DISC1-mediated modulation of molecular circadian clock by BMAL1 stabilization

Abstract

DISC1 (Disrupted-in-schizophrenia 1)은 스코틀랜드의 가계도에서 정신질환과의 연관성이 처음 제시된 이후로 다양한 신경세포 기능을 포함한 다수의 세포 내 기능에 관여하고 있음이 알려졌다. 다수의 단백질과 결합하며 이를 통하여 세포 내 기능을 수행하고 있다. 다양하게 보고된 DISC1의 기능 중 수면 기능과의 연관성이 보고되었다. 수면과 일주기성 리듬 시스템과의 연관성을 고려하여 보았을 때 DISC1은 일주기성 리듬 시스템과의 연관성 또한 가지고 있을 가능성이 있으며, 이를 본 논문에서 확인하였다. 먼저, DISC1의 발현이 일주기성 리듬에 따라서 증감하는 것을 확인하였고, 이는 CLOCK과 BMAL1의 heterodimer에 의하여 조절됨을 확인하였다. 나아가서, DISC1 promoter의 E-box 서열에 CLOCK과 BMAL1의 heterodimer가 결합하는 것을 확인하였다. 또한, DISC1은 BMAL1의 ubiquitination을 감소시킴을 통하여 BMAL1의 안정성을 증가시켰고, 이는 DISC1에 의한 GSK3β의 활성도 억제를 통하여 일어날 수 있음을 제시하였다. 더 나아가서, Disc1이 결핍된 세포와 마우스에서 일주기성 리듬 유전자들의 발현이 감소되어 있음을 확인하였다. 뿐만 아니라, Disc1이 결핍된 마우스에서 일주기성 리듬 행동이 유의미하게 감쇄되어 있고 free-running period가 짧아짐을 확인하였다. 이러한 발견을 통하여 DISC1의 발현은 CLOCK과 BMAL1의 heterodimer에 의하여 조절을 받고, 발현된 DISC1은 다시 BMAL1의 안정성을 조절하여 분자적 일주기성 리듬 핵심 시스템에 영향을 주고 있음을 밝혔다. 인산화는 단백질의 기능을 조절하는 중요한 메커니즘이며 이미 발현된 단백질의 기능성을 크게 변화시킬 수 있는 효과적인 방법이다. PKA (Protein kinase A)에 의한 DISC1의 두 가지 인산화 위치가 알려져 있다. 세린 58의 경우 DISC1의 세포핵으로의 이동, 그리고 세린 710은 신경 조상 세포 (neuronal progenitor cell)의 단계 전환에 중요한 역할을 하고 있음이 알려져 있다. PKA에 의한 DISC1의 또 다른 인산화 위치가 있을 가능성을 본 논문에서 확인하였고, 이와 관련한 연구를 진행하였다. 도메인 지도화 (domain mapping), 인산화 예측 알고리즘 그리고 아미노산 돌연변이 생성을 통하여 새로운 위치에 대한 연구를 진행하였고, 그 결과 DISC1의 세린 216 아미노산이 PKA에 의하여 인산화됨을 확인하였다.

DISC1 was initially suggested as a susceptibility gene for psychosis from the Scottish pedigree. After that, various studies have reported that DISC1 has multiple binding partners, by doing so, having numerous cellular roles including neuronal functions, such as corticogenesis, hippocampal development, neurodevelopment, and spine and synapse regulation. Intriguingly, in the fly and mouse studies of DISC1, sleep-related phenotypes were reported. Considering that sleep has a close correlation with the circadian system, DISC1 may also have a relationship with the circadian system. Thus, a hypothesis was proposed for DISC1 to have a novel function on the molecular circadian system, which may affect the circadian behavioral output. In this study, DISC1 exhibited an oscillating expression according to the circadian time, and it is regulated by the E-box binding of CLOCK and BMAL1 heterodimer. Interestingly, DISC1 enhances the stability of BMAL1 by inhibiting the GSK3β-mediated ubiquitination. Moreover, Disc1-deficient cells and mice exhibited damped expressions of circadian genes. Finally, Disc1-deficient mice displayed significantly damped circadian behaviors, and the free-running period was shortened. Together, DISC1 expression is regulated by CLOCK and BMAL1 heterodimer, in turn, affecting back to the circadian system by modulating the stability of BMAL1. Phosphorylation is an efficient mechanism to regulate protein’s functions directly instead of to alter protein expression itself. Phosphorylation sites of DISC1, phosphorylated by PKA, are reported from previous studies. Nuclear localization of DISC1 and phase switching of neuronal progenitor cells are regulated by the PKA phosphorylations at Ser58 and Ser710 of DISC1, respectively. Here, I suggested that DISC1 might have other PKA phosphorylation sites, which had not been reported. Further, domain mapping, a prediction tool, and site mutagenesis investigation revealed Ser216 of DISC1 as a novel phosphorylation site by PKA.