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線虫の有害金属ストレス応答を制御するメディエーターサブユニットMDT-15/MED15と核内受容体HIZR-1/HNF4が協調している
Mediator subunit MDT-15/MED15 and Nuclear Receptor HIZR-1/HNF4 cooperate to regulate toxic metal stress responses in Caenorhabditis elegans.
PMID: 31815936 PMCID: PMC6922464. DOI: 10.1371/journal.pgen.1008508.
抄録
亜鉛は、多くのタンパク質の触媒作用や構造的構成要素であるため、細胞機能に不可欠である。対照的に、カドミウムは生物学的システムでは必要とされず、毒性があります。亜鉛とカドミウムのレベルは密接に監視され、それらの過剰は細胞ストレスの原因となるため、規制されています。恒常性を維持するために、生物はストレス応答性の転写制御複合体を介して金属解毒遺伝子プログラムを誘導する。線虫では、進化的に保存されているMediator転写調節因子のMDT-15サブユニットが過剰な亜鉛とカドミウムへの曝露時に遺伝子を誘導するために必要とされている。しかし、この応答におけるMDT-15の制御パートナー、細胞・生理的ストレス適応における役割、および金属ストレス応答における哺乳類のMED15の役割については不明な点が多い。ここでは、MDT-15が核ホルモン受容体HIZR-1と物理的・機能的に相互作用し、カドミウムや過剰亜鉛に対する分子・細胞・生物の適応を促進することを示した。機能獲得変異体、機能喪失変異体、qRT-PCR、レポーター解析を用いて、MDT-15とHIZR-1が協力して亜鉛・カドミウム応答遺伝子を誘導することを明らかにした。さらに、この2つのタンパク質は、酵母2-ハイブリッドアッセイにおいて物理的に相互作用しており、この相互作用は亜鉛やカドミウムを添加することで増強されることがわかった。機能的には、mdt-15 と hizr-1 変異体は腸内の過剰な亜鉛の貯蔵に欠陥があり、亜鉛によって誘発される産卵の減少に対して過敏に反応します。さらに、mdt-15変異体はカドミウムによる産卵の減少に対して過敏に反応するが、hizr-1変異体は反応しないことから、制御経路の分岐の可能性が示唆された。最後に、哺乳類のMDT-15オルソログは、メタロチオネインと亜鉛トランスポーター遺伝子のゲノム制御領域にカドミウムと亜鉛で刺激されて結合しており、ヒトのMED15は、カドミウムに曝露された肺腺癌細胞においてメタロチオネイン遺伝子を誘導するために必要であることを示した。以上のことから、Mdt-15とhizr-1はカドミウムの解毒と亜鉛貯蔵を調節するために協力しており、このメカニズムは哺乳類では少なくとも部分的に保存されていることが明らかになった。
Zinc is essential for cellular functions as it is a catalytic and structural component of many proteins. In contrast, cadmium is not required in biological systems and is toxic. Zinc and cadmium levels are closely monitored and regulated as their excess causes cell stress. To maintain homeostasis, organisms induce metal detoxification gene programs through stress responsive transcriptional regulatory complexes. In Caenorhabditis elegans, the MDT-15 subunit of the evolutionarily conserved Mediator transcriptional coregulator is required to induce genes upon exposure to excess zinc and cadmium. However, the regulatory partners of MDT-15 in this response, its role in cellular and physiological stress adaptation, and the putative role for mammalian MED15 in the metal stress responses remain unknown. Here, we show that MDT-15 interacts physically and functionally with the Nuclear Hormone Receptor HIZR-1 to promote molecular, cellular, and organismal adaptation to cadmium and excess zinc. Using gain- and loss-of-function mutants and qRT-PCR and reporter analysis, we find that mdt-15 and hizr-1 cooperate to induce zinc and cadmium responsive genes. Moreover, the two proteins interact physically in yeast-two-hybrid assays and this interaction is enhanced by the addition of zinc or cadmium, the former a known ligand of HIZR-1. Functionally, mdt-15 and hizr-1 mutants show defective storage of excess zinc in the gut and are hypersensitive to zinc-induced reductions in egg-laying. Furthermore, mdt-15 but not hizr-1 mutants are hypersensitive to cadmium-induced reductions in egg-laying, suggesting potential divergence of regulatory pathways. Lastly, mammalian MDT-15 orthologs bind genomic regulatory regions of metallothionein and zinc transporter genes in a cadmium and zinc-stimulated fashion, and human MED15 is required to induce a metallothionein gene in lung adenocarcinoma cells exposed to cadmium. Collectively, our data show that mdt-15 and hizr-1 cooperate to regulate cadmium detoxification and zinc storage and that this mechanism is at least partially conserved in mammals.