Functional Characterization of a Novel Gene Oxi-γ in Dopaminergic Cell Death

Abstract

Parkinson's disease (PD) is a progressive neurodegenerative movement disorder characterized by selective loss of dopaminergic neurons in the substantia nigra pars compacta (SNpc). In PD, oxidative stress (OS) causes selective loss of dopamine neurons via apoptosis and autophagic cell death. OS not only inflicts direct cellular damages, but also activates signaling pathways leading to cell death. Thus, identification of participants in the signaling activated by OS in dopamine neurons could provide potential targets for therapeutic intervention to preserve dopamine neurons in the brain. Using wild-type dopamine neuronal cell model, SN4741, the previous microarray analysis identified a group of cell-death regulators, called Oxi-gene family. Oxi-γ, one of the Oxi-gene family, is a cytosolic protein, which is expressed specifically in the brain. Its expression was restricted to neurons in most brain regions. The level of Oxi-γ was significantly up-regulated in OS-induced dopamine cell death while Oxi-α was down-regulated. Oxi-γ levels were also increased by PD-related toxins, such as rotenone, MPP+ and MG132 and by other toxins inducing apoptosis and autophagy (rapamycin and staurosporine). Of interest, the proteasome inhibitor MG132 and autophagy inducer rapamycin significantly increased the expression of Oxi-γ. As expected, overexpression of Oxi-γ increased significantly dopamine neuronal cell death with the concomitant activation of caspase-3. Although the precise biological function of Oxi-γ was unknown, FBXW5 (a subunit of E3-ligase complex) was identified as a binding partner of Oxi-γ under normal condition. These data suggest that the Oxi-γ protein may play an important role for regulating dopaminergic cell death. Further functional characterization of Oxi-γ will help identify novel therapeutic drug target to prevent dopaminergic cell death in PD.;파킨슨씨병은 점진적인 신경 퇴행성 질병으로, 중뇌 흑질의 도파민 신경이 손실되어 운동장애가 일어나는 것이 특징이다. 파킨슨씨병에서 산화 스트레스 (oxidative stress)는 autophagy나 apoptosis등을 통해서 선택적인 도파민 신경의 손실을 일으킨다고 알려져 있다. 산화 스트레스는 세포 손상에 직접적인 영향을 줄 뿐만 아니라, 세포를 사멸로 이끄는 신호 전달을 활성화시킨다. 따라서 도파민 신경세포에 있어 산화 스트레스에 의한 신호전달에 연관되는 유전자들을 밝히는 것은 산화 스트레스로부터 도파민 신경세포를 보호할 수 있는 치료 타깃을 찾는 데 매우 중요하다. 본 연구실에서 개발한 wild type 도파민 신경세포 모델 SN4741을 이용하여 이루어진 microarray 분석에서 세포 사멸을 조절하는 Oxi-gene family를 발견했고, 본 연구에서는 Oxi-γ에 초점을 맞추어 그 기능을 알아보았다. Oxi-γ 단백질은 세포질에 존재하며 뇌조직에 특이적으로 발현되었다. 그리고 산화 스트레스가 도파민 신경세포 사멸을 증가시킴에 따라, Oxi-γ는 그 발현 정도가 크게 증가했다. 특히, 파킨슨씨병의 대표적 병리기작을 유발하는 물질들인 rotenone, MPP+, MG132는 물론, autophagy와 apoptosis를 일으키는 rapamycin과 staurosporine도 Oxi-γ의 발현을 증가 시켰다. 그 중에서도 proteasome 억제제인 MG132와 autophagy를 유도하는 rapamycin에 의해 유도되는 세포 사멸에서 Oxi-γ의 발현이 현저히 증가되어, Oxi-γ는 proteasome 기능 및 autophagy 기능 조절에 관여함을 암시했다. 세포 사멸 증가에 따른 Oxi-γ증가의 생리학적 의미를 찾기 위해 Oxi-γ 단백질을 과 발현 시켰을 때에도, 예상대로 caspase-3가 활성화되고 도파민세포 사멸 증가를 확인할 수 있었다. 그리고 도파민 신경세포 사멸시 도파민 세포 내에서 Oxi-γ의 정확한 작용기전 및 분자기능을 규명을 위해 Oxi-γ의 binding partner를 찾았고, E3 ubiquitine ligase complex의 일부를 이루는 FBXW5와 결합하는 것을 확인했다. 특히 FBXW5는 autophagy regulator 조절에 관여하는 것으로 알려져 있어, Oxi-γ가 autophagy 조절 pathway인 mTOR-dependent pathway를 통한 세포사멸에 관여함을 암시한다. 본 연구결과는 Oxi-γ 단백질이 도파민 신경세포 사멸에 새로운 역할을 함을 밝혀냈고, 나아가 Oxi-γ 단백질을 이용하여 파킨슨씨병의 치료 약물을 개발에 기여할 수 있는 이론적 근거를 마련했다고 사료된다.