Phosphatidylinositol-(4,5)-bisphosphate (PtdIns(4,5)P2) and phosphatidylinositol-(3,4,5)-triphosphate (PtdIns(3,4,5)P3) in the plasma membrane (PM) play a key role in the regulation of various cellular processes including proliferation, differentiation and survival. Their main role is to recruit a variety of signaling proteins to the PM via direct interaction with specific lipid binding domains (LBDs) and motifs in the proteins. In this study, I examined the subcellular localization of 94 distinct LBDs in order to better understand how PtdIns(4,5)P2 and/or PtdIns(3,4,5)P3 target different proteins to the PM and control their function. Surprisingly, I found that the FYVE domain of ZFYVE27 localizes to the PM. Surface plasmon resonance analysis shows that unlike canonical FYVE domains that specifically bind to phosphatidylinositol-3-phosphate this FYVE domain preferentially interacts with PtdIns(4,5)P2, PtdIns(3,4)P2 and PtdIns(3,4,5)P3 using basic amino acids inside the lipid-binding pocket. Furthermore, I found that PtdIns(4,5)P2 and PtdIns(3,4)P2/PtdIns(3,4,5)P3 differentially regulate ZFYVE27 shuttling from ER to PM via the FYVE domain. ZFYVE27 mutants with reduced affinity for PtdIns(4,5)P2, PtdIns(3,4)P2 and PtdIns(3,4,5)P3 failed to target the PM in NIH3T3 cells and promote neurite outgrowth in primary cultured hippocampal neurons. These results suggest that the novel PtdIns(4,5)P2 and PtdIns(3,4)P2/PtdIns(3,4,5)P3 selectivity of the FYVE domain of ZFYVE27 is critical for the role of ZFYVE27 in mediating neurite outgrowth.
PtdIns(4,5)P2와 PtdIns(3,4,5)P3는 세포막에 존재하는 중요한 이차 신호전달 물질로써 단백질 trafficking, 세포 분열, 세포 분화, 세포 생존의 다양한 세포 기작에 관여한다. 이와 같은 이차 정령 물질들은 lipid binding 도메인과 상호작용을 통하여 세포막으로 여러 가지 단백질들을 이동을 유발한다. 이 연구에서는 PtdIns(4,5)P2 또는 PtdIns(3,4,5)P3와 상호작용하는 lipid binding 도메인을 찾고, 이런 상호작용이 단백질 기능을 어떻게 조절하는지 연구하고자 이미징을 통하여 94개의 lipid binding 도메인의 세포내 localization을 분류하였다. 놀랍게도 세포막에 위치하는 ZFYVE27의 FYVE 도메인을 발견하였고, 잘 알려진 다른 FYVE 도메인이 PI(3)P에 강한 친화도를 보이는 것과는 다르게 이 ZFYVE27의 FYVE 도메인은 PtdIns(3,4)P2, PtdIns(4,5)P2, PtdIns(3,4,5)P3에 동시에 결합함을 알아냈다. 단백질 모델링을 통하여 이러한 결합 특이성이 FYVE 도메인 binding pocket내의 4개의 positive charge를 띠는 아미노산에 의함을 밝혀냈다. PtdIns(3,4)P2, PtdIns(4,5)P2, PtdIns(3,4,5)P3가 FYVE domain과의 결합 특이성을 통하여 ZFYVE27의 조면 소포체로부터 생체막까지의 이동을 상이하게 조절한다는 것을 알아냈다. 또한 ZFYVE27에서 FYVE domain을 제거한 후 신경 세포에 발현시켜 뉴라이트 생성 유도 기능을 확인해보았을때 그 본래의 기능을 잃음으로 보아 FYVE domain의 결합 특이성에 의한 ZFYVE27의 세포내 이동 조절이 ZFYVE27에 의한 뉴라이트 생성 유도에 필수 적인 것으로 생각된다.
