최근 해외 우수 논문 소개

1. A Methylation-Phosphorylation Switch Determines Sox2 Stability and Function in ESC Maintenance or Differentiation

Fang L, Zhang L, Wei W, Jin X, Wang P, Tong Y, Li J, Du JX, Wong J.
Mol Cell. 2014 Aug 21;55(4):537-51.

Sox2 는 배아 줄기세포의 전분화능(pluripotency)을 유지하는 핵심 인자이지만, Sox2의 조절에 관여하는 posttranslational 조절은 잘 밝혀지지 않았음. 본 논문에서는 Sox2의 methylation 과 phosphorylation의 switch에 의해 배아 줄기세포 내에서의 Sox2의 level에 적절하게 조절됨을 입증하였음. Sox2의 K119 site가 Set7 이라는 lysine methyltransferase에 의해 methylation 되면 methylated Sox2는 WWP2라는 E3 ligase의 HECT domain을 통하여 인식되어서 Sox2의 ubiquitination 및 degradation 이 유도됨을 밝혔음. 하지만, methylation site의 바로 옆 T118 site가 AKT1 이라는 kinase에 의해 Phosphorylation 이 되면 K119의 methylation 을 방해함에 의해 Sox2의 level을 증가시키고 배아 줄기세포의 전분화능을 유지시키게 됨을 밝혔음. Sox2-K119 methylation 은 Sox2의 degradation을 유도하는 동시에 p300와 같은 transcriptional coactivator와 의 interaction을 억제 함에 의해 전분화능의 유지에 필요한 target 유전자의 발현도 감소시킴을 보였음.
생쥐 배아줄기세포에서 AKT1의 Sox2에 대한 활성이 Set7 보다 우세하지만, 분화과정에서는 Set7의 level이 증가하고 AKT1의 활성이 감소함을 보임으로써 저자들이 밝힌 methylation-phosphorylation switch가 전분화능 및 분화의 조절에서 실제로 작동할 가능성을 제안하였음.

2. Ecdysone and mediator change energy metabolism to terminate proliferation in Drosophila neural stem cells.

Homem CC, Steinmann V, Burkard TR, Jais A, Esterbauer H, Knoblich JA.
Cell. 2014 Aug 14;158(4):874-88.

Drosophila의 초기 발생 단계에서 줄기세포의 수는 매우 많지만, 성체 기관에서 전체 세포 수에서 줄기세포가 차지하는 비율은 매우 적음. 어떻게 줄기세포가 특정 시기에 증식을 멈추게 되는지에 대한 분자적 기전은 잘 알려져 있지 않았음. 본 논문에서는 steroid 호르몬의 일종인 ecdysone과 Mediator (상당히 진화적으로 보전된 26-30 subunit로 구성된 protein complex로서 전사인자를 RNA polymerase에 연결시켜주는 역할을 하고, 배아 줄기세포에서 많이 발현되어 ES cell 상태를 유지하는데 중요하다고 알려져 있음.)에 의해서 야기되는 glucose와energy metabolism의 변화가 순차적으로 비가역적인 반응을 유도하여 Drosophila neural stem cell의 성장을 종결시킴을 밝혔음. 저자들은 neural stem cell의 성장이 멈추고 분화가 진행되어가는 과정에서 oxidative phosphorylation과 mitochondrial respiratory chain의 활성이 필수적임을 보였음.
이 결과 점차적으로 neural stem cell의 size가 감소하고 최종적으로 분화에 다다르게 됨. Neural stem cell에 돌연변이가 일어나서 이러한 감소 과정을 겪지 않으면 성체 단계까지 지속적인 성장을 계속하여 뇌 종양을 나타내게 됨. 본 실험 결과는 발생 과정에서 발생하는 신호에 의해 세포주기의 조절을 통한 세포성장이 종결될 수 있으며, 줄기세포의 분화가 transcriptional control에 의한 metabolism의 조절에 의해 결정될 수 있음을 시사함.

3. Hippo pathway activity influences liver cell fate.

Yimlamai D, Christodoulou C, Galli GG, Yanger K, Pepe-Mooney B, Gurung B, Shrestha K, Cahan P, Stanger BZ, Camargo FD.
Cell. 2014 Jun 5;157(6):1324-38.

Hippo-signaling pathway 는 세포 증식이나 기관의 크기를 결정하는 중요한 역할을 함. Hippo/YAP- signaling pathway는 liver의 크기를 결정하는데 관여한다고 알려져 있음. Hippo signaling은 여러 단계의 kinase의 활성을 통하여 궁극적으로 transcriptional coactivator인 YAP의 phosphorylation/inactivation 을 유도 함. Hippo signaling이 pro-proliferation 이나 anti-apoptosis에 관여하는 타겟 유전자의 발현 조절에 의해 세포 증식을 조절하는 것은 비교적 잘 알려져 있지만 cell fate의 결정에서 어떤 역할을 하는지는 잘 알려져 있지 않음.
본 논문에서는 lineage tracing, clonal analysis 및 organoid 배양 방법등을 이용하여 Hippo pathway가 분화된 hepatocyte 상태를 유지하는데 필수적임을 보였음.
특히 in vivo에서 일시적으로 Hippo pathway를 비활성화 시킬경우 (YAP level의 증가) 상당히 높은 효율로 성체 hepatocytes를 progenitor 특성을 갖는 세포로 dedifferentiation이 유도됨을 발견하였음. Hepatocytes로 부터 유도 된 progenitor 세포는 줄기세포와 유사한 재생능과 생착능을 갖고 있음을 확인함. Hippo signaling 이 inactivation 되었을 떄 YAP level이 증가 함에 의해 유도되는 Notch2의 발현 증가가 dedifferentiation 과정에서 필수적임을 밝힘.
본 연구 결과는 Hippo/YAP signaling이 liver cell fate를 결정한다는 사실과 그동안 생각했던 것 이상으로 성숙된 hepatocytes가 역분화가 될 수 있는 가소성(plasticity)을 가지고 있음을 시사함. 이는 간 재생의 새로운 조절 방법의 가능성을 제시하는 중요성이 있음.

4. mTORC1 controls the adaptive transition of quiescent stem cells from G0 to G(Alert).

Rodgers JT, King KY, Brett JO, Cromie MJ, Charville GW, Maguire KK, Brunson C, Mastey N, Liu L, Tsai CR, Goodell MA, Rando TA.
Nature. 2014 Jun 19;510(7505):393-6.

성체 줄기세포의 가장 큰 특징 중의 하나는 세포 분열하지 않는 휴지기 (quiescence state) 상태로 존재 할 수 있다는 점임. 휴지기 상태로 존재하는 것은 줄기세포의 기능을 유지하고 있다가 tissue homeostasis를 유지할때나 repair 상황에서 필요할때 사용이 가능하게 하는 잇점이 있음. 그러므로, 휴지기 상태를 유지하는 기전에 문제가 생기면 tissue의 기능에 문제가 생길 수 있음. 하지만, 줄기세포가 어떻게 휴지기 상태를 유지하는가는 잘 알려져 있지 않음. 이 논문에서는 휴지기 상태가 기능적으로 구분되는 G0와 GAlert 두 시기로 구성이 되어있음을 보여주고 있음. 성체 줄기세포는G0와 GAlert 두 시기를 가역적으로 오가면서 상처가 생겼을 때 유도되는 생체내의 신호에 반응함을 밝혔음. 본 저자들은 마우스 모델 시스템에서 근육 줄기세포 (또는satellite cells)에 촛점을 맞추어서 실험을 수행하여, mTORC1 활성이 G0에서 GAlert 로의 전이 과정에서 필요 충분하고, 이 신호는 HGF receptor 인 cMe을 통하여 전달이 됨을 밝혔음. 저자들은G0에서 GAlert 로의 전이가 실제로 휴지기에 있는 줄기세포의 특정 집단에서 일어남을 관찰하였고, 휴지기의 GAlert 상태에 있는 줄기세포가 더 낳은 조직 재생 능력을 보임을 밝혔음.
총괄적으로, 본 논문의 결과는 휴지기의 GAlert 상태에 있는 줄기세포는 ‘긴장된 (alerting)’ 상태에 있어서 주변의 상처나 자극에 의해 쉽게 반응하여 세포분열 주기로 재진입이 가능한 반면, 깊숙한 휴면 상태있는 줄기세포는 조직내에서 줄기세포의 양을 일정하게 유지시키는 역할을 함을 시사 함. 본 논문의 저자들은 자신들의 결과가 신경이나 면역세포에서 볼 수 있는 adaptive response와 유사한 새로운 형태의 세포 기억 기전으로 이해 될 수 있다고 주장함.

5. An iCRISPR Platform for Rapid, Multiplexable, and Inducible Genome Editing in  Human Pluripotent Stem Cells.

Gonz?lez F, Zhu Z, Shi ZD, Lelli K, Verma N, Li QV, Huangfu D.
Cell Stem Cell. 2014 Aug 7;15(2):215-26.

특정sequence의 돌연 변이에 의한 기능 연구는 다양한 형태의 인간 질병을 연구함에 있어서 필 수적임. Human pluripotent stem cells (hPSCs)는 다양한 질병의 기전 규명을 위한 새로운 방법적인 대안이 될 수 있음. 따라서 hPSCs에서 간단하고 조절이 가능한 유전자 조작 방법의 개발은 매우 시급하다고 할 수 있음.
본 논문에서는 최근에 개발 된 유전자 편집 기술인TALEN과 CRISPR/Cas 시스템을 이용하여 hPSCs 에서 유전자 조작이 가능한 genome-engineering 플랫폼을 확립하고 iCRISPR이라 명명하였음.
간단히 요약하면, hPSPs에서 doxycycline-inducible Cas9의 발현이 가능한 (TRE-Cas9과 CAG-M2rtTA stable cell line, iCas9hPSCs 라고 명명함.) cell line을 확보하고 여기에 gRNA를 transfection 하는 방법임.
CRISPR시스템을 사용하여 hPSCs 에서 target gene의 loss-of-function 연구를 위한 bialleic knockout 뿐만 아니라 질병 상황을 모델링 할 수 있는 특정 nucleotide sequence를 modification 하여 homozygous knockin도 효율적으로 제작이 가능함을 보임. 저자들의 개발한 방법에 의해 gRNA발현하는 벡터를 transfection 시키는 단순한 방법에 의해 둘 또는 세개의 gene knockout이 가능하고 분화하는 과정에서stage-specific inducible gene knockout이 일어남을 보였음.
결론적으로 iCRISPR 시스템을 사용하면 인간의 질병에서 발생하는 여러가지 유전자 간의 상호 작용을 분석하는 것이 가능하고 hPSCs에서 high-throughput 과정을 통해 발굴 된 유전자의 연관성을 연구하는데 크게 유용할 것임.