[학계 주요 topic] 해외 연구 동향 2015 3월
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- 1. Human embryonic stem cell-derived oligodendrocyte progenitors remyelinate the brain and rescue behavioral deficits following radiation.
- Piao et al. Cell Stem Cell. 2015 Feb 5;16(2):198-210.
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Cancer therapy로 Radiation therapy가 많이 쓰이고 있으나 brain에 radiation therapy는 long-term side effects를 발생하게 하는데 대부분 cognitive decline과 motor coordination의 impairment를 수반함. 이러한 side effect는 cancer 치료 후 생존율 감소와 삶의 질 저하로 이어짐. 따라서 side effects를 줄이는 것이 필요한데 side effects가 발생하는 주원인이 radiation에 의한 brain injury와 axon의 demyelination임. Axon의 demyelination이 일어나면 axon의 신호 전달이 늦어지게 되고 결국 axon의 degradation으로 이어지게 됨. 따라서 oligodendrocyte에 의해 다시 remyelination 되어야 하는데 이 때 외부에서 oligodendrocyte progenitor를 brain에 넣어 주었을 때 remyelination되는지 확인하는 실험을 하였음.
먼저 radiation이 뇌에 미치는 영향을 보기 위해 태어난 지 4주 된 어린 rat에 50Gy 정도의 radiation을 조사해주고 14주차에 뇌의 oligodendrocyte progenitor 수가 감소되어 있는 것을 볼 수 있었고 또한 myelin basic protein의 발현 역시 감소되어 있는 것을 확인하였음. 또한 novel object preference task와 object location task 같은 기억력 관련 실험과 rotarod test같은 운동능력관련 실험들에서 irradiated rat들의 기억력과 운동능력이 감소되는 것을 볼 수 있었음. 이것은 radiation에 의한 oligodendrocyte의 감소가 뇌의 기능저하에 영향을 미친다는 것을 의미함. 그렇다면 외부에서 넣어 준 oligodendrocyte progenitor가 이러한 기능저하를 회복시킬지를 보기 위해 in vitro 상에서 Human embryo stem cell을 oligodendrocyte를 분화시켜 irradiated 쥐의 뇌의 양쪽 corpus callosum에 injection하였음. Behavior experiments를 수행한 결과 novel object preference와 object location task는 개선되는 것을 보았으나 운동신경 관련 실험인 rotarod task에서는 irradiated rat과 비슷하게 운동능력이 떨어져 있었음. 이것은 corpus callosum injection은 운동관련 neuron의 회복에는 영향을 주지 못한다는 것을 의미하는데 후에 운동신경 관련된 cerebellum에 oligodendrocyte progenitor를 injection한 결과 rotarod task에서 정상 쥐 수준으로 회복되는 것을 볼 수 있었음. 이 결과는 human embryonic stem cell에서 derive 한 oligodendrocyte progenitors가 radiation에 의해 손상된 rats의 myelination 및 behavioral defects를 회복시킬 수 있음을 보여줌. - 2. Transient pairing of homologous oct4 alleles accompanies the onset of embryonic stem cell differentiation.
- Hogan et al. Cell Stem Cell. 2015 Mar 5;16(3):275-88.
- 유전자 발현 조절에 많은 역할을 하는 핵 내 염색체 배열은 세포 종류에 따라 다른 양상을 나타내며, 이는 각 세포에서 다양한 유전자 발현 양상을 보이는 이유임. 현재까지 배아줄기세포의 유전자 전사 및 후성 유전적 요소들은 많이 밝혀졌으나, 핵 내 염색체 배열이 분화능력 및 과정에 어떤 영향을 미치는 지는 잘 알려지지 않았음. 또한, 배아줄기세포 분화 전후 염색체 결합의 차이점에 대해서는 많은 연구가 있었으나, 배아줄기세포가 분화능을 잃고 분화를 시작하는 시점에서 단일 세포 핵 내 구조에 대한 연구는 거의 없었음. 본 연구자들은 분화 시작 시, 단일 세포 내 Oct4, Sox2, Nanog 대립 유전자 간 결합(homologous allelic pairing)을 관찰해 Oct4 대립 유전자간의 결합이 배아줄기세포 분화에 중요하며, Oct4 유전자에 염색체 간 결합 조절 부위가 존재하고, Oct4 대립 유전자 결합이 Oct4 인핸서 메틸레이션을 유발해 유전자 발현을 낮아지게 함을 발견하였음. 쥐 배아줄기세포에서 LIF 제거로 분화를 유도한지 3일이 경과했을 때, 배아줄기세포의 분화를 조절에 중요한 Oct4, Sox2, Nanog 중 Oct4 대립유전자 결합을 DNA FISH로 확인한 결과 다른 유전자(Beta-actin, Col1A1, C17E3)와는 다르게 Oct4만이 분화 시 대립유전자 결합을 나타냄을 확인하여 Oct4 대립유전자 결합이 배아줄기세포 분화의 특징적임을 확인하였음. Oct4 대립유전자 결합이 Oct4 전사 조절에 관여하는 지 알아보고자 Oct4 RNA FISH, DNA FISH를 수행해, Oct4 대립유전자 결합 시 Oct4 전사가 줄어듦을 확인하였음. 또한 분화를 유도하는 방법(LIF 제거, RA 처리, shRNA 처리)을 달리해도 Oct4 유전자 행동이 동일해, Oct4 대립유전자 결합이 Oct4 전사 저하를 유도함을 확인함. Oct4 대립유전자 결합 조절 부위를 찾기 위해, Oct4 유전자의 각 부위를 특정 염색체에 삽입 후, Oct4 유전자와 결합 유무를 확인해, Oct4 5’ 조절 부위(OCF2)가 대립유전자 결합 조절에 관여함을 알아낸 뒤, 4종의 DNA 결합 단백질(CTCF, YY1, OCT4, E2A) 예상 결합 부위를 발견함. 이 site에 대한 돌연변이 실험을 통해 Oct4 대립유전자의 결합에 OCT4 단백질이 관여함을 확인했고, Oct4 결합 부위가 Oct4 인핸서의 H3K9me2 축적에 중요함을 알아냈음. 결과적으로, 이 연구는 배아줄기세포 분화 과정에서 Oct4 대립유전자 결합과 같은 핵 내 구조 재배열이 유전자 전사 조절과 연관되어 있음을 보여주었음.
- 3. Wnt activity and basal niche position sensitize intestinal stem and progenitor cells to DNA damage.
- Tao et al. EMBO J. 2015 Mar 4;34(5):624-40.
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노화나 암의 발생은 stem cell이나 progenitor cell 에 축척된 DNA damage와 mutation과 밀접한 상관관계가 있지만 이에 관련된 분자적 기전들은 아직 정확히 밝혀지지 않았음. 선행된 여러 연구들을 통해 canonical Wnt/β-catenin signaling pathway가 stem cell의 maintenance에 중요한 역할을 한다는 것이 밝혀져 있음. 위 canonical Wnt signaling은 정교하게 조절되어야하기 때문에, signaling이 너무 활성화되거나 비활성화되면 stem cell maintenance에 문제가 생기게 됨. 특히 소장세포에서는 crypt base에 Wnt 활성이 높고 upper part에서는 Wnt 활성이 낮은 gradient가 구성되어 있음. 이러한 점들을 미루어 볼 때 DNA damage에 대한 stem cell의 sensitivity가 canonical Wnt signaling에 의해 영향 받을 수 있다고 예측할 수 있었음. 본 논문의 저자들은 소장세포 내 canonical Wnt signaling gradient에 의해 IPSC(intestinal progenitor and stem cell)의 DNA damage sensitivity가 각각 다르다는 것을 실험적으로 증명하였음. Telomerase KO mouse를 사용하거나 DNA에 gamma irradiation을 가해서 DNA에 damage를 주고. Wnt activity는 Wnt target gene인 LGR5 뒤에 GFP를 달아서 측정하였음.
Crypt의 아래로 갈수록 LGR5의 활성 커지므로 GFP는 강하게 발현되었고 telomerase KO mouse에서는 LGR5를 발현하는 세포가 정상 mouse 세포에 비해 적은 것을 알 수 있었음. Flow cytometry를 이용해 GFP를 많이 발현하는 세포일수록 telomerase가 없을 때에 더 많이 감소함을 발견함. 이는 gamma radiation 조사했을 때에도 같은 결과를 나타냄. 방사선으로 인한 DNA damage는 p53 dependent하다는 것을 p53 KO mouse를 통해서 확인하였고 Wnt signaling 구성하는 요소들을 인위적으로 activation 및 inhibition해서 Wnt signaling을 조절할 때 해당 세포의 DNA damage sensitivity가 달라지는 것도 확인함으로써 Wnt 활성이 높은 stem cell이나 progenitor cell이 DNA damage에 sensitive 함을 발견함. 본 연구 결과는 canonical Wnt signaling을 조절함으로써 DNA damage에 대응한 intestinal stem cell이나 tumor cell의 survival 정도를 조절할 수 있고 이러한 사실을 기반으로 해서 canonical Wnt signaling의 조절과 irradiation 의 조합에 의한 암 치료의 가능성을 제시하는 중요성이 있음. - 4. Vascular endothelial growth factor receptor 3 controls neural stem cell activation in mice and humans.
- Han et al. Cell Rep. 2015 Feb 24;10(7):1158-72.
- 신경줄기세포는 (Neural stem cells, NSCs) 성체 해마 (hippocampus) 부위에서 지속적으로 새로운 신경세포를 생산함. NSCs는 일반적으로 휴지상태(quiescent)에 있지만 경우에 따라 활생화 되어 자신을 복제하거나 neural progenitor cells로 분화함. 하지만, neural progenitor cells로 분화를 조절하는 기전은 잘 알려지지 않았음. 본 논문의 저자들은 성체 해마에 존재하는 NSCs가 vascular endothelial growth factor receptor(VEGFR)와 이 receptor의 ligand 인 VEGF-C를 발현함에 의해서 휴지상태에 있는 NSCs가 cell cycle을 활성화시켜서 progenitor cells를 형성함을 밝힘. NSCs에서 Vegfr3를 conditional 하게 제거했을 경우 hippocampal NSC 활성과 신경세포의 형성이 억제됨을 밝혔음. 본 저자들은 VEGF-C에 의한 VEGFR3의 활성화가 ERK와 AKT의 활성을 통해서 human NSCs의 분화를 유도함을 보였음. 하지만 VEGF-C의 source와 Vegfr3의 발현이 NSCs에서 조절되는 기전등은 향후 추가적인 실험이 필요한 상황임.
- 5. EDD4 controls intestinal stem cell homeostasis by regulating the Hippo signalling pathway.
- Bae et al. Nat Commun. 2015 Feb 18;6:6314.
- Hippo pathway는 다른 잘 알려진 신호전달과 비교하여 상대적으로 최근에 알려진 것으로 organ size와 줄기세포의 항상성(homeostasis)를 조절하는데 중요한 역할을 함. Hippo signaling을 조절하는 핵심적인 조절인자들은 비교적 잘 밝혀져 있지만, Hippo pathway를 조절하는 기전은 잘 알려져 있지 않음. 본 논문의 저자들은 HECT-type E3 ligase의 하나인 NEDD4라는 단백질이 Hippo pathway의 활성화에 필요한 key components WW45와 LATS kinase를 ubiquitination 시켜서 destabilization 시킴을 발견하였음. 흥미로운 사실은 LATS와 WW45의 upstream regulator인 MST1은 NEDD4에 일어나는 WW45와 LATS 의 ubiquitination 중 WW45의 ubiquitination 만을 blocking 하였음. Hippo pathway는 high cell density 때 활성화되어 세포간의 contact inhibition 현상을 조절함. 저자들은 high cell density 상황에서 NEDD4가 비 활성화되는것이 Hippo pathway를 활성화시키는 전제조건임을 확인 하고, Drosophila model system 을 이용하여 NEDD4가 Hippo signalling을 억제함에 의해서 intestinal stem cell의 재생을 촉진함을 밝혔음. 전체적으로 NEDD4가 Hippo pathway의 활성을 조절함에 의해서 세포의 증식과 사멸을 조절함을 규명하였음.