중간엽 줄기세포의 골형성 분화에 필요한 새로운 전사 인자 규명

사람의 뼈

골형성 분화의 설명

골형성 분화는 복잡하고 아직 잘 이해되지 않은 생물학적 과정으로 내인성 세포 신호와 외인성 미세 환경 신호에 의해 조절됩니다. 적절한 자극에 따라 중간엽 줄기세포(MSC)는 여러 전사인자에 의해 구동되며 다수의 뼈 특이적 단백질의 발현에 의해 특징지어지는 엄격한 다단계 과정을 통해 골아세포로 분화됩니다. 이 연구에서는 골형성 계통에 대한 MSC 분화에 관여하는 골아세포 유도제(ObI)-1이라고 이름 붙인 새로운 전사 인자를 설명합니다. ObI-1은 생쥐 다기능 중간엽세포주 및 1차 생쥐 MSC 양쪽에서 골아세포 분화 중에 발현되는 핵단백질을 암호화합니다. ObI-1 발현의 RNA 간섭 매개 녹다운은 골아세포 분화와 매트릭스 광물화를 현저하게 손상시킵니다. 반대로, ObI-1 과발현은 골형성 분화와 뼈 특이적 마커 발현을 강화합니다. ObI-1은 골형성단백질의 발현과 그에 따른 Smad 경로 활성화를 자극하고, BMP 수용체 타입 I 길항제 치료는 골형 분화의 ObI-1 매개 자극을 완전히 폐지합니다. 전체적으로, 이 연구결과는 ObI-1이 적어도 부분적으로 BMP 시그널링 경로를 통해 골형성 분화를 조절하여 Runx2 활성화를 증가시키고 골아세포 투입과 성숙으로 이어진다는 것을 시사합니다.

중간엽 줄기세포의 골형성 분화

골형성 분화는 정교하고 엄격하게 조절된 생물학적 과정입니다. 특정 자극에 반응하여, 중간엽 줄기세포(MSC)는 골형성 세포인 골아세포로 분화되는데, 골형성 세포는 골형성 계통에 대한 헌신, 골원성 세포 증식, 골아세포 성숙, 골매트릭스 광물화의 4가지 주요 단계로 특징지어집니다. 다른 단계를 통한 분화 과정과 진행의 유도는 전사 인자와 다른 뼈 관련 단백질의 발현과 활성을 조절하는 사이토카인, 호르몬 및 성장 인자의 복잡한 네트워크에 의해 추진됩니다. 골형성 조절과 관련된 성장인자 중 골형성단백질(BMP)은 뼈와 연골의 발달을 유도하는 데 가장 중요한 역할을 합니다. BMP는 형질전환 성장인자 베타 슈퍼패밀리에 속합니다. 두 가지 유형의 트랜스멤브레인 세린 트레오닌 키나제 수용체를 통해 시그널링 sm1과 같은 다운스트림 경로를 활성화합니다. 국소적으로 합성된 BMP는 세포외 매트릭스에 축적되며, 골형성 계통에 대한 MSC의 관여를 유도하고 성숙한 골아세포의 활성을 높이는 데 모두 중요한 역할을 합니다. 골형태 생성 단백질은 골아세포 경로에 대한 헌신과 분화에 필요한 유전자 프로그램을 제어하는 전사 인자를 포함하여 여러 유전자의 발현을 유도합니다. 그 중 런트 관련 전사 인자 2(Runx2)는 다른 세포 유형에서도 발현되지만 골형성 분화의 가장 중요한 전사 조절제 중 하나로 간주됩니다. 실제로, Runx2는 골형성의 가장 초기이자 가장 구체적인 지표이며, 그 발현은 골아세포 분화에 절대적으로 필요합니다. 생쥐에서 Runx2 절제는 골아세포의 부재로 인해 골격이 부족한 연골로 주로 구성됩니다. 또한, 인간의 Runx2 부실은 치아 이상과 지연된 골격 발달로 특징지어지는 클라이도크라니얼 이형성증으로 알려진 상태를 유발합니다. Runx2는 골형성 계통에 대한 MSC 헌신에 필요할 뿐만 아니라 알칼리 포스파타아제(ALP), I형 콜라겐, OPN(Osteopontin) 및 오스테칼신을 포함한 여러 골아세포 특이적 유전자의 발현을 유도하여 기질 형성 및 광물과 같은 기능을 조절합니다. 따라서 Runx2는 골형성 분화를 통해 중요한 역할을 하기 때문에 골형성의 마스터 유전자로 간주됩니다. BMP는 Runx2 발현을 유도하고 그 기능을 자극하며, 이러한 인자에 의해 활성화된 Smad 의존적 신호 경로와 -독립적 신호 경로가 모두 Runx2 활성화로 수렴되어 골아세포 분화를 조절합니다. 하지만, 골형성 분화의 기초가 되는 분자 메커니즘을 설명하려는 노력에도 불구하고, 이 복잡한 생물학적 과정에 대한 우리의 지식은 아직 불완전합니다. 실제로, 새로운 분자 표적을 식별하고 골감소증/골다공증, 골절 및 골육종과 같은 뼈 관련 병리 치료를 위한 새롭고 효과적인 치료 전략을 개발하기 위해 MSC의 분화를 유도하는 분자 과정에 대한 자세한 이해가 필수적입니다. 더욱이, MSC는 여러 간엽 계통으로 분화할 수 있는 잠재력과 그들의 양호한 면역 조절 및 항염증 특성으로 인해 광범위한 재생 의학과 조직 공학 응용 분야에서 유망한 세포원으로 부상했으며 치료하기 위해 임상 전 및 임상 연구에 주로 사용되고 있습니다. 따라서 특정 세포 계통에 대한 MSC의 자가 재생과 분화를 규제하는 분자 메커니즘의 철저한 평가와 이해는 임상 적용에서 MSC의 사용을 최적화하고 잠재력을 충분히 활용하기 위해 가장 중요합니다. 골아세포 분화에 관여하는 유전자를 특정하기 위해서, 우리는 이전에 RNA 간섭(RNAi) 어프로치에 근거해 높은 throughput 스크리닝을 실시했습니다. 쥐 골수 유래 간질 세포주 W20-17을 세포모델로 하여 골아세포로 분화하였으며, 미네랄 매트릭스 증착을 판독값으로 선택하였습니다. 이 글에서는 골아세포유도제(ObI)-1로 명명된 골형성 조절과 관련된 이전에 기술되지 않은 전사 인자의 특성에 초점을 맞추고 있습니다. 선별 후, Jin 등은 동일한 유전자가 마우스 생식선에서 발현되고 암호화된 단백질이 핵에서 국부화된다는 것을 보여주었습니다. 또한 1차 생쥐 MSC(mMSC)에서 핵 국재화를 관찰했으며, W20-17 세포와 mMSC에서 골형성 분화 중 ObI-1 발현이 증가하며, 그 녹다운이 이러한 생물학적 과정을 손상시킨다는 것을 보여주었습니다. 또한 ObI-1은 적어도 부분적으로 BMP 시그널링과 Runx2 식을 자극함으로써 동작하는 것을 관찰했습니다. 이러한 발견은 MSC의 골형성 분화를 조절하는 BMP-Runx2 축의 새로운 플레이어를 식별합니다.

새로운 전사 인자 규명의 결론

집중적인 조사에도 불구하고, 골형성 계통의 MSC 분화를 촉진하는 분자 메커니즘에 대한 우리의 지식은 아직 불완전합니다. 뼈 관련 병리학은 선진국에서 증가하는 건강 관리 부담을 구성하며 보다 안전하고 효과적인 치료 전략이 필요하기 때문에 이러한 생물학적 과정을 더 잘 이해하는 것이 중요합니다. MSC는 재생 의학 애플리케이션에 유망한 세포 공급원이며 골아세포 분화와 관련된 경로를 연구하기 위한 우수한 모델입니다. 실제로 이 세포들은 다른 성인 줄기세포에 비해 몇 가지 이점을 제시합니다. 즉, 체외로 광범위하게 확장될 수 있고 면역 특권을 가지고 있으며 영양 인자와 여러 항염증 및 면역조절 사이토카인을 생성할 수 있습니다. 따라서, 과정을 조절하고 최적화하고 MSC 치료 잠재력을 완전히 활용하기 위해 골형성 분화의 분자 염기의 식별이 필수적입니다. 이 글은 골형성 분화의 새로운 추정 전사 조절 장치인 ObI-1의 특징에 초점을 맞추고 있습니다. ObI-1은 포유동물에서 가장 큰 전사조절제군인 KRAB/아연-핑거 전사인자군에 속합니다. 이러한 전사 인자는 사족 척추 동물에만 존재하며 세포 증식과 분화(골형성 포함), 아포토시스, 신생물 변환과 같은 여러 생물학적 과정의 조절에 관여합니다. ObI-1의 전사 인자로서의 역할도 핵 위치 파악에 의해 뒷받침됩니다. 우리의 발견은 또한 마우스 생식선의 전사 억제제와 동일한 유전자를 설명하는 이전 기사와 일치합니다. 대부분의 조절 단백질로써, ObI-1 수치와 기능은 Ub 매개 단백질 분해에 의해 엄격하게 조절되는 것으로 보입니다. 단백질 분해는 단백질 교체 및 잘못 접힌 제품의 분해에 대한 역할 외에도 세포 주기 조절에서 DNA 복구에 이르기까지 무수한 과정에 포함된 단백질의 활동을 미세 조정하는 데 중요한 조절 역할을 합니다. 유전자 발현은 시공간에서 그리고 외부 신호에 반응하여 미세하게 조절되어야 하므로, 전사 인자와 염색질 변형 단백질이 Ub-proteasome 시스템의 주요 표적이 되는 것은 놀라운 일이 아닙니다. 또한, 대부분의 전사 인자, 특히 세포 성장과 증식을 조절하는 인자는 Ub-단백질 시스템에 의해 표적화된 매우 불안정한 단백질입니다. ObI-1의 단백질 분해와 매우 짧은 반감기는 세포 내에서 이 단백질의 엄격히 조절된 수준의 요구를 나타낼 수 있습니다. 안정적으로 트랜스펙트된 mMSC에서 웨스턴 블롯 분석으로는 ObI-1 단백질을 검출할 수 없었지만 ObI-1 트랜스펙트 세포의 골형성 분화에 대한 ObI-1 단백질의 과잉 발현이 대조군과 비교하였을 때 ObI-1 단백질의 골형성 분화에 미치는 긍정적 영향을 분명히 알 수 있었습니다. 이것은 이 단백질이 자극에 반응하여 안정화된 후에 빠르게 분해되거나 안정화 및 불안정화 사이클을 거치면서 우리의 검출 능력을 방해한다는 것을 나타낼 수 있습니다. ObI-1의 안정성을 조절하는 메커니즘, 관련된 E3 유비퀴틴 결합 효소 및 탈유비퀴티화효소 및 그 안정화를 유도하는 특정 자극을 명확히 하기 위한 추가 연구가 필요합니다. 우리의 데이터는 ObI-1이 골아세포 분화의 초기 단계에서 필요하다는 것을 시사합니다. 실제로 ObI-1의 소음은 골로겐제 증식을 저해하여 성숙한 골아세포를 발현하는 ALP와 미네랄 매트릭스 증착을 모두 감소시킵니다. 반대로 그 과잉 표현은 차별화 프로세스를 강화합니다. 골아세포 분화는 골형성의 마스터 유전자로 간주되는 전사 인자 Runx2의 조기 발현을 필요로 합니다. 이 유전자는 미래 골격을 구성하는 세포에서 마우스 배아 발달 중에 조기에 발현되며 대부분의 뼈 특이적 단백질의 발현을 조절할 수 있습니다. Runx2 단백질 수치는 또한 인산화, 유비퀴티네이션, 아세틸화를 포함한 번역 후 수정뿐만 아니라 전사 및 번역 수준에서 엄격하게 조절됩니다. 우리는 ObI-1 녹다운이 Runx2 조기 발현을 강하게 감소시키는 반면 과도한 발현을 증가시킨다는 것을 관찰했습니다. 이러한 데이터는 골아세포 형성의 ObI-1 역할이 Runx2에 의해 부분적으로 매개되며 ObI-1이 Runx2 수준을 직간접적으로 조절할 수 있음을 시사합니다. ObI-1의 가능한 동작 메커니즘을 식별하기 위해 BMP 매개 시그널링이 관여하고 있는지 여부를 평가하기로 결정했습니다. BMP는 뼈 발달에 중요한 역할을 합니다. 골격에 의해 국소적으로 합성된 이러한 성장 인자는 많은 경로와 세포 기능에 작용하는 골아세포 분화에 자가분비적인 역할을 합니다. 다른 유전자 중 BMP는 골아세포 분화를 활성화하는데 필수적인 Runx2 발현을 유도할 수 있으며, Runx2-Smads 협력은 골아세포 계통의 세포에서 유전자 전사를 조절하는 BMP의 활성을 매개하는 것으로 생각됩니다. 우리의 데이터는 골형성 분화에서 ObI-1의 역할이 적어도 부분적으로 BMPs 경로에 의해 매개된다는 것을 시사합니다. 다음 증거 라인은 이 가설을 뒷받침합니다. 내인성 ObI-1 소음은 BMP-4 전사 수준을 감소시키지만, 그 과잉 발현은 각각 증가시킨다. ObI-1 과다 발현은 Smad1/5/8/인산화 증가 골아세포 분화의 BMP-4 자극을 증가시킵니다. ely는 골형성 분화의 ObI-1 매개 자극을 폐지합니다. BMP는 여러 참가자가 관여하는 경로를 통해 작용하며 여러 유형의 규제를 받습니다. 따라서, BMP 신호를 조절하는 데 있어 ObI-1의 역할과 작용 메커니즘을 더 잘 특성화하기 위한 추가 연구가 필요할 것입니다. 이름에도 불구하고 BMP의 발현과 기능은 뼈에 국한되지 않습니다. 실제로, 이러한 단백질은 배아 발달 및 장기 형성뿐만 아니라 성인 조직의 항상성(homeostasis)에서 중추적인 역할을 하는 형태 소스의 그룹을 구성합니다. 이러한 다기능 성장 인자는 다양한 세포 유형의 증식, 분화 및 기능을 조절하며, 골절 복구, 혈관 리모델링, 정자 형성 및 철 대사와 같이 다양한 과정에 관여합니다. ObI-1은 골형성 조절 외에 추가적인 역할을 제안하는 여러 마우스 성인 조직과 장기에서 발현되는 것을 관찰했습니다. ObI-1은 폐에서 높은 수준으로 발현되며, 이 소견의 중요성은 현재 특징지어지지 않습니다. 그러나, BMP 시그널링은 폐 형태 형성, 폐 줄기세포 분화, 성인 폐 항상성, 조직 상해 복구의 조절과 관련이 있습니다. 따라서 ObI-1이 이 기관의 BMP 효과를 변조할 수 있다고 추측하는 것은 유혹적입니다. 생체정보 분석에 따르면 인간의 ObI-1 맞춤법으로는 ZNF717이 가장 적합합니다. ZNF717은 다른 비인간 영장류뿐만 아니라 인간에게도 존재하며 KRAB 아연 손가락 전사 인자를 암호화합니다. 우리의 예비 평가는 ZNF717이 ObI-1 인간 맞춤법일 수 있다는 가설과 일치합니다. ZNF717은 hMSC로 표현되며, 골형 분화 동안 그 수준은 MSC에서 ObI-1에 대해 관찰된 것과 유사한 발현 프로파일로 증가합니다. 또한 호켈리엔 외 연구진은 인간 골아세포의 Runx2 표적 유전자에 대한 첫 번째 게놈 전체 분석을 수행했습니다. 흥미롭게도 염색질 면역침강-세크 분석 결과 ZNF717 전사가 Runx2에 의해 조절되는 것으로 나타났습니다. 그러나 ZNF717의 작용 메커니즘과 BMP 시그널링의 가능한 변조를 명확히 할 뿐만 아니라 인간의 골형성 분화에 있어 ZNF717의 역할을 확인하기 위한 추가 연구가 필요합니다. 또한 최근 연구에 따르면 ZNF717은 위 종양과 간세포암에서 동시에 변화하며 메틸화에 의해 조절될 수 있습니다. 결론적으로, 우리는 부분적으로 BMP 매개 Runx2 활성화를 통해 골원성 혈통과 골아세포 성숙에 대한 MSC 커밋을 자극할 수 있는 골원성 분화의 새로운 전사 조절기를 식별했습니다. 골아세포 발달 및 기타 생물학적 과정에서 ObI-1 작용 메커니즘을 완전히 설명하기 위해서는 추가 연구가 필요합니다.