DUSP4 regulates neuronal differentiation and calcium homeostasis by modulating ERK1/2 phosphorylation
Protein tyrosine phosphatases (PTPs) have been recognized as critical components of multiple signaling regulators of fundamental cellular processes, including differentiation, cell death and migration. Here, we show that dual-specificity phosphatase 4 (DUSP4) is crucial for neuronal differentiation and functions in the neurogenesis of embryonic stem cells. The endogenous mRNA and protein expression levels of DUSP4 gradually increased during mouse development from embryonic stem cells to postnatal stages. Neurite outgrowth and the expression of neuron-specific markers were markedly reduced by genetic ablation of DUSP4 in differentiated neurons, and these effects were rescued by the reintroduction of DUSP4. In addition, DUSP4 knockdown dramatically enhanced extracellular signal-regulated kinase (ERK) activation during neuronal differentiation. Furthermore, the DUSP4-ERK pathway functioned to balance calcium signaling, not only by regulating Ca2+/calmodulin-dependent kinase I (CaMKI) phosphorylation but also by facilitating Cav1.2 expression and plasma membrane localization. These data are the first to suggest a molecular link between the MAPK-ERK cascade and calcium signaling, which provides insight into the mechanism by which DUSP4 modulates neuronal differentiation.
탈인산화 효소 DUSP4가 ERK 인산화를 조절함으로써
신경세포 분화와 칼슘 항상성 유지에 미치는 영향
단백질의 타이로신 잔기의 인산화는 세포내 신호전달에 핵심적인 역할을 하고 있으며 타이로신 인산화 효소와 타이로신 탈인산화 효소의 활성 균형에 의해 이루어 진다. 본 연구를 통해 타이로신 탈인산화 효소의 새로운 신경세포 분화제어 인자로써의 이용 가능성을 확인하고, 이와 연관된 신호 전달 네트워크의 기작을 규명하고자 하였다. 전분화능 줄기세포로부터 신경세포로의 분화과정 동안 타이로신 탈인산화 효소군의 발현 변화를 모니터링 하였고, 신경세포로의 분화과정이 진행됨에 따라 발현 수준이 증가하는 DUSP4에 주목하게 되었다. 기존 연구에 따르면 DUSP4는 유방암, 간암 및 급성 골수성 백혈병의 진행과 연관되었다고 알려져 있고 암 억제 유전자로서의 역할을 수행하는 것으로 보고 되었다. 하지만 배아 줄기세포로부터 신경세포 분화 과정에 미치는 영향과 관련된 DUSP4에 의한 세포-분자적 기전은 알려져 있지 않다. DUSP4의 신경세포 분화 작용기전 연구를 위해 렌티바이러스에 의한 shRNA 전달 시스템을 이용하여 DUSP4 발현 억제 배아 줄기세포주를 확립하였다. 이 세포주를 이용해 분화를 유도하였을 때, 신경세포 분화 수준이 저하되고 다양한 신경세포 특이적인 마커 단백질의 발현이 억제되었다. 반면, DUSP4의 발현을 회복시키면 신경세포 분화가 정상적인 수준으로 회복됨을 확인하였다. DUSP4 발현을 억제하고 신경세포 분화를 유도한 경우, 그 기질인 ERK인산화 정도가 크게 증가하는 것을 보여 주었다. 또한, CaMKI 인산화가 감소하고 칼슘 채널인 Cav1.2의 발현과 세포막으로의 이동이 감소하는 것을 증명하였다. 결론적으로, DUSP 를 신경세포 분화에 활용할 수 있음을 확인하였고, 이러한 DUSP4의 기능은 신경세포 분화가 유도 시 ERK의 인산화 균형을 유지하여 Cav1.2 채널 단백질 발현을 유도함으로써, 칼슘 채널들이 세포막으로 이동해 칼슘을 유입시키고CaMKI signaling을 활성화 시키는 역할을 수행함을 증명하였다.
