분석(sensitivity analysis)을 수행하였다. 그 결과 프로테아좀 농도의 반응 차수가 가장 중요한 변수로 결정되었다. 같은 방법으로 UPS-독립적 유비퀴티네이션 중에서 IKK 복합체의 활성에 가장 중요한 변수를 찾았다. UPS의 효율과 UPS-독립적 유비퀴티네이션이 각각 IKK 복합체의 활성에 어떤 영향을 주는지 알아 보기 위해, UPS와 UPS-독립적 유비퀴티네이션의 효율성을 변화시키면서 IKK 복합체의 최대 활성도를 측정하였다. UPS의 효율이 감소하면 IKK 복합체의 활성이 증가하였다. 그러나 UPS-독립적 유비퀴티네이션의 효율을 감소시키면 IKK 복합체의 활성이 감소하였다. 따라서, UPS-독립적 유비퀴티네이션은 UPS를 통한 IKK 복합체에 영향을 주는 것 보다는, UPS-독립적 유비퀴티네이션에 의해 IKK 복합체의 활성에 영향을 주는 것으로 나타났다. 유비퀴틴의 돌연 변이는 비록 UPS의 효율성을 감소시킬 수 있으나, 이것은 IKK 복합체의 활성에는 별로 영향을 주지 않는 것으로 나타났다. 즉, 유비퀴틴 돌연 변이 형태에 의한 IKK 복합체의 활성 변화는 UPS에 의한 변화와 다른 것이다.
퇴행성 뇌질환에서는 유비퀴틴 돌연 변이 형태와 프로테아좀의 기능 저하가 동시에 관찰되기 때문에, 지금까지는 유비퀴틴의 돌연 변이 형태는 주로 프로테아좀의 기능을 저하시킴으로써 IKK 복합체의 활성을 변화시킬 것으로 생각하였다. 그러나 시뮬레이션을 통한 연구 결과, 유비퀴틴 돌연 변이 형태에 의한 IKK 복합체의 활성도는 프로테아좀의 기능 저하에 의한 IKK 복합체의 활성도와 다르다는 것을 알 수 있었다.
