Role of cap-independent translation mechanisms in p53 and DSCR1.4 protein synthesis

Abstract

번역 개시 과정을 크게 두 가지로 나누면 캡-의존적 번역 (cap-dependent translation)과 캡-비의존적 번역 (cap-independent translation) 으로 나눌 수 있다. 캡-의존적 번역은 5’ 말단의 m7G 캡 구조를 인식하면서 번역이 개시되는 번역을 뜻하며, 캡-비의존적 번역은 캡 구조를 인식하지 않고도 mRNA에 리보솜이 결합함으로써 일어나는 번역을 뜻한다. 진핵생물에서 발생하는 번역은 주로 캡-의존적 과정으로 일어나지만, 특정 mRNA들은 캡-의존적 번역과 캡-비의존적 번역을 함께 사용해 단백질을 합성한다. 진핵생물 내의 캡-비의존적 번역과정을 통해 번역이 일어나는 mRNA들의 대부분은 세포 스트레스 반응과 세포 사멸에 관여하는 것으로 보고되고 있다. 캡-의존적 번역 과정이 세포 스트레스 상황에서 저해되기 때문에 이를 극복하는 방법으로 캡-비의존적 번역을 사용한다는 것으로 여겨진다. 캡-비 의존적 번역 과정에 대한 연구는 계속 진행되고 있으며, 최근의 연구들은 캡-비의존적 번역이 세포 스트레스 상황에서뿐만 아니라, 생체리듬조절, 발달과 정상적인 생체 조절 과정에서도 중요하다는 것을 밝혔다. 본 논문의 첫 장에서는 hnRNP L이 p53의 캡-비의존적 번역을 강화시킴으로써 DNA 손상에 의해 일어나는 세포 사멸을 증가시킨다는 내용을 다루고 있다. 대표적 항암유전자인 p53은 세포 주기 조절, DNA 수리, 세포 사멸을 조절하는 매우 중요한 유전자다. 정상 세포에서는 p53의 발현은 낮게 유지되지만, 스트레스 상황에서 p53의 발현은 증가한다. DNA 손상에 의해, p53의 5’UTR 부분에 결합하는 hnRNP L의 발현이 증가하고 결합 또한 증가함을 밝혔다. 이렇게 증가한 hnRNP L은 p53의 캡-비의존적 번역을 강화시켰다. hnRNP L의 발현을 억제했을 때는 p53의 단백질 형성이 저해되었고, 이로 인해, DNA 손상 스트레스를 받았을 때 세포 사멸이 잘 일어나지 않고, 세포 주기 억류 또한 저해되는 것을 발견했다. 이러한 결과는 hnRNP L이 p53의 캡-비의존적 번역을 조절하는 조절자라는 것을 보여주며, 이를 통해, 세포 주기와 세포사멸을 조절한다는 것을 증명한다. 두번째 장에서는 DSCR1.4 mRNA가 해마 신경세포의 세포체와 축색돌기에 존재하며 캡-비의존적 개시 과정을 통해 주로 번역이 일어남을 설명한다. DSCR1은 축색돌기에서 Actin filament의 형성을 조절함으로써 신경세포들 간의 연결을 조절하는 중요한 유전자다. DSCR1의 isoform 중의 하나인 DSCR1.4 mRNA가 신경세포의 세포체와 축색돌기에서 캡-비의존적 번역을 통해 단백질로 합성됨을 밝혔고, 이 과정 중에 중요한 조절자로 역할하는 DAP5를 발견했다. DAP5는 DSCR1.4 5’UTR에 결합하여 DSCR1.4 mRNA의 번역을 강화시켰다. 뇌유래신경영양인자 (BDNF)에 의한 자극은 DAP5의 발현을 증가시켰고, DSCR1.4 mRNA 5’UTR과의 결합 또한 증가시켰다. 이를 통해, DSCR1.4의 캡-비의존적 번역은 증가했고 DSCR1.4 단백질 형성이 증가하였다. 더불어, DAP5의 증가는 DSCR1.4 발현을 촉진하여 축색돌기의 성장을 유도했다. 이러한 일련의 결과들을 통해, DSCR1.4 발현을 조절하는 새로운 기작과 DSCR1.4의 번역을 조절하는 조절자로서 DAP5의 새로운 역할을 규명했다.

In eukaryotes, mRNA translation is predominantly initiated by recognition of the m7G cap structure at the 5’UTR end. However, it has been reported that translation of some mRNAs is induced by both cap-dependent and cap-independent mechanism. Many studies have shown that several genes that are involved in cellular stress responses and apoptosis, require a cap-independent translation mechanism since cap-dependent translation is blocked under cellular stress. Furthermore, recent studies demonstrated that even when cap-dependent translation functions well in the cell, cap-independent translation is crucial for normal physiologic processes in cells, including circadian rhythm and development. Here, in the first chapter, I demonstrated that hnRNP L promotes DNA damage-induced cell apoptosis by enhancing the cap-independent translation of p53. The tumor suppressor gene, p53, is an essential gene in the induction of cell cycle arrest, DNA repair, and apoptosis. p53 protein is induced under cellular stress, blocking cell cycle progression and inducing DNA repair. I found that the expression of hnRNP L and its level of binding with 5’UTR of p53 mRNA were increased in response to DNA damage. Additionally, increased expression of hnRNP L caused enhancement of p53 mRNA translation. Conversely, p53 protein levels were decreased following hnRNP L knock-down, rendering the cells to be resistant to apoptosis and arrest in the G2/M phase after DNA damage. Thus, these findings suggest that hnRNP L functions as a positive regulator of p53 translation and promotes cell cycle arrest and apoptosis. Next, I showed that DSCR1.4 mRNA is present and mainly translated by the cap-independent initiation mechanisms in both the soma and axons of hippocampal neurons. DSCR1 is important for proper wiring between neurons as it regulates actin filament formation in axons. Thus, identifying the detailed regulatory mechanisms of DSCR1 expression is crucial for the understanding of the axon development in neurons; however, these regulatory mechanisms of DSCR1 remain unknown. I found that cap-independent translation of DSCR1.4 mRNA is enhanced by DAP5 which can bind to DSCR1.4 5'UTR. BDNF-stimulus induced an increase in DAP5 expression and the cap-independent translation efficiency of DSCR1.4 mRNA in both axon and soma. Furthermore, I demonstrated that enhanced DAP5 expression induced an increase in DSCR1.4 expression and axonal outgrowth of hippocampal neurons. These findings suggest a new translational regulatory mechanism for DSCR1.4 expressions and a novel function of DAP5 as a positive regulator of DSCR1.4 mRNA translation, which is induced in both soma and axon of hippocampal neurons.