Rho family GTPases is a subfamily of Ras superfamily that regulates myriad of cellular events including cell migration and cell polarity. Even though it has been generally perceived that Rac and Cdc42 promote membrane protrusions at the leading edge, whereas RhoA induces retraction at the trailing edge of migrating cells, accumulating evidences suggest that RhoA is also involved in initial events of protrusion, and Rac functions in contractility. As this confusing opposed roles of GTPases might be mediated by different downstream effectors, we have developed ‘GTPase-Trap’, a super-sensitive method to systematically analyze interactions between small GTPases and effectors in living cells. Among 285 interaction pairs of 15 Rho small GTPases and 19 effector proteins, we identified 51 novel interactions out of 148 positive interactions and found out that many GTPases extensively share downstream effectors. Interestingly, we noticed that all three Rac proteins strongly bind to ROCK proteins which is typical downstream effectors of RhoA. Despite of its discovery two decades ago, physiological roles of the interaction between Rac and ROCK are still puzzling. In this study, we propose that RhoA-independent Rac-ROCK interaction is essential for generating contractile arc stress fibers through MLC phosphorylation at the lamella of protruded membrane. Moreover, we discovered a Rac1 mutant selectively diminishing interaction with ROCK and found out that arc fibers induced by Rac-ROCK-MLC pathway are not only important for stabilizing membrane protrusion, but also for turning frequency in the process of cell migration. From leading edge to trailing edge, symphony of orchestrated regulation of ROCK activity is essential for steering in cell migration.
세포 외부로부터 주어지는 자극에 대해 세포 내부로 신호를 전달하는 신호전달 단백질의 일종인 Rho GTPase는 다양한 하위 단백질들과의 상호작용을 통해 세포의 이동, 세포극성과 같은 다양한 기능을 조절한다고 알려져 있다. 본 연구에서는 단백질 간의 상호작용을 확인할 수 있는 기술 개발을 통해 15개의 Rho GTPase 와 19 개 하위단백질간의 상호작용을 스크리닝하였다. 스크리닝 결과 아직 기능이 밝혀져 있지 않은 새로운 노드를 포함한 51개의 새로운 상호작용을 확인할 수 있었다. 본 연구를 통하여 Rac 단백질이 액틴 중합을 통한 막 돌출뿐 아니라 미오신을 통한 액틴 필라멘트 수축을 조절하여 아크 스트레스 섬유를 형성하는 분자수준의 메커니즘을 규명할 수 있었고, Rac에 의해 유도되는 아크 스트레스 섬유는 세포이동 시 세포가 방향을 효과적으로 전환하는데 중요한 역할을 한다는 것을 본 연구를 통해 규명 할 수 있었다.