Study on the ligand and regulatory mechanism of death receptor 6

Abstract

Programmed axonal pruning and neuronal cell death are crucial for sculpting neural connections, yet their dysregulated activation is causally implicated in neurodegenerative disorders. Death receptor (DR) is a unique transmembrane receptor mediating extrinsic factor-induced programmed cell death pathways. Death receptor 6 (DR6) is a brain-abundant DR and critical determinant of neuronal self-destruction during development, injury response, and synaptic plasticity, causally implicated in the pathogenesis of neurodegenerative disorders. Even though the regulatory mechanism of most DRs has been revealed to involve agonistic death ligand (e.g., TRAIL, TNF-α)-driven receptor clustering and activation, however, only DR6 remains orphan, and its molecular mechanism is poorly understood. Here, I identified retinol binding protein 4 (RBP4), a major vitamin-A carrier protein, as an antagonistic ligand of DR6. Single-molecule photobleaching and single-receptor tracking analyses revealed that RBP4 drives DR6 dimerization on the plasma membrane to prevent DR6 prodegenerative hetero- interactions and consequent neurodegenerative processes. DR6 homodimerization predominantly depends on an extracellular intrinsically disordered region, allowing the agonistic propensity of increasing divalent metal ions (Ca2+, Mg2+, and Zn2+) levels. Collectively, my study establishes the distinct molecular mechanism of DR6 and highlights the non-canonical role of RBP4 as a cell death regulator.|외인성 세포 사멸은 감염, 종양 발생, 면역 반응, 발달 등 매우 다양한 과정에서 맥락에 따른 세포 사멸을 유도하는데 있어서 필수적인 과정으로, 이러한 경로의 조절은 세포 밖 세포 사멸 리간드 (death ligand)의 세포막에 존재하는 세포 사멸 수용체 (death receptor, DR)에 결합에 따른 신호 활성을 통해 이루어짐. 세포 사멸 수용체는 외인성 세포 사멸을 매개할 수 있는 유일한 막단백질 집합으로 알려져 있어 퇴행성 뇌질환 등 세포 사멸이 무분별하게 유도되는 다양한 병태생리학적 과정의 핵심 신호로 지목되며, 또는 종양의 특이적인 세포 사멸 유도를 위한 타겟 단백질로도 활발하게 연구가 진행되고 있음. 세포 사멸 수용체는 8 종의 수용체들로 구성되어 있으며 각 수용체들의 리간드 및 분자 기전이 활발한 연구 끝에 규명되었음. 그러나, 여전히 세포 사멸 수용체 6 (death receptor 6, DR6)는 유일하게 리간드가 규명되지 않은 고아 수용체로 남아 있으며, 분자 기전 또한 전혀 알려진 바가 없음. DR6 는 특히 신경계와 면역계에서 높게 발현되어 면역 세포의 기능을 직접 조절하고, 신경 퇴행의 핵심적인 신호로 작용해 퇴행성 뇌질환과 깊은 연관이 있는 막단백질로 알려져 있음. 이에 따라 본 논문은 DR6 의 리간드 발굴 및 리간드에 의한 DR6 신호 조절의 분자 기전에 대한 연구로, 우선 세포 밖 인접 단백질 라벨링을 활용하여 DR6 의 리간드 후보로 레티놀 결합 단백질 4 (retinol binding protein 4, RBP4)를 발굴함. RBP4 는 DR6 에 의한 세포 사멸을 억제하며, DR6 신호 활성을 위한 amyloid precursor protein (APP) 또는 nerve growth factor receptor (NGFR)과의 결합을 직접 억제하는 억제적 리간드임을 검증함. 이러한 결합 억제는 DR6 의 이합체화 유도를 통해 이루어지며, 이 과정에서 DR6 의 내재적 무작위 부위 (intrinsically disordered region, IDR)가 DR6 이합체화에 주요한 부위임을 검증함. IDR 은 pH, 온도, 염 농도 등 다양한 비유전적 요인에 따라 영향을 크게 받을 수 있음을 바탕으로, 다양한 2 가 금속 이온 (Ca2+, Mg2+, 및 Zn2+)이 DR6 의 이합체화를 억제하고, 신호 활성을 위한 결합을 직접 유도하는 활성 신호임을 확인함. 이러한 RBP4 에 의한 DR6 조절 기전을 바탕으로, RBP4 가 DR6 에 의존하는 축삭 절단 및 신경 세포 사멸 과정에서 신경 보호 기능을 가짐을 확인함. 이들을 종합하여, 본 논문은 DR6 의 억제적 리간드 RBP4 의 발굴 및 검증, DR6 이합체화에 의존하는 세부 분자 기전 검증, 2 가 이온에 의한 DR6 신호 활성, 그리고 RBP4 의 신경 보호 효과를 포함한 종합적인 DR6 의 리간드 및 분자 기전 연구를 포함함.