Aberrant $Wnt/ \beta -catenin$ signaling is implicated in the progression of several human cancers, including non-small-cell lung cancer (NSCLC). However, mutations in $Wnt/ \beta -catenin$ pathway components are uncommon in NSCLC, and epigenetic mechanisms controlling the Wnt/β-catenin pathway remain unclear. Here, we show that KIF3A, a member of the kinesin-2 motor family, plays a key role in suppressing $Wnt/ \beta -catenin$ signaling in NSCLC cells. Knockdown of KIF3A increases both $\beta -catenin$ levels and transcriptional activity, with a concomitant promotion of malignant phenotypes, such as enhanced proliferation and migration, and upregulation of stemness markers. KIF3A binds to $\beta -arrestin$, and KIF3A depletion allows $\beta -arrestin$ to form a complex with DVL2 and AXIN, resulting in $\beta -catenin$ stabilization. Although primary cilia, of which the biogenesis requires KIF3A, are thought to restrain the Wnt response, pharmacological inhibi-tion of ciliogenesis does not enhance $\beta -catenin$ activity in NSCLC cells. A correlation between KIF3A loss and worse NSCLC prognosis as well as upregulation of $\beta -catenin$ and Cyclin D1 further suggests that KIF3A is a suppressor of $Wnt/\beta -catenin$ signaling and tumorigenesis in NSCLC.
Wnt signaling은 배아발생과정동안 세포의 운명과 증식을 좌우하며 또한 성체 조직에 있어서는 조직 항상성을 조절하는데 중요한 역할을 한다. Wnt signaling은 Wnt 리간드가 Frizzled (FZD)계열의 수용체에 결합과 함께 신호전달을 시작한다. 그리고Canonical Wnt signaling $(Wnt/ \beta -catenin signaling)$ 은 $\beta -catenin$ 에 의해 신호전달이 이루어진다. Wnt 리간드가 없을 때에는 AXIN, APC, $GSK3 \beta$ 로 구성된 $\beta -catenin$ 파괴 복합체가 만들어져, $\beta -catenin$ 의 세포 내 축적이 억제되어 Canonical Wnt signaling 신호전달은 이루어지지 않는다. 반면 Wnt 리간드가 있을 때에는 수용체와 결합을 통해 여러 인산화 과정이 시작되며, 이 중 인산화된 DVL은 $\beta - arrestin$ 과 결합하여 결정적으로 $\beta -catenin$ 파괴 복합체의 형성을 차단함으로써 $\beta -catenin$ 을 세포내에 축적하는 역할을 한다. 축적된 $\beta -catenin$는 핵 내로 들어가 전사 인자인 TCF/LEF family를 돕는 공활성화 인자로써 역할을 한다. 그리고 최종적으로 Wnt 타겟 유전자의 전사를 활성화 시킨다. 하지만 $Wnt/ \beta -catenin$ signaling이 비정상적으로 활성화되면 폐암을 포함한 여러 암을 유발시키는 원인이 된다.
KIF3A는 미세 소관을 따라 세포 내 여러 물질을 운반하는 모터로써 알려진 Kinesin 계열 단백질로 알려져 있다. 가장 잘 알려진 KIF3A의 역할은 KIF3B, KAP3와 함께 복합체를 이루어 전방향 수송을 매개하는 역할이다. 그렇기 때문에 뉴런의 축색돌기 연장과 원발성 섬모의 생성에 핵심적인 역할을 하고 있다. 최근에 들어 이 KIF3A가 종양생성에도 밀접한 관련이 있다는 보고가 나오고 있다. 이들은 종양 생성에 관련된 신호전달에 있어서 중요한 역할을 하는데 특히, Wnt signaling의 전달에 있어 KIF3A의 역할은 상반된 보고가 있다.
쥐의 배아 세포와 배아 섬유아세포에서 KIF3A는 Wnt signaling을 억제하는 억제자의 역할을 한다는 보고가 있다. 하지만, 인간의 전립선암세포에서 KIF3A는 Wnt signaling을 촉진하는 촉진자의 역할을 한다는 보고가 있다. 이처럼 Wnt signaling에서 KIF3A의 역할은 논란의 여지를 불러일으켰다. 게다가 원발성 섬모 또한 Wnt signaling을 억제하고 있다는 보고가 있었지만, 최근에 원발성 섬모는 Wnt signaling을 매개함에 있어 필요치 않다는 상반된 보고가 발표됐다. 흥미롭게도, 비소세포 폐암은 소장암이나 다른 암과는 달리 Wnt signaling에서 흔히 발견되는 유전적 변이 없이 Wnt signaling의 과활성화를 보이는 암이기에, 우리는 본 논문에서 인간의 비소세포 폐암을 대상으로 폐암 생성에 밀접한 관계가 있는 Wnt signaling에 관련한 KIF3A의 역할을 연구하였다.
본 논문에서 KIF3A가 비소세포 폐암의 Wnt signaling에 어떠한 역할을 하는지를 알아보기 위해 A549와 SW900 세포에 shRNA를 처리하여 KIF3A의 발현을 억제시켰다. 그 후, 이들 세포를 이용하여 Wnt signaling의 핵심 매개자인 DVL2와 $\beta -catenin$ 의 발현 양상을 조사하였다. 그 결과, KIF3A의 발현이 억제된 세포에서 DVL2의 인산화와 $\beta -catenin$ 의 발현이 증가됨을 관찰하였다. 뿐만 아니라, $\beta -catenin$ 이 세포질과 핵에서 발현이 control에 비해 증가하였고, $\beta -catenin$ 의 전사활성도를 측정할 수 있는 TOP/FOP실험에서도 $\beta -catenin$ 이 활성화 되었다는 것을 관찰할 수 있었다. 즉, KIF3A를 억제하면, Wnt signaling이 증가한다는 결론을 도출할 수 있었다.
KIF3A의 억제에 의해 증가된 Wnt signaling은 이들 폐암 세포에게 더 malignant의 성격을 띄게 하였다. KIF3A가 억제된 세포들은 더 빠른 증식률을 보였으며, 암 줄기세포의 특징을 더 강하게 나타냈다. 그리고 면역결핍 쥐에 이들 세포를 이식했을 때, control에 비해 더 빠르게 더 큰 암을 발생시켰고 증가된 암의 migration능력도 보였다. 그리고 이런 KIF3A의 억제 효과는 Wnt signaling inhibitor를 처리했을 시 control만큼의 효과로 감소하였다.
하지만, 여전히 비소세포 폐암에서 KIF3A의 억제에 의해 증가된 Wnt signaling은 원발성 섬모의 감소에 의한 것이라는 여지가 남아있었다. 이러한 이유로 우리는 KIF3A가 억제된 세포의 원발성 섬모가 Wnt signaling에 영향을 줄 수 있는지를 조사하였다. 우선, 우리는 KIF3A가 억제된 세포가 원발성 섬모를 발현하는지를 확인하였다. 그 결과, KIF3A가 억제된 세포는 원발성 섬모를 control에 비해 가지고 있지 않았다. 그렇기 때문에, 우리는 A549와 SW900 세포에 HPI4를 처리하여 원발성 섬모 생성을 억제하였다. 그 후, Wnt signaling의 활성도를 TOP/FOP 실험으로 조사해본 결과, control과 HPI4를 처리한 세포간의 Wnt signaling 활성도에 차이가 없었다. 즉, KIF3A의 억제에 의한 Wnt signaling 과활성은 원발성 섬모와는 무관하다는 결론을 내릴 수 있었다.
다음으로 KIF3A가 어떻게 Wnt signaling을 억제할 수 있었는지를 조사하기 위해, 우리는 KIF3A가 운반하고 있는 단백질에 초점을 맞추어 연구를 진행하였다. 선행 연구를 토대로 KIF3A가 $\beta -arrestin$ 이라는 물질과 결합할 수 있으며, 이 $\beta -arrestin$ 은 scaffold 단백질로 여러가지 신호전달의 매개자로 역할을 하는데, 그 중 Wnt signaling을 매개하는데 필수적이라는 사실을 알게 되었다. 그리하여, 우리는 A549와 SW900 세포를 이용하여 폐암에서 전달되는 Wnt signaling에 관련된 KIF3A와 $\beta -arrestin$ 관계를 밝혔다. KIF3A와 $\beta -arrestin$ 은 이들 폐암 세포에서 서로 복합체를 이루고 있으며, 이는 $\beta -arrestin$ 이 Wnt signaling을 매개하는 것을 차단하여, 결국 Wnt signaling을 억제하는 결과를 초래했다.
나아가 우리는 KIF3A가 실제 환자의 비소세포 폐암에서도 과활성된 Wnt signaling를 억제하여 종양억제자로써 역할을 하는지를 조사하였다. 110명의 비소세포 폐암 환자에서 223개의 비소세포 폐암 조직 샘플을 이용하여 KIF3A의 발현 양상을 조사해본 결과, 많은 샘플에서 KIF3A의 소실이 발견됐다. 그리고 KIF3A를 발현하는 폐암에서는 $\beta -catenin$ 의 발현이 약하게 나타났다. 반면, KIF3A가 소실된 비소세포 폐암에서는 $\beta -catenin$ 의 발현이 강하게 나타났으며, $\beta -catenin$ 의 발현이 강하게 나타날수록 Wnt signaling의 target gene 중에 하나인 cyclin D1의 발현도 빈번하게 나타났다. 즉, 환자의 비소세포 폐암에서도 Wnt singaling을 억제자로써 KIF3A의 역할이 앞서 밝힌 우리의 결과와 일치하게 나타났다. 그리고 이러한 결과는 이들 환자의 생존에도 영향을 미쳤다. KIF3A를 소실한 비소세포 폐암을 가진 환자는 그렇지 않은 환자보다 더 생존 기간이 더 짧은 것으로 나타났다. 결과적으로 본 논문을 통해, 우리는 KIF3A을 target함으로써 비소세포 폐암 치료를 위해 과활성된 Wnt signaling을 억제시킬 수 있는 새로운 전략의 가능성을 제시하였다.
