최근 해외 우수 논문 소개

1. Zic2 is an enhancer-binding factor required for embryonic stem cell specification.

Luo Z, Gao X, Lin C, Smith ER, Marshall SA, Swanson SK, Florens L, Washburn MP, Shilatifard A.
Mol Cell. 2015 Feb 19;57(4):685-94.

Zinc finger protein of cerebellum 2(Zic2)는 초파리에서부터 사람에게까지 neuroectodermal development에 중요하게 관여하는 단백질임. 초파리의 쌍지배 유전자(pair-rule gene)의 일종인 odd-paired (opa)의 vertebrate homolog 임. Zic2가 유전자의 어느 부분에 결합하고 있는지 ChIP-seq를 수행한 결과, mouse ES cell에서 활성화되는 유전자의 인핸서의 유전자활성과 관련된 p300 결합부위, H3K4me1, H3K27ac가 일어나는 장소에 Zic2가 위치하고 있음을 발견함. Proteomics 방법을 이용하여 저자들은 Zic2가 Mbd3/NuRD와 결합함을 밝히고, Zic2가 Mbd3/NuRD 복합체와 함께 기능함으로써 ES cell의 분화와 관련된 유전자의 크로마틴 상태 및 유전자 발현을 조절함을 보였음. 결론적으로 저자들은 Zic2가 Mbd3/NuRD와 함께 enhancer 부위에 결합하여 ESCs 의 분화 조절 및 배아 발생단계에서 유전자의 발현을 정교하게 조절하는 핵심적인 인자임을 규명하였음.

2. Premigratory and migratory neural crest cells are multipotent in vivo.

Baggiolini A, Varum S, Mateos JM, Bettosini D, John N, Bonalli M, Ziegler U, Dimou L, Clevers H, Furrer R, Sommer L.
Cell Stem Cell. 2015 Mar 5;16(3):314-22.

Neural crest cell(NC cell)이 multipotent하여 다양한 조직을 형성할 수 있는 것인지, 아니면 predetermined cell로 구성되어 있기 때문인지, 혹은 multipotent cell과 predetermined cell이 함께 존재하기 때문인지에 대해 아직 명확하게 밝혀지지 않았음. 이 논문에서는 R26R-Confetti mouse model을 이용, NC cell의 계통을 추적(Lineage tracing)해 NC cell이 dorsal neural tube(dNT)에서 delamination 이전과 이후 모두에서 multipotent하다는 사실을 밝혔음.
NC cell은 dNT에서 Wnt1을, delamination 직후 Sox10을 발현하기 때문에 delamination 이전 NC cell은 Wnt1-CreERT R26R-Rosa를, 이후 NC cell은 Sox10-CreERT2 R26R-Rosa를 이용해, tamoxifen(TM) 처리 시 beta-galactosidase을 발현하는 것으로 세포의 위치를 확인할 수 있었음. 한편, R26R-Confetti reporter의 경우, CreER activation, recombination이 일어날 경우, 4가지 형광 단백질 중 하나를 발현하는데, 본 논문에서는 한 쌍의 R26R-Confetti allele를 가지는 쥐를 이용해 총 10가지 색 조합을 세포 추적에 사용할 수 있도록 하였음. Recombination frequency에 따라 같은 색을 발현하는 세포가 모인 집단이 하나의 세포 유래인지, 여러 세포 유래인지에 대한 확률이 달라지기 때문에, 연구자들은 TM 처리 농도를 달리 해 recombination frequency를 확인하고자 하였음. TM 처리 농도가 높을 경우, recombination frequency가 높아져 다양한 색 조합이 나타난다는 사실을 알게 되었고, 이를 NC cell 추적에 이용하였음.
NC cell의 target structure의 크기가 클수록, NC progenitor cell에서 유래된 daughter cell을 detect할 가능성이 커지는데, mouse trunk NC cell이 형성하는 큰 derivative들(dorsal root ganglia, ventral root, sympathetic ganglia, dorsal lateral pathway)에서 recombination되어 형광 단백질을 발현하는 NC cell을 많이 관찰할 수 있었음. 이 histology assay는 TM 처리 41시간 이후 시행되었기 때문에, predetermined cell이 분열해서 같은 색의 세포가 많아졌다고 보기에는 시간적 비약이 있어, 같은 색을 내는 많은 multipotent NC cell이 이동해 derivative를 이루었다는 결론을 내릴 수 있었음. 41시간 동안에는 NC cell cycle의 변화를 파악하기 어려우므로 그 시간 동안 3번의 분열이 가능하다는 가정하에 같은 색을 띠는 2~8개의 세포가 모인 집단을 기준으로 multipotency 여부를 확인한 결과, Wnt1-CreERT mouse forelimb transverse section에서 labeling 된 clone의 NC daughter cell이 분화한 모든 derivative에 골고루 위치한다는 사실을 밝힘으로써 delamination 전 NC cell의 multipotency를 확인하였음.
위 결과를 얻은 후, delamination 후 NC cell도 multipotent한 지에 대한 의문을 해결하고자 Sox10-CreERT2 mouse에서 같은 방식으로 세포 추적 한 결과, Wnt1-CreERT에서와 같이 delamination 후 NC cell의 daughter cell도 모든 derivative에 골고루 위치함을 확인할 수 있었음. TM 처리 농도가 달라도 같은 양상의 결과를 얻었기 때문에 recombination frequency와는 연관성이 없다는 사실도 알아냄으로써, delamination 후의 NC cell 도 multipotent하다는 사실을 밝힘. 본 연구는 mouse의 경우 이동하기 전과 후의 NC cells들이 multipotency를 가짐을 in vivo에서 입증한 중요성이 있음.

3. ERRs Mediate a Metabolic Switch Required for Somatic Cell Reprogramming to Pluripotency.

Kida YS, Kawamura T, Wei Z, Sogo T, Jacinto S, Shigeno A, Kushige H, Yoshihara E, Liddle C, Ecker JR, Yu RT, Atkins AR, Downes M, Evans RM.
Cell Stem Cell. 2015 May 7;16(5):547-55.

인간의 pluripotent stem cell이 생성되고 유지되고 분화하는 것에 대한 분자적 메커니즘을 이해하는 것은 stem cell을 치료 목적으로 사용하는데 중요함. 이미 줄기세포의 pluripotency의 유도 과정에서 유전적 변화에 대해서는 많이 알려져 있으나 metabolic state의 변화에 대해서는 많이 알려진 것이 없음. 단지 체세포로부터 유래된 pluripotent stem cell에 독특한 metabolic pathway가 존재함으로써 cellular behavior과 epigenetic status에 영향을 준다는 것이 알려진 바 있음.
Orphan receptor인 estrogen-related receptors(ERRs)는 ligand independent하게 많은 에너지가 필요한 조직에서 glycolytic, oxidative metabolism을 직접적으로 조절할 수 있는 것으로 알려져 있음. ERR은 co-activator인 PGC-1α/β와 함께 다양한 oxidative state를 조절함. ERRα, ERRγ는 skeletal muscle과 heart같은 oxidative tissue에서 주로 발현하는데 지금까지 induced pluripotent stem cell(iPS) 생성과 연관되었다는 보고는 없었음.
저자들이 iPS 유도 과정 동안 발현이 변화하는 유전자를 알아보기 위해 MEFs에 Oct4, Sox2, Klf4, cMyc을 infection 시킨 결과 일시적으로 ERRγ, PGC-1α/β가 증가함을 발견하였음. 반면 ERRγ, PGC-1α/β를 knock down 시킨 경우 Oct4, Sox2, Klf4, cMyc를 induction 해도 MEF의 reprogramming 효율이 감소되었음. 더 나아가 ERRγlox/lox로부터 분리한 MEF에서 inducible하게 ERRγ를 deletion한 결과 iPS cell 형성 효율이 현격하게 억제 됨을 확인 하였음. 이것을 통해 ERRγ이 MEF에서 iPS cell generation에 필수적이라는 것을 시사함. Human cell에서도 비슷한 경향성을 보였으나 human cell에서는 ERRγ보다는 ERRα이 더 큰 영향을 미치는 것으로 확인되었음.
Early reprogramming cell은 주로 hyperenergetic state로 존재하는데 주로 glycolysis로 energy를 생성하는 것으로 알려져 있음. 그러나 실험결과 iPSC precursor는 일시적으로 oxidative phosphorylation(OXPHOS) activity가 증가되어 있는 것을 볼 수 있었지만, ERR이 depletion된 cell에서는 OXPHOS와 glycolysis가 감소되었음을 발셩하였음. 이것으로 보아 ERRγ, ERRα는 somatic cell reprogramming에서 필요한 hyperenergetic state를 유도하면서 iPSC 생성을 조절한다고 생각됨.
저자들은 iPSC progenitor에서 ERR 매개 hyperenergetic state가 많을 것으로 예상하고 MEF reprogramming동안 cell surface marker를 분석한 결과 reprogramming cell의 early cluster는 stem cell antigen1(Sca1)과 cluster of Differentiation gene 34(CD34)의 발현이 부족한 것을 발견하였음. Sca1과 CD34이 negative한 cell은 positive한 cell보다 ERRγ와 PGC-1β의 발현이 증가되어 있었고 hyperenergetic cell이었음. 또한 reprogramming에는 hyperenergetic state가 필요한 것이라는 가설대로 이 cell은 iPS colony수를 더 많이 형성하고 iPSC efficiency가 훨씬 좋았음. 종합적으로 보았을 때 Sca1과 CD34이 negative한 hyperenergetic cell이 고효율의 iPSC을 생성할 수 있는 bona fide reprogramming precursor라고 할 수 있음.
또한 cell reprogramming의 분자적 mechanism에 대해 더 이해하기 위해 RNA-seq로 transcriptome을 비교한 결과 Sca1과 CD34 negative cell에서는 pluripotency marker와 중요한 cell cycle gene들의 발현이 ESC, iPSC과 비슷하였지만, Nanog 같은 다른 stem cell marker 대부분은 Sca1, CD34 negative cell에서 많이 발현 되지 않았는데 이것을 보아 double negative cell은 pluripotency를 위한 효과적인 progression을 촉진하는 정도로 한정적이라는 것을 시사함. 이러한 결과들을 통틀어 볼 때 일시적인 ERRγ/ α 발현은 hyperenergetic 상태인 OXPHOS burst를 유도하여 reprogramming을 촉진하여 somatic cell에서 pluripotent state로 전환이 이루어지게 한다고 생각됨.

4. Ascl2 acts as an R-spondin/Wnt-responsive switch to control stemness in intestinal crypts.

Schuijers J, Junker JP, Mokry M, Hatzis P, Koo BK, Sasselli V, van der Flier LG, Cuppen E, van Oudenaarden A, Clevers H.
Cell Stem Cell. 2015 Feb 5;16(2):158-70.

Wnt 신호전달은 장을 비롯한 다양한 기관에서 줄기세포의 특성을 유지하는데 있어서 중요한 작용을 함. 본 연구에서는 Wnt 신호의 target 유전자인 Ascl2 라는 전사인자가 장 줄기세포를 결정하는데 핵심적인 역할을 함을 보여주고 있음. 장상피세포층(intestinal epithelium)은 intestinal stem cell과 transit-amplyfying(TA) cell로 이루어진 crypts와 TA cell로부터 분화된 세포들로 이루어진 Villus로 나누어짐. Stem cell은 crypts 밑바닥에 위치하며 TA cell과 goblet cell, enterocytes 등으로 분화하면서 crypts 위쪽으로 이동, villi를 형성하게 됨. 다른 cell 과 달리 paneth cell로 분화한 세포는 crypts 바닥 쪽으로 이동하며 Wnt secretion을 통해 crypts 바닥으로부터 villi쪽으로 감소하는 Wnt gradient를 형성함. 하지만 이때 완만하게 형성이 된 Wnt gradient가 어떻게 특정 지역에서만 Ascl2를 발현하게 하고, 그로 인해 Crypt 바닥에만 stem cell이 존재하게 하는지는 잘 알려지지 않았음. 본 연구에서는 (1) Ascl2의 발현이 autoactivatory loop을 형성하여 Ascl2의 발현을 on/off 양쪽 중 하나로 선택이 가능하게 함을 보였음. (2) Wnt/R-spondin 이 autoactivatory loop을 활성화 시킴을 보임. 가령 특정 역치 이상의 Wnt/R-spondin의 농도에서만 Ascl2의 발현이 증가하고 이 증가된 Ascl2는 β-catenin/Tcf4와 complex를 형성하여 Wnt target 유전자의 발현을 synergistic하게 증가시키게 됨. 이와 같은 기전에 의해 완만한 Wnt signal을 Ascl2의 발현을 "on" 또는 "off"되는 극명하게 차이가 나는 상태로 전환시킬 수 있게 됨을 입증하였음. Ascl2의 발현이 "on" 된 곳에서는 Ascl2가 β-catenin-Tcf4와 작용하여 stem cell의 특성을 갖게 하는 유전자의 발현을 증가시킴으로써 crypt에만 stem cell이 존재하는 것을 가능하게 함을 밝혔음