Regulatory mechanism of transmembrane domain on syndecan functions

Abstract

The syndecans are a type of cell surface adhesion receptor that initiates intracellular signaling events through receptor clustering mediated by their highly conserved transmembrane domains (TMDs). However, the exact function of syndecan TMD is not yet fully understood. Here, I investigated the specific regulatory role of syndecan TMD. Firstly, I found that syndecan-2 TMD has stronger tendency to form sodium dodecyl sulfate (SDS)-resistant homo-dimers than syndecan-4 TMD. Furthermore, syndecan-2 TMD was crucial for syndecan-2-mediated migration, Rac activity and fibronectin (FN) interaction. Interestingly, a unique phenylalanine residue (Phe167) enabled an additional molecular interaction between the TMDs of the syndecan-2 homodimer. The presence of Phe167 was correlated with a higher tendency toward oligomerization, and its replacement with isoleucine significantly reduced the SDS-resistant dimer formation and cellular functions of syndecan-2 (e.g., cell migration). Taken together, these data suggest that Phe167 in the TMD of syndecan-2 endows the protein with specific functions. In addition, TMD of syndecan is known to be involved in transmitting signaling events by forming both homo- and hetero-dimers/oligomers. Besides the unique Phe that is mentioned above, syndecan-2 contains the conserved Phe (SDC2-Phe169) through all syndecan TMD, without knowing the function. Therefore, I investigated the regulatory role of the SDC2-Phe169 in syndecan TMD. The replacement of the conserved Phe did not affected homo-dimer formation, but showed much reduced hetero-dimer formation between syndecans in vitro and in vivo studies, suggesting the role of SDC2-Phe169 in hetero-dimerization/oligomerization of syndecans. Consistently, I showed that the defect of the conserved Phe led to inhibit hetero-dimerization mediated syndecan-2 and -4 functions such as Rac activity and cell migration and focal adhesion formation. Thus, this research suggests that syndecans TMD actively participate in regulating syndecan functions by offering the difference of TMD-TMD interaction produced by unique or conserved Phe. In conclusion, TMD of syndecan has a regulatory role of syndecan functions through TMD-mediated oligomerization.;Syndecan은 세포 표면에 발현되는 수용체의 한 종류로서, 높은 상동성을 갖는 막도메인을 이용, 수용체 단백질을 모아주어 세포 내부로 신호를 전달한다고 알려져 있다. 그러나 syndecan의 막도메인에 대한 연구는 많이 진행되지 않은 편이다. 그렇기 때문에 본 논문에서 syndecan 기능에 중요한 syndecan 막도메인의 조절 역할을 연구하였다. 첫 번째로, syndecan-2의 막도메인은 syndecan-4에 비해 SDS(sodium dodecyl sulfate)에 저항적인 동형 이합체 형성 능력이 높은 것을 확인하였다. 뿐만 아니라, syndecan-2의 막도메인은 syndecan-2와 관련된 기능, 예를 들어 세포 이동능력, Rac 활성능력 그리고 세포 외 기질 중 하나인 fibronectin과의 결합 능력 조절에 중요한 역할을 담당하는 것을 확인하였다. 흥미롭게도, syndecan-2의 막도메인만이 고유하게 갖는 167번째 페닐알라닌이 막도메인 사이에 강한 결합력을 제공하는 것을 알 수 있었다. 167번째 페닐알라닌은 높은 막도메인 동형 올리고머 경향성과 관계가 있었고, 이를 아이소류신으로 치환하였을 경우 SDS 저항적인 이합체 형성과 그로 인한 syndecan-2의 기능(세포 이동성 등)이 모두 저해됨을 확인하였다. 이러한 결과를 종합하면, syndecan-2의 막도메인 내의 167번째 페닐알라닌이 해당 단백질 특이적인 기능 조절에 기여함을 제시할 수 있다. 더불어, syndecan 막도메인은 동형뿐만 아니라 이형 이합체를 형성함으로써 신호를 전달한다고 알려져 있다. 그리고 syndecan-2의 막도메인은 위에서 언급한 syndecan-2 특이적 페닐알라닌 (167번째 페닐알라닌)뿐만 아니라, 모든 syndecan 막도메인이 공통적으로 갖고 있는 페닐알라닌 (169번째 페닐알라닌)을 포함하고 있다. 그렇기 때문에, syndecan-2의 막도메인에서 169번째 페닐알라닌의 조절 역할을 확인하였고, 169번째 페닐알라닌을 치환한 경우 동형 이합체 형성에는 아무 영향이 없지만, 다른 syndecan과의 이형 이합체 형성이 감소하는 것을 in vitro와 in vivo 실험을 통해 확인하였다. 이는 syndecan 막도메인이 공통적으로 갖는 페닐알라닌이 syndecan들의 이형 이합체 형성에 있어서 역할을 담당함을 의미한다. 뿐만 아니라, 공통 페닐알라닌이 없는 경우 세포의 이동성, Rac 활성화 그리고 focal adhesion 형성 등과 같은 syndecan-2와 -4에 의해 발생하는 기능이 저해되는, 즉 이형 이합체에 의한 기능을 수행하지 못하는 것을 확인하였다. 그러므로, 본 연구는 syndecan의 막도메인이 페닐알라닌을 통해 서로 다른 막도메인 사이 상호 결합능력을 조절함으로써 syndecan 기능 조절에 능동적으로 참여함을 제시한다. 결론적으로 syndecan 막도메인은 막도메인 의존적 올리고머 형성을 조절을 통해 syndecan 기능을 조절하는 역할을 담당한다.