STING is a novel channel to facilitate cholesterol loading into Endoplasmic Reticulum membrane

기술 요약: 소포체로의 콜레스테롤 로딩을 위한 새로운 채널로서의 STING

문제 제기
STING(Stimulator of Interferon Genes)은 cGAS를 통해 세포질 DNA를 감지하여 제1형 인터페론 반응을 유도하는, 잘 알려진 소포체(ER) 상주형 막 관통 단백질이자 면역 반응의 중심 허브이다. STING의 면역학적 역할은 확립되어 있으나, 휴지기 상태에서의 기능은 여전히 명확히 밝혀지지 않았다. 이와 동시에, Aster 단백질(GRAMD1 패밀리)에 의해 세포막(PM)에서 소포체(ER)로 전달된 콜레스테롤이 ER 막에 삽입되는 메커니즘은 분자 생물학적 난제로 남아 있었다. ER 내 콜레스테롤 수치가 STING 활성화를 조절한다는 점은 알려져 있지만, STING이 역으로 콜레스테롤 대사를 조절하거나 ER로의 콜레스테롤 흡수를 촉진하는지는 알려진 바 없다.

연구 방법론
본 연구는 in vivo 마우스 모델, in vitro 세포 생물학, 구조 생물학 및 약리학적 개입을 결합한 다각적인 접근 방식을 채택하였다:

• 유전 모델: 저자들은 Sting1 결핍(KO) 마우스, Cgas KO 마우스(cGAS와 구별되는 STING 특이적 효과를 확인하기 위함), 그리고 장 상피 세포 특이적 Sting1 조건부 결핍(Sting1 cKO) 마우스를 활용하였다.
• 대사체학 및 생화학: 스테로이드 표적 대사체학, 콜레스테롤 및 코르티코스테론에 대한 정량적 생화학 분석, 그리고 SREBP2 경로 활성화를 평가하기 위한 qPCR/Western blotting을 사용하였다.
• 세포 이미징 및 분획: 세포 분획법(PM vs. ER), 콜레스테롤 센서(ALOD4, GRAM-187L)를 이용한 면역 형광법, 그리고 콜레스테롤 이동 역학을 추적하기 위한 Bodipy-cholesterol을 이용한 실시간 세포 공초점 이미징을 사용하였다.
• 분자 상호작작용 연구: Co-IP, 표면 플라즈몬 공명(SPR), 콜레스테롤 풀다운 분석, 22-NBD-콜레스테롤 결합 분석을 통해 STING, Aster 단백질, 콜레스테롤 간의 물리적 상호작용을 규명하였다.
• 구조 모델링 및 돌연변이 유발: 분자 도킹(Schrödinger Maestro)을 통해 콜레스테롤 결합 포켓을 예측하였다. 이러한 포켓의 부위 특이적 돌연변이(예: L51, L139, Y319)를 통해 그 기능적 역할을 검증하였다.
• 재구성 시스템: 순수 분리된 Aster 및 STING 단백질 존재 하에서 PM 유사 공여자 리포좀으로부터 ER 유사 수용체 리포좀으로의 콜레스테롤 전달을 측정하기 위해 리포좀 기반 FRET 분석법을 개발하였다.
• 약리학: STING 차단제로 알려진 Compound 53(C53)을 사용하여 콜레스테롤 수송 채널에 미치는 영향을 테스트하였다.

주요 기여 및 결과

1. STING 결핍은 콜레스테롤 항상성을 교란한다:

   • In vivo에서, Sting1 KO 마우스는 체중이나 중성지방 수치의 변화 없이도 야생형(WT)에 비해 혈청, 간, 소장의 콜레스테롤 수치가 유의하게 감소했다.
   • 이러한 감소는 간, 장, 부신에서 SREBP2 의존적 콜레스테롤 생합성 유전자(예: Hmgcr, Hmgcs1, Ldlr)의 보상적 상향 조절을 유도했다.
   • 결정적으로, Cgas KO 마우스에서는 이러한 결함이 나타나지 않았으며, 이는 해당 표현형이 cGAS가 아닌 STING 특이적임을 확인해 준다.
   • 장 상피 세포 특이적 Sting1 cKO 마우스 역시 전신적 콜레스테롤 감소를 재현하였으며, 이는 식이 콜레스테롤 흡수에 있어 장 세포 내 STING이 필수적임을 나타낸다.

2. STING은 세포막과 소포체 사이의 콜레스테롤 분배를 조절한다:

   • STING 결핍 세포에서 총 세포 콜레스테롤은 변하지 않았으나 분포가 변화되었다: 콜레스테롤이 세포막(PM)에 축적되는 반면, 소포체(ER) 내 콜레스테롤은 감소했다.
   • 실시간 세포 이미징 결과, WT 세포에서는 외인성 콜레스테롤이 PM에서 ER로 빠르게 이동했으나, Sting1 KO 세포에서는 콜레스테롤이 PM에 갇혀 있는 것이 관찰되었다.
   • Aster 단백질의 약리학적 억제제(AI-3d)는 WT 세포의 콜레스테롤 수송을 차단했으나, STING 결핍 세포에서는 효과가 없었다. 이는 STING이 Aster의 수송 경로 하위에 위치함을 시사한다.

3. STING은 콜레스테롤 채널로서 기능한다:

   • 상호작용: STING은 콜레스테롤 의존적 방식으로 Aster-B 단백질과 물리적으로 상호작용한다. Aster의 세포질 ASTER 도메인은 STING의 여러 부위(TMD, LBD, CTT)에 결합한다.
   • 결합: STING은 콜레스테롤과 직접 결합한다. Aster ASTER 도메인의 존재는 STING의 콜레스테롤에 대한 친화력을 현저히 높인다.
   • 채널 구조: 분자 도킹 및 돌연변이 유발 실험을 통해 세포질, 링커, 막 관통 영역에 걸쳐 있는 네 개의 연속적인 소수성 포켓(Pocket 1–4)을 확인하였다. 포켓 1(세포질)은 Aster가 전달한 콜레스테롤을 인식하며, 포켓 2–4는 이를 ER 막으로의 이동을 용이하게 한다.
   • 기능 검증: 리포좀 FRET 분석에서, ER 유사 리포좀에 STING을 재구성했을 때 Aster 매개 콜레스테롤 전달이 유의하게 증가했다. 예측된 포켓의 돌연변이(예: L139F/K)는 이러한 수송을 무효화했다.

4. 약리학적 차단:

   • STING의 하단 막 관통 도메인(포켓 4와 겹치는 부위)에 결합하는 Compound 53(C53)은 STING-콜레스테롤 결합을 경쟁적으로 억제한다.
   • WT 마우스에 C53을 처리하면 식이 콜레스테롤 흡수와 전신 콜레스테롤 수치가 감소하여 Sting1 KO 표현형을 모방했다. 이러한 효과는 Sting1 KO 마우스에서는 나타나지 않았으며, 이는 C53이 STING 콜레스테롤 채널을 통해 특이적으로 작용함을 확인시켜 준다.

의의 및 주장
본 논문은 면역 신호 전달이라는 기존의 정형적 역할과는 구별되는, 지질 대사에서의 "원초적 기능"을 발견했다고 주장한다. 저자들은 STING이 PM으로부터 전달된 Aster 수송 콜레스테롤을 ER 막으로 로딩하는, 새롭게 정의된 **콜레스테롤 수송 채널(CTC)**로서 기능한다고 제안한다.

이 발견은 다음과 같은 상호 조절 루프를 확립한다:

• 콜레스테롤 $\to$ STING: ER 내 콜레스테롤 보유는 ER 내 STING을 안정화시켜 활성화를 방지한다.
• STING $\to$ 콜레스테롤: STING은 ER 콜레스테롤 로딩을 촉진하며, STING의 부재는 ER 콜레스테롤 고갈을 초래하여 항상성 회복을 위한 SREBP2 활성화를 유도한다.

이 연구는 STING이 콜레스테롤 조절 네트워크에 통합된 것이 복잡한 다세포 환경에서의 막 항상성을 조절하기 위한 진화적 과정이었음을 시사한다. 또한, C53이 이 채널을 차단할 수 있다는 점은 식이 콜레스테롤 흡수 및 전신 지질 수치를 조절할 수 있는 잠재적 메커니즘을 보여주며, 선천 면역 신호 단백질을 대사 조절과 직접 연결시킨다. 저자들은 이러한 통찰이 동맥경화증 및 신경 퇴행성 질환과 관련된 광범위한 병리학적 관련성을 지니고 있으나, 이들 질환에 대한 정확한 기여도는 향후 연구가 필요하다고 언급하였다.