Studies on Molecular Actions of Activity-regulated Cytoskeleton-associated Protein, Arc/Arg3.1, on Stress Responses

Abstract

Many chaperones are known to be expressed to repair the misfolded proteins generated by elevated temperatures or other stresses. Molecular basis of heat shock response (HSR) is not well understood. In this study, activity-regulated cytoskeleton-associated protein (Arc/Arg3.1) was found to be highly expressed in response to heat shock as well as heat shock protein 70 (Hsp70). Arc/Arg3.1 is a rapidly induced protein in the brain by robust patterned synaptic activity, including long-term potentiation. Locally translated Arc mRNA in dendrites interacts with endophilin and dynamin to enhance membrane AMPA receptors endocytosis. Here, in RIF-1 and HeLa cells, endogenous Arc/Arg3.1 protein expression was negligible in normal condition, but was transiently induced during recovery after heat shock, remained upto 6 h and then disappeared. Arc/Arg3.1 expression was same as chaperon induction by denaturating agents diamide and sodium arsenite as well as heat shock. These results suggest that Arc/Arg3.1 plays a key role in response to environmental stresses similar to heat shock proteins (HSPs). To investigate whether Arc/Arg3.1 is another novel chaperone, cell survival and chaperone activity in cells overexpressing Arc/Arg3.1 were examined in response to stress because chaperones repair the misfolded protein aggregations generated by the stress. Arc/Arg3.1 did not repair the damaged proteins, rather readily formed insoluble aggregates and degraded the proteins. This indicates that Arc/Arg3.1 is a potential regulator of clearing the denatured proteins generated by stresses. To understand the molecular action of Arc/Arg3.1, binding partners and post-translational modifications (PTMs) were investigated by combining immunoprecipitations with tandem Mass (MS). Further confirmation is required, but Arc/Arg3.1 plays a key role in stress response.;많은 chaperone들이 높은 온도나 다른 종류의 스트레스들에 의해 발생한 구조가 잘못 된 단백질들을 복구하기 위해 발현된다고 알려져 있다. 그러나 이러한 heat shock response에 대한 분자적 기초는 아직 연구가 많이 이루어져 있지 않다. 이번 연구에서는 activity-regulated cytoskeleton-associated protein (Arc/Arg3.1) 이 heat shock protein 70 (Hsp70) 처럼 heat shock에 의해 매우 높게 발현된다는 것을 발견했다. Arc/Arg3.1은 뇌에서 long-term potentiation과 같은 지속적인 patterned synaptic activity에 의해 빠르게 유도된다. Dendrites에서 지엽적으로 번역된 Arc mRNA는 endophillin, dynamin과 상호작용하여 membrane의 AMPA receptor의 endocytosis를 촉진한다. 이 논문에서는 스트레스를 받지 않은 조건에서는 발현이 거의 나타나지 않는 Arc/Arg3.1 가 heat shock에 의한 recovery 과정에서 발현이 일시적으로 유도되어 약 6시간 정도 존재한 후 다시 사라지는 것을 발견했다. 그리고 heat shock 뿐만 아니라 diamide, sodium arsenite와 같은 물질에 의해서도 다른 chaperone들처럼 발현이 유도되는 것을 확인했다. 즉, Arc/Arg3.1은 heat shock proteins (HSPs)처럼 외부 스트레스에 대한 반응에 중요한 역할을 한다는 것을 알 수 있다. Arc/Arg3.1가 또 다른 새로운 chaperone인지 알아보기 위해Arc/Arg3.1이 과발현된 cell에서 chaperone이 스트레스에 의해 생성된 misfolded protein aggregation을 복구하는 activity가 존재하는 지 조사해 보았다. Arc/Arg3.1은 손상된 단백질을 회복시키지는 못했고 오히려 insoluble aggregates을 형성하여 이들을 감소시켰다. 이러한 사실은 Arc/Arg3.1이 스트레스에 의해 생성된 denatured protein을 제거하는 잠재적인 조절자임을 의미한다. 더욱이 이 논문에서는Arc/Arg3.1의 분자적 작용을 이해하기 위해 상호작용하는 단백질들과 post-translational modifications (PTMs)을 immunoprecipitation과 질량분석기를 이용하여 조사해 보았다.