Cells continuously face diverse molecules having their own roles and integrate them to respond, but roles of each molecule have been studied separately. To know real physiological world, it needs to consider functional crosstalk between different signal transduction pathways. In this project, I studied how immune-mediated cell death pathway is modulated by construction of functional crosstalk with external stimulus.
After brief introduction of this thesis in chapter 1, I elucidated that transforming growth factor-β (TGF-β)-dependent expression of mitogen-activated protein kinase phosphatase1 (MKP1) contributes tumor resistance to death-receptor mediated cell death in chapter 2. Sporadic occurrence of transformed tumor cells is under surveillance of host immune system and effectively eliminated by immune-mediated cell death. When tumor progresses, anti-tumor effects of tumor microenvironment are suppressed by diverse immuno-suppressive mechanisms. In this research, I suggest novel immune evasion strategy of tumor cells by TGF-β-dependent mechanism. Experimental results showed that TGF-β induced MKP1 expression within 1 h, and it attenuated JNK phosphorylation and subsequent death receptor-mediated cell death. Immunostaining of MKP1 in hepatocellular carcinoma patients liver sample revealed that expression of MKP1 is tumor-specific. I also showed that chemotherapy with MKP1 knockdown could overcome drug resistance in cancer. Thus, I hypothesize that MKP1-dependent inhibition of cell death takes place only in the tumor tissue, and it act as immune escape mechanism of tumor.
In chapter 3, I investigated the cellular and molecular mechanisms responsible for hepatitis C virus (HCV)-induced liver damage. HCV infection results in liver injury and long-term complications such as liver cirrhosis and hepatocellular carcinoma. Liver injury in HCV infection is caused by immune responses, not viral cytopathic effects. Tumor necrosis factor-α (TNF-α) induces cell death that can be prevented by nuclear factor κB (NF-κB) activation. I studied the regulation of TNF-α signal transduction in HCV infection and identified HCV proteins responsible for this interaction by in vitro HCV infection system. As a result, TNF-α-induced cell death increased significantly in HCV-infected cells. NF-κB and c-Jun N-terminal kinase (JNK) pathways were examined as the balance between the signal pathways that regulate TNF-α-induced cell death. HCV infection diminished TNF-α-induced phosphorylation of IKK and IκB, which are upstream components of NF-κB activation. HCV infection also inhibited the nuclear translocation of NF-κB and subsequent expression of NF-κB-dependent genes such as XIAP, c-FLIPL, IL-8, and MIP1-β. Transfections with plasmids encoding each HCV protein revealed that core, NS4B, and NS5B attenuated TNF-α-induced NF-κB activation and enhanced TNF-α-induced cell death. Taken together, HCV infection enhances TNF-α-induced cell death by suppressing NF-κB activation, through the actions of core, NS4B, and NS5B. This mechanism may contribute to immune-mediated liver injury in HCV infection.
In conclusion, these two types of functional crosstalk involving immune-mediated cell death pathway showed high correlation with disease models, such as cancer and HCV infection, and explain detailed mechanism of pathogenesis.
세포는 다양한 물질과 결합하고 기능들을 종합하여 최종적인 반응을 일으키지만, 세포 신호 전달에 대한 연구는 대부분 각각의 경로에 대해 분리되어 이루어져왔다. 하지만 특정 물질의 기능을 시험관 실험이 아닌 생리학적인 측면에서 정확히 이해하기 위해서는 다양한 신호 전달 경로간의 기능적 교차전달을 고려해야 한다. 본 논문에서는 면역-매개 세포사멸에 관여하는 신호 전달 경로가 외부의 자극에 의해 어떻게 기능적 교차전달을 하고 조절할 수 있는지에 대해 연구하였다.
첫 번째 장에서 본 논문의 서론과 개요를 제시하였고, 두 번째 장에는 형질 전환 성장 인자-베타 (transforming growth factor-β)에 의해 발현되는 MKP1 단백질에 의한 암세포의 세포사멸 억제에 관한 연구를 기술하였다. 많은 조직에서 면역-매개 세포사멸이 활발히 일어나는데, 산발적으로 발생하는 암세포 역시 숙주의 면역 체계에 의해 제거된다. 그러나 암세포가 악성으로 진행될수록 여러 가지 기전을 통해 종양 미세 환경의 면역 체계가 무력화된다. 암 조직에는 형질 전환 성장 인자-베타가 많이 분비되어 있는데, 본 연구에서는 형질 전환 성장 인자-베타가 MKP1이라는 단백질을 1시간 이내에 발현시키고, MKP1이 JNK의 인산화를 제한하는 기전으로 면역-매개 세포사멸을 억제한다는 사실을 밝혀냈다. 또한 간암 환자 조직 샘플의 면역 염색을 통해, 암 조직 특이적으로 MKP1의 발현이 크게 증가되어 있음을 확인하였다. 이러한 결과를 토대로, 간암 세포주의 약물에 의한 세포사멸이 형질 전환 성장 인자-베타에 의해 억제되지만, MKP1을 제한할 경우 이러한 약물 내성이 사라짐을 보였다. 따라서 MKP1에 의한 면역-매개 세포사멸의 억제는 암 조직 특이적으로 활발히 발생하며, 이는 암 세포가 면역 회피를 하는 또 다른 기전으로 작용할 수 있음을 제시하였다.
세 번째 장에서는 C형 간염 바이러스에 의한 감염이 면역-매개 세포사멸을 촉진시킴으로써 간 손상을 일으킨다는 연구를 서술하였다. C형 간염 바이러스에 의한 감염은 간염, 간경화, 간암에 이르는 장기적인 합병증을 동반하며 간에 손상을 준다. 그러나 간 손상은 C형 간염 바이러스 자체에 의한 것이 아닌 숙주의 바이러스에 대한 면역 반응에 의한 것으로 밝혀져 있다. 종양 괴사 인자-알파 (tumor necrosis factor-α)는 세포사멸을 유도할 수 있지만, 이는 NF-κB의 활성화에 의해 억제될 수 있다. 본 연구에서는 C형 간염 바이러스에 의한 감염이 종양 괴사 인자-알파 신호 전달 경로를 어떻게 조절하고 그에 따른 면역-매개 세포 사멸이 어떤 영향을 받는지에 대해 조사하였다. C형 간염 바이러스에 감염된 세포주는 종양 괴사 인자-알파에 의한 세포사멸이 크게 증가하였다. 그 기전을 규명하기 위해 종양 괴사 인자-알파 신호 전달 경로에 포함되는 단백질들의 활성을 조사한 결과, NF-κB의 상위 신호인 IKK와 IκB의 인산화가 C형 간염 바이러스에 감염된 세포주에서 현저히 줄어들었음을 확인하였다. 또한 NF-κB의 핵 내 이동 및 NF-κB에 의한 염증 유발 chemokine인 IL-8과 MIP1-β, 세포자살 억제 단백질인 XIAP, c-FLIPL의 발현 역시 줄어들었다. C형 간염 바이러스가 암호화하고 있는 10개의 단백질 중에서 core, NS4B, NS5B가 이와 같은 기능적 교차 전달을 일으킨다고 규명하였다. 즉, C형 간염 바이러스의 감염은 NF-κB의 활성을 억제함으로써 종양 괴사 인자-알파에 의한 세포 사멸을 촉진시키며, 이는 면역-매개 간 손상의 메커니즘이다.
결론적으로, 위의 두 가지 형태의 신호 전달에 의한 기능적 교차 전달은 면역-매개 세포사멸과 관련된 질병 모델과 매우 밀접한 관련이 있으며, 특히 본 연구에서는 암과 C형 간염 바이러스 감염에 의한 병의 진행 기전을 제시하고 있다.
