[논문 리뷰] mTORC1 regulates cytokinesis through activation of Rho-ROCK signaling

Timothy R. Peterson, Mathieu Laplante외 4명|arXiv (Cornell University)|2015. 06. 14.

Microtubule and mitosis dynamics인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 간판세포에서 세포분열을 조절하는 새로운 mTORC1-Rho-ROCK 신호전달 경로를 규명한다. mTORC1의 과도한 활성화는 Rho-GTP의 과잉 축적, 액틴-미오신 수축성 증가 및 세포막의 볼록부 형성으로 이어지며, 이는 분열의 실패와 다핵화를 초래한다. 이 현상은 mTORC1 또는 ROCK 억제제로 회복되며, mTORC1가 세포분열의 크기 임계값을 설정한다는 것을 시사한다.

ABSTRACT

Understanding the mechanisms by which cells coordinate their size with their ability to divide has long attracted the interest of biologists. The Target of Rapamycin (TOR) pathway is becoming increasingly recognized as a master regulator of cell size, however less is known how TOR activity might be coupled with the cell cycle. Here, we establish that mTOR complex 1 (mTORC1) promotes cytokinesis through activation of a Rho GTPase-Rho Kinase (ROCK) signaling cascade. Hyperactivation of mTORC1 signaling by depletion of any of its negative regulators: TSC1, TSC2, PTEN, or DEPTOR, induces polyploidy in a rapamycin-sensitive manner. mTORC1 hyperactivation-mediated polyploidization occurs by a prolonged, but ultimately failed attempt at abcission followed by re-fusion. Similar to the effects of ROCK2 overexpression, these mTORC1-driven aberrant cytokinesis events are accompanied by increased Rho-GTP loading, extensive plasma membrane blebbing, and increased actin-myosin contractility, all of which can be rescued by either mTORC1 or ROCK inhibition. These results provide evidence for the existence of a novel mTORC1-Rho-ROCK pathway during cytokinesis and suggest that mTORC1 might play a critical role in setting the size at which a mammalian cell divides.

연구 동기 및 목표

• mTORC1 신호전달이 세포분열과 세포 크기 조절에 미치는 영향을 조사한다.
• mTORC1가 세포분열에 필요한 세 cytoskeletal 기구를 조절하는지 확인한다.
• 세포분열 중 mTORC1 활성도와 Rho GTPase/ROCK 경로 활성화 사이의 분자적 연관성을 탐색한다.
• mTORC1의 과도한 활성화가 세포주기 완료 및 게놈 안정성에 미치는 영향을 평가한다.

제안 방법

• mTORC1 억제 인자(TSC1, TSC2, PTEN, DEPTOR)의 RNAi를 이용한 탈인식으로 mTORC1 신호전달을 과도하게 활성화시켰다.
• 실시간으로 분열 동역학과 세포막 볼록부 형성을 모니터링하기 위해 실시간 세포 영상 분석을 수행했다.
• Rho-GTP 농도 측정을 위해 흡착 분석을 실시하여 Rho GTPase 활성도를 평가했다.
• 약리학적 억제제(라파마이신, ROCK 억제제)를 사용하여 경로 의존성을 검증했다.
• 면역형광 및 공성형광 현미경을 이용해 액틴-미오신 수축성과 세포분열 고리 형성을 시각화했다.
• 유동세포측정 및 DNA 농도 분석을 통해 다핵화율을 분석했다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 mTORC1 신호전달은 간판세포에서 세포분열의 완료를 조절하는가?
• RQ2 mTORC1의 하游에서 Rho-ROCK 경로가 세포분열 중 활성화되는가?
• RQ3 세포분열 기간 동안 mTORC1의 과도한 활성화로 인한 세포형질은 무엇인가?
• RQ4 mTORC1 또는 ROCK 억제로 mTORC1 과도 활성화에 의해 유도된 세포분열 실패를 회복시킬 수 있는가?
• RQ5 mTORC1 활성도는 세포가 분열하는 데 필요한 크기 임계값에 영향을 미치는가?

주요 결과

• TSC1, TSC2, PTEN 또는 DEPTOR의 탈인식은 mTORC1 과도 활성화를 유도하며, 라파마이신에 민감한 다핵화를 초래했다.
• mTORC1 과도 활성화는 장기적인 분열 시도, 세포막 볼록부 형성 및 최종적으로 세포 재융합을 유도하여 다핵세포를 생성했다.
• mTORC1 과도 활성화 세포에서는 Rho-GTP 축적 증가 및 액틴-미오신 수축성 증가가 관찰되었으며, 이는 ROCK2 과도 발현과 유사한 양상이었다.
• 이러한 세포분열 결함는 mTORC1 및 ROCK 억제 모두로 회복되었으며, 경로 의존성이 확인되었다.
• mTORC1-Rho-ROCK 축은 세포분열과 세포 크기 조절을 조절하는 새로운 신호전달 경로로 규명되었다.
• 연구 결과는 mTORC1가 간판세포에서 세포분열의 크기 임계값을 결정하는 데 중심적인 역할을 한다고 시사한다.