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암억제단백질 UTX/MLL3 연구를 통한 암발생 과정의 이해
Functional dissection of tumor suppressors UTX and MLL3 in tumorigenesis

  • 과제명

    암억제단백질 UTX/MLL3 연구를 통한 암발생 과정의 이해

  • 주관연구기관

    서울대학교 산학협력단

  • 연구책임자

    이승희

  • 보고서유형

    최종보고서

  • 발행국가

    대한민국

  • 언어

    한국어

  • 발행년월

    2015-05

  • 과제시작년도

    2014

  • 주관부처

    보건복지부

  • 사업 관리 기관

    국립암센터
    National Cancer Center

  • 등록번호

    TRKO201600001004

  • 과제고유번호

    1465015407

  • 키워드

    전사조절,히스톤 디멜틸화 효소,히스톤 메틸화 효소,암억제단백질transcription control,histone demethylase,histone methyltransferase,tumor suppressor

  • DB 구축일자

    2016-05-14

  • 초록 


    1. Research goals : The genes encoding UTX and MLL4, the subunits of a complex named ASCOM (for ASC-2 complex), have been identif...

    1. Research goals : The genes encoding UTX and MLL4, the subunits of a complex named ASCOM (for ASC-2 complex), have been identified to be somatically mutated in cancer tissues. UTX and MLL4 are epigenetic regulators that trigger formation of open chromatin and serve as developmental targets of new cancer therapeutics. We have established UTX and MLL3 knockout (KO) mice. Specific aims are: 1) By studying the structure-function of UTX, we wish to understand how specific mutations in UTX leads to tumorigenesis. 2) By characterizing tumors in our MLL3/UTX KO mice, we wish to examine if our mutant lines are good animal models for human tumors with mutations in the genes encoding MLL3 and UTX, thereby contributing to develop new therapeutics against cancers derived from UTX/MLL3 mutations. This will also lead to a fundamental technology in new cancer therapeutics development.

    2. Research methods
    UTX demethylates histone H3 lysine 27 (H3K27), and MLL3 is a methylation enzyme for H3K4. Because H3K27 and H3K4 methylations mark closed and open chromatin, respectively, UTX and MLL3 contribute to formation of open chromatin. Our results show that MLL3 and UTX cooperate in forming open chromatins with tumor suppressor genes, leading to our central hypothesis that mutations in these genes lead to down-regulation of tumor suppressor expression. Therefore, understanding of roles of UTX/MLL3 in gene regulation should provide new insights into tumorigenesis. In this study, 1) we wish to elucidate the structure-function relationship in UTX (MLL3 consists of more than 5000 aa, making it difficult to study the structure-function relationship). Also we will define which specific function is deactivated by mutations of UTX in cancer patients. 2) By comparing the kinds of tumors in our mutant mice and the types of cancers in human, we will test if our animals are a good model to study human UTX/MLL3-deactivated cancers. Through this study, we wish to contribute to developing personalized medicine for human cancer patients with mutations in MLL3 and UTX.

    3. Research results
    1) The 1st year_characterization of UTX (identification of UTX-interactors and dissection of the basic properties of UTX)
    - Using the yeast two hybrid system, we identified the following ten interactors : Ncoa4/ARA70, Ddx5/p68, RPL6, TLE1, ITM2, RNF10, MRP14, G6pc3, GPSM2, and FECH.
    - Because UTX is a nuclear protein and a protein that controls the transcription, Ncoa4 and TLE1, which are involved in transcriptional regulation, will be further studied with regard to their roles in the nuclear action of UTX. Also DDX and RNF10, two proteins of unknown function, are expected to control RNA (DDX), DNA-binding or nuclear protein-protein interactions (RNF10). We will therefore test if these proteins are involved with the nuclear functions of UTX.
    2) The 2nd year_Histone modification by UTX : Roles of UTX-mediated H3K27/H3K4 methylation in tumor suppressor expression
    - Interactions of Set1-like complexes (which include the UTX/MLL3-complex/ASCOM) with histone substrate is inhibited by methylated K27.
    - H3 binds to WDR5 and RBBP5, two common subunits of Set1-like complexes, and these interactions are inhibited by methylated H3K27.
    - Removal of H3K27 methylation is therefore required for H3K4 methylation, as shown by the requirement for UTX in of RA transactivation.
    - Knockdown of UTX interferes with anti-proliferation action of RA.
    - The target gene of RA, RAR-beta2, needs UTX in converting from H3K27 methylation marked closed chromatin to H3K4 methylation marked open chromatin.
    3) The 3rd year_Tumorigenesis of UTX/MLL3/MLL4 mutant mice
    - Many labs reported mutations in UTX/MLL3/MLL4 in diverse kinds of human cancers, suggesting that UTX/MLL3/MLL4 represent new types id tumor suppressors.
    - We discovered that our MLL4 mutant mice are much more susceptible to AOM/DSS-directed development of colon tumors in comparison to wild-type control mice.
    - In our MLL4 mutant mice, we found that the expression of anti-inflammatory genes are down-regulated and the proliferation and number of intestinal stem cells are also increased in comparison to wild type control mice, providing the rationals for the susceptibility of our MLL4 mutant mice to colon tumorigenesis.
    - We wish to further define the molecular basis by which MLL4 controls proliferation of intestinal stem cells by elucidating the target genes of MLL4 in intestinal stem cell proliferation.


    1. 연구목적
    UTX는 MLL3와 더불어 최근 암환자의 체세포변이에 대한 무작위 탐색으로 발견된 암억제유전자로 UTX와 MLL3는 ASCOM으로 명명한 복합체의 구성원이다. UTX, MLL3는 유전자 발현을 촉진하기 위해 ‘열...

    1. 연구목적
    UTX는 MLL3와 더불어 최근 암환자의 체세포변이에 대한 무작위 탐색으로 발견된 암억제유전자로 UTX와 MLL3는 ASCOM으로 명명한 복합체의 구성원이다. UTX, MLL3는 유전자 발현을 촉진하기 위해 ‘열린 크로마틴’을 형성하는데 필수적 효소들이어서 새로운 항암제개발에 좋은 표적이기도 하다. 우리는 UTX, MLL3 유전자를 적중시킨 생쥐를 제작하였다. 구체적 연구목표로 우리는 1) UTX의 구조-활성을 연구함으로 암환자에서 발견되는 UTX 변이에 대한 암발생 과정을 이해하고, 2) UTX 적중 생쥐, MLL3 적중 생쥐에서 발생하는 암들에 대한 특성을 연구함으로, 암환자에서 발견되는 암을 연구하는데, 우리 UTX/MLL3 변이 생쥐가 좋은 동물모델이 될 수 있는지 확인하고, 궁극적으로 UTX/MLL3 변이로 인한 암환자의 치료제 발굴 및 검증에 에 새로운 대안을 제시하고, 나아가 신규 항암제 개발에 관한 원천기술을 제공하고자 함.

    2. 연구방법
    UTX는 크로마틴을 이루는 기본 단위인 뉴클레오솜(nucleosome) 구성원 중 히스톤 H3의 K27의 메틸기를 제거하는 demethylase 효소이고, MLL3는 H3K4를 메틸화시키는 효소이다. H3K27 메틸기와 H3K4 메틸기는 각각 닫힌 크로마틴과 열린 크로마틴의 대표적 표지여서 UTX/MLL3의 작용은 열린 크로마틴을 형성하는데 중요한 역할을 한다. 우리 연구결과 UTX는 MLL3와 함께 복합체를 이루며, 이 복합체는 UTX의 H3K27 메틸제거 작용과 MLL3의 H3K4 메틸화 작용을 이용하여 “암억제유전자”에 열린 크로마틴을 형성한다는 것을 밝혔다. 따라서 UTX/MLL3의 변이로 “암억제유전자”의 발현이 저해되는게, UTX/MLL3 변이가 암을 유발시키는 근본 원인이 아닌가 추정하고 있다. 따라서 유전자발현 조절 과정 중에 UTX/MLL3의 역할을 이해하는 일은 암발생 과정을 이해하는데 새로운 정보를 제공할 것이다. 동 과제에서 우리는 1) UTX/MLL3 변이에 암발생과정을 이해하기 위해, 먼저 UTX의 정확한 구조-활성 관계를 규명하고자 한다(MLL3는 5000여개의 아미노산으로 이루어진 거대단백질이어서 구조활성 연구가 대단히 어려움). 아울러 암환자에서 발견되는 각 UTX 변이들이 UTX의 어느 특정 활성을 불활성화 시키는지도 이해하고자 한다. 2) 우리는 UTX/MLL3의 유전자 적중 생쥐에서 일어나는 암들의 종류 및 'UTX/MLL3 변이 암환자'에서 일어나는 암과의 상관관계를 규명함으로, 우리가 구축한 UTX/MLL3 생쥐가 'UTX/MLL3 변이 암환자'에 대한 유용한 동물 모델인지 확인하고자 한다. 이 연구로 우리는 'UTX/MLL3 변이 암환자'에 맞춤형으로 사용할 수 있는 신규 항암제 연구, 개발 및 검증에 관한 원천기술을 제공하고자 함

    3. 연구결과
    1) 1차년도 _UTX 특성 연구 (UTX interactor 탐색 및 기본 특성 규명)
    ● UTX 기능을 탐색하기 위한 방안으로 우리는 yeast two hybrid system을 이용하였다. 그 결과 다음의 10개의 인자(NCoA4/ARA70, DDX5/P68, RPL6, TLE1, ITM2, RNF10, MRP14, G6pc3, GPSM2, FECH)를 UTX-interactor로 발견함.
    ● UTX가 핵에 있는 인자이고, 전사조절 조인자이기 때문에, 핵에서 전사조절에 관여하는 것으로 알려진 NCoA4와 TLE1은 심화연구를 통해 UTX 기능에 어떤 역할을 하는지 밝혀나가고자 함. 또한 DDX, RNF10은 비록 기능이 알려져 있지는 않지만, RNA(DDX), DNA-binding 혹은 protein-protein interaction(RNF10)에 관여할 것으로 생각되기 때문에, 이 인자들이 UTX 의 기능에 관여할 가능성에 대해서도 심화연구를 수행하고자 함.
    2) 2차년도 _UTX 기능 연구 (UTX (ASCOM)에 의한 histone modification연구) 세포증식 억제인자의 발현에 있어 UTX에 의한 Histone의 K4me3과 K27me3의 상호관계 규명
    ● UTX로 이루어진 SET1-like H3K4 methyltransferase 복합체의 히스톤3 결합과 기능에 있어 히스톤의 H3K27이 억제적으로 작용함을 발견함.
    ● 히스톤 H3는 WDR5와 RBBP5와 결합할 수 있고 히스톤의 K27잔기가 trimethylation되면 SET1-like 복합체의 구성요소인 WDR5와 RBBP5가 히스톤에 결합을 하지 못함을 발견함.
    ● H3K27의 trimethylation은 H3K4의 trimethylation을 감소시 RA에 의한 전사활성에 UTX의 효소활성이 필요함.
    ● UTX의 knockdown은 RA에 의한 세포증식억제 작용을 저해함.
    ● RAR 표적유전자인 RAR-b2의 H3K27me3로 표지된 억제상태에서 H3K4me3로 표지된 활성 상태로의 전이에 UTX가 꼭 필요함을 발견함.
    3) 3차년도_ UTX/MLL3/MLL4 동물모델 암발생
    ● 다양한 인간 암조직에서 UTX/MLL3/MLL4 유전자 변형이 빈번히 일어남이 최근 여러 연구실에서 보고됨에 따라 UTX/MLL3/MLL4가 종양의 기초 발생기전에서 암억제 인자로 작용할 수 있음을 시사함.
    ● 이러한 보고와 일치하게 MLL4 유전자가 제거된 생쥐 모델에서 control wild type 생쥐에 비해 DSS나 AOM유도 대장암 발생 빈도가 더 높음을 관찰함.
    ● MLL4 유전자가 제거된 생쥐의 장세포를 분리하여 RNA-seq을 이용하여 분석한 결과 항염증 작용에 관여하는 인자들의 발현이 저하되어 있고 장줄기세포의 세포분열 및 증식이 증가되어 있음을 관찰하였고 이로 인해 대장암이 더 쉽게 유발되는 것으로 생각되어짐.
    ● 장줄기세포의 세포분열에 관여하면서 MLL4에 의해 조절받는 표적유전자를 발굴하여 그 조절 메카니즘을 앞으로 규명하고자 함.


  • 목차(Contents) 

    1. 표지 ... 1
    2. 제출문 ... 3
    3. 목차 ... 5
    4. 연구개발사업 최종연구개발결과보고서 요약문 ... 6
    5. Project Summery ... 8
    6. 1. 연구과제의 최종 연구개발 목표 ... 10
    7. 가. 연구개발의 최종목표 ... 10
    8. 나. 연구배경 ... 10<...
    1. 표지 ... 1
    2. 제출문 ... 3
    3. 목차 ... 5
    4. 연구개발사업 최종연구개발결과보고서 요약문 ... 6
    5. Project Summery ... 8
    6. 1. 연구과제의 최종 연구개발 목표 ... 10
    7. 가. 연구개발의 최종목표 ... 10
    8. 나. 연구배경 ... 10
    9. 다. 연구개발의 필요성 ... 10
    10. 2. 연구과제의 연구대상 및 방법 ... 11
    11. 1) UTX 특성 및 기능 연구 ... 11
    12. 2) UTX/MLL3 유전자적중 생쥐에서의 암발생 연구 ... 11
    13. 3. 연구과제의 연구개발결과 ... 12
    14. 1) 1차년도 _UTX 특성 연구 (UTX interactor 탐색 및 기본 특성 규명) ... 12
    15. 2) 2차년도 _UTX 기능 연구 (UTX (ASCOM)에 의한 histone modification연구) ... 13
    16. 3) 3차년도_ UTX/MLL3/MLL4 동물모델 암발생 ... 13
    17. 4. 연구과제의 연구결과 고찰 및 결론 ... 15
    18. 5. 연구과제의 연구성과 및 목표달성도 ... 16
    19. (1) 연구성과 총괄 ... 16
    20. (2) 연구성과 상세내역 ... 17
    21. (3) 연구개발과제의 목표달성도 ... 26
    22. 6. 연구과제의 활용계획 ... 26
    23. (1) 연구종료 3년까지 예상 연구성과 ... 26
    24. (2) 연구성과의 활용계획 ... 26
    25. 7. 참고문헌 ... 26
    26. 8. 첨부서류 ... 28
    27. 끝페이지 ... 34
  • 참고문헌

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