Present in almost all mammalian cells, primary cilia are conserved cellular organelles that mediate several signaling pathways, including hedgehog, Wnt, and Notch pathways. The biogenesis of primary cilia is dynamically regulated by cell cycle, signaling pathways and mechanical stress. By regulating hedgehog activity, primary cilia modulate the development of hedgehog pathway-dependent cancers, including basal cell carcinoma and medulloblas-toma. Therefore, delineating the exact mechanisms of ciliogenesis for each cell type and the role of primary cilia in human disease has emerged as an important issue. Accordingly, the present study was undertaken to investigate the role of human microspherule protein 1 (MCRS1) in ciliogenesis and to evaluate the role of primary cilia and the hedgehog pathway in hyperproliferative skin disorders.
Previous studies have shown MCRS1 to be important to several cellular activities, includ-ing transcriptional regulation, mitotic spindle assembly, mTOR signaling, and tumorigenesis. Although MCRS1 has been reported to bind to the dynein regulator NDE1, a functional interaction between MCRS1 and cytoplasmic dynein has yet to be addressed. In the present study, MCRS1 was found to be essential to dynein-dependent cargo transport to the cen-trosome and to play a role in primary cilium formation. In addition to the nucleus, where most MCRS1 protein was located, MCRS1 was also discovered in centriolar satellites, as well as the centrosome, in a microtubule- and dynein-dependent manner. Knockdown of MCRS1 resulted in a dispersion of centriolar satellites, whose establishment depends on cytoplasmic dynein. In contrast, NDE1 was not necessary for proper distribution of centrio-lar satellites, indicating a functional distinction between MCRS1 and NDE1. Moreover, binding between DYNC1I1 and NDE1 was weakened in the presence of MCRS1, as it also binds to DYNC1I1. Unlike NDE1, which acts as a negative regulator of ciliogenesis, MCRS1 played a positive role in the initiation of ciliogenesis, possibly through its interac-tion with TTBK2. To elucidate the in vivo functions of MCRS1, we established a zebrafish line carrying a mcrs1 mutation using TALEN technology. Homozygous mcrs1 mutants ex-hibited reductions in the sizes of the brain and the eyes due to excessive apoptosis. Addi-tionally, mcrs1 mutants failed to develop distinct layers in the retina, and showed a defect in melatonin-induced aggregation of melanosomes in melanophores. These phenotypes were reminiscent of zebrafish dynein mutants. Reduced ciliogenesis was also apparent in the ol-factory placodes of mcrs1 mutants. Collectively, the findings of the present study identified MCRS1 as a dynein-interacting protein critical for centriolar satellite formation and cilio-genesis.
In chapter 2, the role of primary cilia and the hedgehog pathway in hyperproliferative skin disorders, including psoriasis, was evaluated. Psoriasis is a chronic inflammatory skin disorder characterized by hyperproliferation of keratinocytes. Although the activation of Th17- and Th22-mediated immunities has been considered as a major cause of psoriasis, the precise mechanism of uncontrolled keratinocyte proliferation remains unclear. Upon analysis of GSE datasets, hedgehog target genes, including Gli1 and PTCH1, were found to be down-regulated in the lesional skin of psoriasis patients. Thus, Gli1-positive keratinocytes, which show active hedgehog pathway signaling, were examined in psoriasis lesions. In imiquimod-induced psoriasis-like skin, Gli1-positive cells proliferated from the hair bulge area to the interfollicular epidermis. This expansion in Gli1-positive cells was strongly sup-pressed upon treatment with hedgehog activator. In contrast, treatment with vismodegib, an inhibitor of the hedgehog pathway, aggravated the development of psoriasis. Accordingly, since primary cilia are crucial to activation of the hedgehog pathway, the presence of prima-ry cilia on the lesional skin of psoriasis patients was evaluated. Both the lesional skin from psoriasis patients and imiquimod-induced psoriasis-like lesions showed increases in ciliated keratinocytes, compared to normal skin. Next, the role of primary cilia in the development of psoriasis was investigated in keratinocyte-specific conditional knockout of ciliogenic genes in mice. In $K14Cre;IFT20^{F/F}$ mice, the presence of ciliated keratinocytes was rarely noted, even in imiquimod-treated lesions. In these mice, ear thicknesses were greater than those in $K14Cre;IFT20^{F/WT}$ mice in response to imiquimod treatment. These findings sug-gested that the hedgehog pathway and primary cilia play a role in psoriasis development.
In conclusion, the results of the present study not only improve our understating of cili-ogenesis, but also provide new insights into the pathogenesis of psoriasis. Further investiga-tion into the involvement of the hedgehog pathway and primary cilia in psoriasis develop-ment might help establish novel treatments for psoriasis.
일차 섬모는 hedgehog, notch, Wnt 신호전달 등을 조절 및 매개하는 세포소기관으로서 일차 섬모의 형성기전과 정상 생리 활동 그리고 질병에서의 역할에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 본 논문에서 microspherule protein 1 (MCRS1)이라는 단백이 미세소관을 따라 세포내 물질 수송을 조절하는 dynein의 활성을 조절한다는 사실을 확인하였다. 흥미롭게도 이러한 조절이 MCRS1과 결합을 이루며 dynein의 기능을 조절하는 것으로 기존에 알려진 Nde1과의 결합과는 관련이 없으며 Nde1에 의한 dynein 조절양상과도 차이를 보였다. 중심립 주변에서 관찰되는 centriolar satellite 구조는 미세소관과 그것을 따라 움직이는 dynein에 의해 형성이 조절되는데 MCRS1이 이 과정에 중요하게 관여하나 Nde1는 이 과정에 아무런 영향을 주지 않았다. 또한 MCRS1은 일차 섬모의 형성에도 관여를 하는 것으로 확인되었는데 일차 섬모의 형성과정에서 핵심적인 역할을 담당하는 CP110 단백을 중심립에서 제거하는 과정에 필요한 Tau-tubulin kinase2(TTBK2)의 중심립으로의 이동에 관여를 하는 것으로 확인되었다. 또한 이러한 MCRS1의 역할은 MCRS1의 돌연변이를 가지는 제브라피쉬를 통한 연구에서도 입증이 되었다. 멜라토닌에 의해서 멜라닌 소체가 중심립 주변으로 이동하는 현상은 dynein에 의해 일어나는 것이 잘 알려져 있는데 MCRS1돌연변이에서는 이러한 현상이 억제되었으며 일차 섬모의 형성 역시 억제되는 것이 관찰되었다. 이러한 발견은 일차 섬모의 형성 기전에 대한 이해를 넓혀 줄 뿐만 아니라 추후 일차 섬모의 형성 조절을 통한 치료제 개발 등에 있어서 중요한 대상 물질로 작용할 수 있을 것이다.
일차 섬모에 의해서 조절되는 대표적인 신호전달체계인 hedgehog pathway가 건선 병변에서 감소되어 있다는 결과를 토대로 hedgehog pathway의 활성화가 관찰되는 세포들이 건선이 발생되는 상황에서 어떠한 변화를 보이는지 살펴보았다. 모발 줄기세포가 존재하는 bulge area와 표피의 touch dome에서 주로 관찰되는 Gli1양성 각질형성세포에서 hedgehog pathway가 활성화 되어 있다는 보고를 토대로 이들 세포를 관찰한 결과 다른 각질형성 세포에 비해 일차섬모가 흔하게 관찰되었다. 또한 이러한 세포들이 imiquimod를 도포하여 건선을 유도한 병변에서 증식과 함께 주변으로 이동하는 것을 관찰하였다. 이를 바탕으로 건선의 발생과정에서 hedgehog pathway의 억제가 중요한 역할을 담당할 것으로 예상하고 hedgehog pathway를 활성화 시키는 약물인 SAG과 hedgehog pathway를 억제하는 약물인 vismodegib을 쥐에 투여하고 imiquimod 도포를 통한 건선의 발생 정도를 관찰하였다. 그 결과 SAG을 통해서 hedgehog pathway를 활성화 시켰을 경우에는 건선 형성이 강력하게 억제되었고 vismodegib을 통해 hedgehog pathway를 억제하였을 때는 건선이 더 악화되었다. 흥미로운 사실은 imiquimod 도포에 의하여 증식과 이동이 관찰되었던 Gli1 양성 세포들이 SAG을 투여한 군에서 이러한 증식과 이동이 강력하게 억제되었다. 이를 통해 imiquimod 도포에 의해 유도되는Gli1 양성 세포의 증식이 hedgehog pathway의 억제에 의해 유도된다는 사실을 간접적으로 확인할 수 있었다. 또한 hedgehog pathway의 활성에 중요한 일차 섬모가 건선 환자의 병변 및 imiquimod 도포를 통해 유도한 건선 유사 병변에서 증가되어 있음을 확인하였다. 이어서 일차 섬모 형성을 억제하였을 때 imiquimod 도포에 의한 건선의 형성이 악화되는 것을 확인하였고 이를 종합해 볼 때 hedgehog pathway의 억제가 Gli1 세포의 증식을 유도하고 이러한 과정이 건선의 발생에 기여할 것으로 생각된다. 본 연구는 건선의 형성에 있어서 hedgehog pathway의 변화 및 그 역할을 처음으로 밝힌 논문이며 이를 통해 건선의 발생 기전에 대한 이해를 높일 수 있을 것이다. 또한 본 실험에서 확인한 바와 같이 hedgehog pathway를 활성화 시키는 방법을 통하여 Gli1 세포의 증식을 억제하고 궁극적으로 건선의 형성을 억제하는 방법이 새로운 건선의 치료 방법으로 개발 될 수 있을 것이다.
