Significant progresses have been made over recent years in defining the progression and regulation of autophagy, particularly in cultured mammalian cells and yeast model systems. However, identification of components and features of autophagy unique to higher eukaryotes also remains a challenge. There are growing interests in identifying regulators of autophagy. This manuscript describes the role of transforming growth factor-β activated kinase 1 (TAK1) in regulating autophagic cell death. The molecular mechanism of TAK1-induced autophagy is poorly understood. In this study, I suggest a novel pathway that TAK1 induces cytotoxic autophagic cell death in vitro and in vivo. I provide experimental evidence suggesting that TAK1 is a negative regulator of p70 S6 kinase (S6K) and induces autophagy. Our data show that TAK1 binds directly to S6K and suppresses S6K phosphorylation at the Thr 389 residue, which is known as the target of rapamycin (TOR) specific phosphorylation site. Autophagy has either cytoprotective or cytotoxic function. The factors that determine whether autophagy is cytoprotective or cytotoxic have not been fully elucidated. Overexpression of TAK1 causes a rough and impaired eye phenotype in Drosophila and increases lactate dehydrogenase (LDH) levels in mammalian cells, indicating that TAK1 induces cytotoxic autophagic cell death. I believe that this finding significantly contributes to our understanding of the mechanism of autophagy induction. Furthermore, this study also provides the first in vitro and in vivo evidence that TAK1 may interrupt the interaction of S6K with its upstream regulator, TOR, by binding to S6K to induce cytotoxic autophagic cell death under normal nutritional conditions.
세포사멸 (apoptosis)과 구분되는 자가포식 (autophagy) 은 세포가 자신의 세포내 소기관을 분해함으로써, 성장이 불리한 상황에서 영양분을 보충하는 메카니즘이다. 자가포식에 대한 연구가 최근 활발히 진행되고 있으며, 자가포식은 여러 생물학적 역할을 조절하므로, 자가포식의 조절인자를 찾는 연구는 큰 의미를 갖는다. 현재까지 세포수준 (in vitro)과 yeast모델에서 자가포식이 연구되어 왔는데, 개체수준 (in vivo)의 연구가 절실히 요구되고 있는 상황이다. 자가포식의 조절인자를 밝혀내기 위해서, 본 연구에서는 초파리 모델 시스템을 이용해, 다양한 세포사멸 modulator들을 선별해내었다. 최종적으로 선별된 TAK1 (TGF-beta Activated Kinase 1)은 MAPKKK의 한 종류로써, 여러 신호전달에 관여한다. 세포사멸에서의 TAK1의 역할은 이미 밝혀졌지만, 자가포식에서의 역할은 거의 밝혀진 바가 없다.
본 연구에서는 TAK1이 자가포식을 일으킴을 세포수준과, 초파리모델을 이용한 개체수준에서 확인하였다. TAK1이 자가포식을 일으키는 메커니즘을 밝혀내기 위해, 자가포식 조절의 대표적인 경로인 mTOR pathway와의 관련성을 살펴보았다. mTOR의 downstream regulator인 S6K는 mTOR activity와 직접적으로 관련되어 있으므로, TAK1과 S6K와의 상호연관성을 살펴보았다. 그 결과 TAK1은 Thr 389 residue에서 S6K의 인산화를 억제함으로써, 자가포식을 유도하였다. TAK1은 S6K와 결합함으로써, mTOR가 Thr389 residue에서 S6K를 인산화시키는 작용을 방해함으로써, S6K가 자가포식을 억제하는 기능을 막음으로써, 자가포식을 유도하였다. 자가포식은 세포보호 또는 세포독성의 양면성을 가지는데, TAK1이 일으키는 자가포식은 세포독성 자가포식이라는 것을 초파리 모델 시스템을 사용하여, TAK1 과발현된 성체에서 눈이 심하게 망가짐을 확인하였고, 세포수준에서는 LDH (lactate dehydrogenase) 수준을 측정함으로써, TAK1이 세포독성 자가포식을 일으킴을 확인하였다. 본 연구는 최초로 TAK1이 자가포식을 일으킴을 세포수준과 개체수준에서 밝힌 연구이다. 또한 자가포식은 암억제 메커니즘으로 알려져 있기 때문에, TAK1은 암억제 유전자로써의 가능성이 있기 때문에, 항암치료에 유용하게 사용되어질 수 있을 것이다.
