Respiratory distress syndrome (RDS), which is induced by insufficient production of surfactant, is the leading cause of mortality in preterm babies. While several transcription factors are known to be involved in surfactant protein expression, the molecular mechanisms and signaling pathways upstream of these transcription factors have remained elusive. Here, using Mst1/2 (mammalian sterile 20-like kinase 1/2) conditional knockout mice, we demonstrate that Mst1 and Mst2 kinases are critical for orchestration of transcription factors involved in surfactant protein homeostasis and prevention of RDS.
Mice lacking Mst1/2 in the respiratory epithelium exhibited perinatal mortality with respiratory failure and their lungs contained fewer type I pneumocytes and more immature type II pneumocytes lacking microvilli, lamellar bodies, and surfactant protein expression, pointing to peripheral lung immaturity and RDS.
In contrast to previous findings in the liver and intestine, loss of Mst1/2 kinases induced the defects in pneumocyte differentiation independently of YAP (Yes-associated protein) hyperactivity. We instead found that Mst1/2 kinases stabilized and phosphorylated the transcription factor Foxa2, which regulates pneumocyte maturation and surfactant protein expression. Taken together, our results suggest that Mst1 and Mst2 kinases play crucial roles in surfactant homeostasis and coordination of peripheral lung differentiation through regulation of Foxa2.
폐 표면활성제의 부족 및 항상성의 문제는 신생아에서는 호흡곤란 증후군을 유발하며 성인에서는 간질성 폐질환 및 급성호흡곤란 증후군 등을 유발하거나 악화시키는 요인이 된다. 이러한 폐 표면활성제는 발생단계에서부터 Foxa2, TTF-1, C/EBPα과 같은 여러 전사인자들의 발현 및 상호 작용을 통해서 정밀하게 조절되고 있다. 하지만 이러한 전사 인자들의 상위 조절자를 비롯한 자세한 세포 분자적 조절 메커지즘은 현재까지 밝혀지지 않은 부분이 많다. 본 연구에서는 Hippo 신호전달회로의 주요 인산화 효소인 Mst1 과 Mst2 단백질을 발생단계부터 폐 상피세포에서 결손 시킨 돌연변이 마우스를 이용하여서 Mst1/2 단백질이 폐 표면활성제의 생성 및 항상성 조절에 관여함을 처음으로 규명하였다. Mst1/2 폐 특이적 결손 마우스는 폐렴 및 폐허탈의 소견을 보이며 대부분 생후 15일 이내에 호흡부전으로 사망을 하였다. 폐 손상이 시작되기 전 시행한 조직 검사상 Mst1/2 폐 특이적 결손 마우스에서 기관지와 세기관지의 특이한 이상은 발견할 수 없었으나 폐포에서는 폐 표면 활성제 단백질 및 층상체의 감소 소견을 보이는 미분화된 제 2형 폐포 세포를 확인할 수 있었으며 제 1형 폐포 세포의 숫자도 감소되어 있음을 확인하였다. 이러한 소견을 종합해 볼 때 Mst1/2 폐 특이적 결손 마우스의 표현형이 신생아 특히 미숙아에서의 호흡곤란 증후군과 유사함을 알 수 있었다. 마우스 제 2형 폐포 세포를 이용한 실험관 내 실험에서도 Mst1/2 단백질이 폐 표면활성제 단백질의 생성 및 항상성 유지에 관여함을 확인하였다. 흥미로운 점은 기존의 연구들에서 Mst1/2 단백질이 간과 장에서는 Hippo 신호전달 체계의 하위 조절자인 YAP을 억제함으로써 종양 억제자의 역할을 한다고 보고되었으나 폐에서는 폐 특이적 기능인 호흡과 관련된 폐 표면활성제의 생성 및 항상성 유지에 관여한다는 점이다. 또한 본 연구에서는 이러한 과정에서 Mst1/2 단백질이 YAP을 조절하는 것이 아니라 폐 표면 활성제 단백질 발현에 관여한다고 알려진 Foxa2 전사 인자를 조절한다는 것을 규명하였다.
종합해볼 때 Hippo 신호전달 체계의 Mst1/2 단백질이 폐 발생 과정에서 제 2형 폐포 세포의 분화 조절 및 폐 표면활성제의 항상성 조절에 관여한다는 내용은 신생아 호흡 곤란 증후군 및 간질성 폐질환 그리고 제 2형 폐포 세포가 관여한다고 알려진 폐 재생 및 폐 선암에 대한 세포 분자적 이해에 도움이 되며, Mst1/2 단백질의 새로운 기능 및 조절 메커니즘을 규명했다는 점에서 의미가 있다.
