루게릭병 및 전측두엽성 치매 연관 단백질 Fused in Sarcoma (FUS)의 스트레스 응집체 형성에 관여하는 도메인 분석

Abstract

DNA/RNA결합 단백질로 다양한 기능을 한다고 알려진Fused in Sarcoma (FUS)의 유전자 돌연변이가 루게릭병 및 전측두엽성 치매 환자에서 발견되었다. 정상적인 FUS는 핵에 위치하지만 병리상황에서 FUS는 세포질로 잘못 타기팅 되어 스트레스 응집체와 결합된 단백질 응집체를 형성하는 것으로 알려졌다. 그러나 이들에 의한 스트레스 응집체 형성 기전 및 응집체 형성에 관여하는 FUS의 도메인은 정확히 알려지지 않았다. 따라서, 본 연구에서는 루게릭병 연관 FUS 미스센스 돌연변이(P525L, R521C, R521H, R521G)의 세포내 위치 및 세포질 FUS의 응집체 형성에 관여하는 FUS내 도메인을 분석하고 동정하고자 하였다. 이를 위해 먼저, FUS 미스센스 돌연변이의 세포내 위치를 분석한 결과, P525L대부분은 세포질로 위치하여 스트레스 응집체를 형성하는 반면, R521C, R521H, R521G는 핵과 세포질에 위치하였다. 이를 통해 FUS의 핵으로의 이동에는 FUS의 마지막 2개의 아미노산이 매우 중요함을 확인할 수 있었다. 세포질로 빠져 나온 FUS의 응집체 형성에 관여하는 FUS도메인 분석을 위해서 핵 위치서열이 결손되어 대부분 세포질 응집체를 형성하는 FUS-∆17를 이용하여, 다양한 도메인 결손 돌연변이를 제작하고, 이들의 응집체 형성여부를 분석하였다. 그 결과, SYGQ-RGG1나 RGG2-ZnF-RGG3없는 세포질 FUS (FUS-∆SYGQ-RGG1-∆17, FUS-∆RGG2-ZnF-RGG3-∆17)는 스트레스 응집체를 형성하지 않은 반면, RRM이 없는 FUS-∆RRM-∆17은 FUS-∆17에 비해 많은 스트레스 응집체를 형성함을 알 수 있었다. 따라서, 도메인 분석결과 세포질의 FUS는 SYGQ-RGG1나 RGG2-ZnF-RGG3 도메인을 통해 FUS 스트레스 응집체 형성이 촉진되고, RRM도메인은 FUS 응집체 형성을 저해하고 있는 것으로 생각된다. 이러한 연구 결과는 FUS의 스트레스 응집체 형성과 연관된 다양한 퇴행성 뇌질환의 발병기전에 대한 이해뿐만이 아니라 이들 질환 치료를 위한 치료 후보 타겟 물질 발굴에 중요한 단서를 제공할 수 있을 것이다. Mutations in Fused in Sarcoma (FUS) have been identified in patients with amyotrophic lateral sclerosis (ALS) or Frontotemporal Dementia (FTD). Pathological FUS is mis-localized to cytosol and forms aggregates associated with stress granules (SG), while FUS is normally localized to nucleus. However, it is largely unknown how pathological FUS forms SG-aggregates and which domains are responsible for this process. In this study, we examined cellular localization and aggregation of ALS-linked FUS missense mutants (P525L, R521C, R521H, R521G), analyzed the domains responsible for cytosolic FUS aggregation in HEK293T cells, and confirmed this in cultured mouse neurons. To do this, we firstly generated missense mutants of FUS and then examined their cellular localization. We found that P525L was mostly mis-localized to cytosol and formed FUS-positive SG aggregates while R521C, R521H, or R521G was localized to both nucleus and cytosol. To further characterize the domains required for aggregate formation of cytosolic FUS, we generated different domain-deletion mutants using FUS-∆17 which has a deletion of nuclear localization signal. Interestingly, cytosolic FUS without SYGQ and RGG1 domain or cytosolic FUS without RGG2-ZnF-RGG3 domain did not form FUS-positive SG aggregates, while cytosolic FUS without RRM domain generated more aggregates compared to FUS-∆17. Taken together, these data suggest that SYGQ-RGG1 or RGG2-ZnF-RGG3 domain contributes to formation of cytosolic aggregate, while RRM domain might interfere with FUS aggregation. Therefore, our studies will provide important insight for understanding cellular pathogenesis of neurodegeneration associated with FUS aggregate as well as finding therapeutic targets for ALS or FTD.