Studies on Heat Shock Factor 1 modulator using small molecules and proteins

Abstract

Molecular chaperone으로써 역할을 하는 Heat Shock Proteins (HSPs)은 heat, H2O2, hypoxia, sodium arsenite 등과 같은 여러 스트레스에 의해 발현되는 단백질 이다. HSPs은 heat shock elements (HSE)라 불리는 특정 서열로 conserved 되어 있는 부위에 heat shock factor 1 (HSF1)이라 불리는 전사인자의 binding으로 발현이 조절된다. HSF1은 평소에는 세포질에 존재하다가 stress에 의해 인사화 되고, trimer를 이루면서 핵 안으로 빠르게 들어간다. 그리고 핵 안에서 HSE에 붙어서 HSPs의 발현을 증가시킨다. 발현된 HSPs은 세포내의 비정상적인 3차 구조를 갖고 있는 여러 단백질들을 정상 구조로 refolding 시켜준다. 즉, 세포는 적절한 수준의 HSPs의 발현을 유지함으로써 세포내의 proteostasis를 유지시키는 것이 중요하다. 만약 HSF1이 up-regulation되면, 전립선암과 췌장암의 원이 된다고 연구되어있다. 반대로 chaperone activity의 감소로 비정상적인 단백질이 축적된 경우, Huntington's disease 나 Alzheimer's disease 같은 질병의 원인이 된다. Pyrimidine base analogues인 Chemical compounds의 경우, inactivated HSF1을 activation 시키거나 inhibition 시키는 것을 확인할 수 있었다. 또 다른 novel protein인 Activity-regulated cytoskeletal-associated protein (Arc/Arg3.1) 은 뇌에서 잘 알려진 단백질이다. Arc/Arg3.1은 주로 기억과 학습 과정에서 뉴런의 plasticity 형성에 관여하는 단백질로 기능을 한다. 선행연구에서 Arc/Arg3.1이 heat shock에 의해 그 발현이 약 80배 이상 증가되는 것을 확인했다. 이 연구를 기반으로 heat shock에 의해 발현되는 Arc/Arg3.1가 HSPs보다 좀 더 일찍 발현되고 더 빠르게 degradation 되는 것을 확인했다. 더 나아가, Arc/Arg3.1이 과발현 되면 HSPs (HSP70, HSP27)의 mRNA level 과 단백질 발현이 감소되는 것을 확인했다. 이러한 현상은 Arc/Arg3.1이 activated HSF1와 핵 안에서 결합하여 최종적으로 HSF1이 HSE에 결합하는 현상을 억제함으로써 이뤄지는 과정임을 확인했다.;Heat shock proteins (HSPs) as molecular chaperones are induced by activation of heat shock factor 1 (HSF1) in response to heat shock and various other stresses including H2O2, hypoxia, and sodium arsenite. Since HSF1 plays a key role for expressing HSPs for maintaining the cellular homeostasis by removing the abnormal proteins, HSF1 is up-regulated in cancers such as prostate cancer and pancreatic cancer etc and down-regulated in neuronal diseases including Huntington's disease or Alzheimer's disease. This study tried to find chemical compounds and a novel protein to modulate HSF1 activity. Nucleoside analogues based on pyrimidine and Se in ribose were found to activate or inhibit HSF1. Activity-regulated cytoskeletal-associated protein (Arc/Arg3.1) was found to inhibit HSF1 as a HSP. Arc/Arg3.1 is a well-known protein to play key roles in the plasticity of neurons in memory and learning processes. Previous studies have shown that the expression of Arc / Arg3.1 is increased about 80-fold by heat shock, and degraded faster than HSPs. This study shows that the expression of Arc/Arg3.1 inhibited the expression of HSPs (HSP70, HSP27) in terms of both mRNA and protein level by regulating HSF1. Arc/Arg3.1 newly expressed in response to heat shock inhibits transcriptional activity of HSF1 activation by inhibiting its binding to heat shock element (HSE) with direct interaction, not affecting the HSF1 activation including phosphorylation-dependent activation and nuclear localization. These finding suggest that Arc/Arg3.1 induced by heat shock plays as a negative feedback loop to HSF1.