Liver kinase B1 (LKB1) has important roles in governing energy homeostasis by regulating AMP-activated protein kinase (AMPK) and other AMPK-related kinases, including salt-inducible kinases (SIKs). However, the in vivo functions of LKB1 and SIKs in metabolism are poorly understood. Therefore I decide to study two SIK family kinases, SIK and SIK3, in Drosophila. First, I generate Drosophila SIK mutant to examine the role of SIK in vivo. I observe that the mutant flies have higher amounts of lipid and glycogen stores and are resistant to starvation. Interestingly, SIK transcripts are highly enriched in the brain, and neuronal-specific expression of exogenous SIK fully rescues lipid and glycogen storage phenotypes as well as starvation resistance of the mutant. Using genetic and biochemical analyses, I demonstrate that S157 phosphorylation of CREB-regulated transcription coactivator (CRTC) by SIK is critical for inhibiting CRTC activity in vivo. Furthermore, double mutants of SIK and CRTC become sensitive to starvation, and the S157 phosphomimic mutation of CRTC reduces lipid and glycogen levels in SIK mutant, suggesting that CRTC mediates the effects of SIK signaling. These results strongly support the importance of SIK-CRTC signaling axis that functions in the brain to maintain energy homeostasis in Drosophila. To examine the function of SIK3 in vivo, I generate Drosophila SIK3 mutant and find that the mutant flies have reduced lipid stores with severe lipodystrophy and increased brummer, the Drosophila homolog of adipose triglyceride lipase (ATGL), gene expression. These phenotypes are highly consistent with LKB1 mutants. The expression of constitutively active SIK3 in the fat body rescue the phenotypes of LKB1 mutant flies, suggesting SIK3 as the key downstream of LKB1. Using genetic and biochemical analyses, I identify HDAC4, a class IIa histone deacetylase, as a lipolytic target of LKB1-SIK3 pathway. Also, the Drosophila insulin-like peptides (DILPs) and adipokinetic hormone (AKH) pathways related to the mammalian insulin and glucagon pathways control LKB1-SIK3-HDAC4 signaling. These data establish LKB1-SIK3 pathway as a critical regulatory mechanism to control lipid homeostasis in Drosophila. Collectively, the present studies on LKB1 and the SIK family kinases in Drosophila provide a new paradigm for understanding complex molecular mechanisms in maintaining animal energy homeostasis.
LKB1은 AMPK와 SIK을 포함한 AMPK-related kinases의 상위 조절자로서 에너지 조절인자 및 항암유전자이다. AMPK관련 신호체계에 관한 많은 연구가 진행된 반면에 상위 유전자인 LKB1과 SIK 신호체계의 대사관련 기작 연구는 잘 알려지지 않은 상황이다. 따라서 본 연구자는 대사 질환 관련 모델 동물 중 초파리를 이용하여 LKB1 과 SIK 유전자의 대사 관련 기작을 새롭게 밝혀내었다. 초파리는 포유동물의 지방, 간, 면역 기관에 해당하는 fat body 조직이 알려져 있고 타 모델동물에 비해 발생 기간이 짧아 유전학 연구에 유용하게 쓰이고 있다.
우선 초파리에서 사람의 SIK1과 SIK2에 해당하는 초파리 SIK을 발견하고 사람의 SIK3에 해당하는 초파리 SIK3를 확인하였다. EP element 를 이용한 돌연변이 제작법을 통해 SIK 유전자가 결손된 최초의 모델 초파리를 제작하였고 그 기능을 새롭게 규명할 수 있었다. SIK 유전자가 없는 돌연변이 초파리는 정상적인 발생과정을 거쳐 성체로 성장하였으며, 흥미롭게도 지방과 당 저장량이 정상초파리에 비해 많았고 굶겼을 시 오래 버티는 것을 관찰하였다. 이어 SIK이 기능하는 조직을 이해하고자 SIK의 발현 패턴 및 조직을 관찰하였고 뇌 조직에서 SIK이 특이적으로 높게 발현됨을 확인하였다. 또한 SIK을 다시 뇌 조직 특이적으로 발현시켜주었을 때 SIK 유전자 돌연변이의 대사 관련 현상이 회복됨을 통해 뇌 조직에서의SIK신호체계의 중요성을 확인할 수 있었다. 이어 유전학적이고 생화학적인 방법을 이용하여 CREB 조절자인 CRTC를 SIK신호체계의 하위 타겟으로 발굴하였다. 흥미롭게도 생체 내에서 SIK은 CREB 조절자인 CRTC의 세린 157 의 인산화를 야기시키고 이를 통해 CRTC의 활성을 억제시키는 것을 알 수 있었다. SIK의 대사 관련 기작과의 연관성을 확인하고자 SIK과 CRTC 유전자 이중 돌연변이를 제작하였고 이 돌연변이의 경우 지질 및 당 저장량과 굶겼을 때 반응이 회복됨에 따라 CRTC가 SIK 신호체계의 대사 관련 중요 타겟임을 확인하였다. 이에 뇌에서의 SIK과 CRTC 신호체계가 생체 내의 에너지 저장량 조절체계임을 새롭게 제시할 수 있었다.
SIK3의 기능을 이해하고자, EP element를 활용한 돌연변이 제작법을 통해 SIK3 유전자가 없는 모델 초파리를 최초로 제작하였다. 이 돌연변이는 흥미롭게도 지방 저장량이 감소되어 지질이상증을 보였고 지방 합성 및 분해 효소들 중 사람의 ATGL에 상응하는 초파리Brummer 지방 분해 효소의 발현량이 크게 증가되어 있었다. 특히, LKB1 유전자 결핍 모델 초파리에서도 지질 저장량의 감소와 Brummer 지질 분해 효소의 발현량이 증가되는 현상이 확인되어 SIK3와의 연관성을 검증하고자 하였다. 이를 위해 LKB1에 의한 인산화를 모방하여 항상 활성을 지닌 SIK3 과발현 초파리 모델을 제작하고 LKB1 유전자 결핍 돌연변이 배경하여 fat body 조직 특이적으로 발현시켰을 때 LKB1 결핍 초파리의 대사 현상이 회복되었다. 이를 토대로 LKB1 하위에서 SIK3가 지방 분해 과정에서 중요한 역할을 함을 알 수 있었고 더 나아가 LKB1-SIK3 신호체계의 타겟을 밝히고자 하였다. 유전학적이고 생화학적인 방법을 이용하여 SIK3가 영양상태에 따라 HDAC4를 인산화하고 HDAC4의 활성을 억제하는 기작을 새롭게 찾아낼 수 있었다. HDAC4는 탈에세틸화 효소로 FOXO 전사인자의 탈에세틸화 기작을 통해 Brummer 발현량을 조절하는 것을 알 수 있었다. 또한 놀랍게도 사람의 인슐린과 글루카곤에 해당하는 초파리 DILPs와 AKH 호르몬이 LKB1-SIK3-HDAC4 신호체계를 조절함을 확인할 수 있었다. 최근들어 LKB1과 SIK3 유전자 쥐 관련 모델에서도 지질 결핍 현상이 보고되어 LKB1-SIK3 신호체계의 지질 항상성 조절 기작이 진화적으로 보존되어 있을 가능성을 유추할 수 있다. 종합적으로, 본 연구를 통해 밝혀진 LKB1과 SIK유전자의 대사 기능은 에너지 상태에 따른 대사 현상 조절의 분자적 기작을 새롭게 제시하고 생체의 에너지 항상성 유지 및 조절 기작을 이해하는데 큰 도움을 줄 수 있을 것이다.
