최근 해외 우수 논문 소개

1. A Single CRISPR-Cas9 Deletion Strategy that Targets the Majority of DMD Patients Restores Dystrophin Function in hiPSC-Derived Muscle Cells.

Young CS, Hicks MR, Ermolova NV, Nakano H, Jan M, Younesi S, Karumbayaram S, Kumagai-Cresse C, Wang D, Zack JA, Kohn DB, Nakano A, Nelson SF, Miceli MC, Spencer MJ, Pyle AD.
Cell Stem Cell. 2016 Apr 7;18(4):533-40.

Duchenne muscular dystrophy (DMD, 근육위축증)은 약 3,500-5,000 명의 남아의 어린 시기에 나타나는 유전병으로 지속적인 근육의 퇴화가 일어나서 20대에 사망하게 되는 질병임. DMD는 dystrophin이라는 단백질을 coding 하는 DMD 유전자의 exon에 frameshift mutation 이 일어남에 의해 유발됨. Dystrophin이 제대로 만들어지지 않으면 근초(Sarcolemma)에서 dystrophin glycoprotein complex (DGC)의 분해가 일어나서 근육의 세포막이 약해지고 creatine kinase (CK)의 유출이 일어나게 됨. 약 60% 의 DMD가 DMD 유전자의 exons 45-55 에서 일어난다고 함. 본 연구에서는 DMD patients로부터 유도된 hiPSCs에서 CRISPR/Cas9 system을 이용하여 exons 45-55를 포함하는 최대 725 kb 부위를 deletion 시켜서 DMD 유전자의 frameshift를 제거하여 functional 한 DMD 단백질을 만들 수 있음을 보였음. Exons 이 deletion된 hiPSCs를 cardiomyocytes 나 skeletal muscle myotubes로 분화시킬 경우 세포막의 integrity와 dystrophin glycoprotein complex의 안정화가 일어남을 확인하였음. 많은 경우 miR31의 level이 DMD 환자에서 높은데, DMD 유전자를 reframing 시킬 경우 level이 감소되는 것도 확인함. Mice model (NOD scid IL2Rgamma(NSG)-mdx)에 inject 할 경우 reframing 된 hiPSC는 DMD 유전자에 frameshift가 hiPSC 와는 달리 dystrophin이나 DGC의 형성이 정상과 유사하게 일어남을 확인하였음. 이 결과는 한 번의 CRISPR system의 이용을 통하여 대부분의 DMD 환자에게서 일어나는 reading frame의 수정을 할 수 있는 가능성을 제시하였음.

2. Derivation and differentiation of haploid human embryonic stem cells.

Sagi I, Chia G, Golan-Lev T, Peretz M, Weissbein U, Sui L, Sauer MV, Yanuka O, Egli D, Benvenisty N.
Nature. 2016 Apr 7;532(7597):107-11.

이배체(Diploidy)는 포유류의 기본적인 유전적 특성이고, 반수체세포(haploid cells)는 감수분열 후 정상적인 생식세포가 나타내는 특성으로 수정을 통해 Diploidy를 회복함. 생식세포의 조작을 통하여 Mice, Rat 및 Monkey로부터 haploid embryonic stem cells를 derive 하였지만, 아직 haploid human embryonic stem cells는 보고된 바 없음. 본 연구에서는 haploid 난자(oocytes)를 이용하여 단성생식(parthenogenetic) human ES cell lines를 확보하고 이들의 특성을 분석하였음. 생성된 human ES cell lines는 정상적인 반수체 핵형(haploid karyotype)을 유지하고 있으며, 전형적인 만능줄기세포(pluripotent stem cell) 특성 (재생능 (self-renewal capacity) 및 pluripotency-specific molecular signatures)을 나타내었음. 본 연구자들은 이 haploid human ES cell lines과 gene trap transposon system을 이용하여 genome-wide mutant library screening을 한 결과 쉽게 purine analogue 6-thioguanine (6-TG)에 저항성을 갖게 하는 NUDT5 유전자를 발견함으로써 haploid human ES cells를 genetic screening에 적용할 수 있는 근거를 제시하였음. Haploid human ES cell lines는 일반적인 diploid ES cells와 외형상 비슷하지만, X 염색체 비활성화(X chromosome inactivation)가 일어나지 않는 점이나 전체적인 유전자 발현 및 세포 크기의 감소가 일어 나는 점등의 차이가 관찰되었음. 특이하게도 autosome과 X chromosome과의 불균형이 유지되는 상황에서도 haploid human genome은 미분화된 상태의 pluripotent state를 유지할 수 있을 뿐만 아니라 in vitro와 in vivo에서 내배엽, 중배엽 및 외배엽과 같은 모든 배엽으로 분화가 가능하였음. 본 연구에서 개발 된 haploid human ES cell lines는 향 후 human functional genomics나 발생을 연구하는데 상당히 유용한 방법으로 이용될 수 있는 중요성을 갖고 있음.

3. Age-Related Accumulation of Somatic Mitochondrial DNA Mutations in Adult-Derived Human iPSCs.

Kang E, Wang X, Tippner-Hedges R, Ma H, Folmes CD, Gutierrez NM, Lee Y, Van Dyken C, Ahmed R, Li Y, Koski A, Hayama T, Luo S, Harding CO, Amato P, Jensen J, Battaglia D, Lee D, Wu D, Terzic A, Wolf DP, Huang T, Mitalipov S.
Cell Stem Cell. 2016 May 5;18(5):625-36.

역분화세포 (iPSCs)의 유전적 안정성은 iPSCs의 임상 적용에 가장 중요하게 고려되어야 할 사항임. 일반적으로 노화는 DNA의 손상과 유전적 불안정성이 수반되어짐. 따라서, 노화가 진행된 개체로부터) 얻어진 iPSCs의 경우는 자연적인 배아 줄기세포와 비교하여 염색체이상 (chromosomal aberrations), subchromosomal copy number variations (CNVs) 및 exome mutations가 증가해 있음이 보고된 바 있음. Mitochondrial DNA (mtDNA)의 mutation은 nuclear genome에 비해 최소한 10-20배 정도 빈번하게 일어난다고 알려져 있고, mutation이 일어나지 않은 mitochondrial와 일어난 mitochondria가 하나의 cell에 혼재 (heteroplasmy)되어 되어 존재함. Mitochondria DNA의 이상은 알츠하이머병이나 파킨슨병과 같은 노화와 수반되는 질병의 원인으로도 이해되고 있음. 본 저자들은 청년과 노인의 skin fibroblast, blood 및 iPSCs의 whole mtDNA next-generation sequencing을 수행하여 somatic mitochondrial DNA mutation의 축적을 비교 분석하였음. Skin이나 blood를 pooling하여 mtDNA 를 sequencing 할 경우는 low heteroplasmic point mutations이 발견되었지만, 각 tissue로부터 유도된 iPSCs lines나 clonally expanded fibroblasts의 경우는 eteroplasmic 또는 homoplasmic mutation의 빈도가 증가되어 있음을 확인함. 이는 somatic mutation이 개별 세포에서 독립적으로 일어나기 때문에 whole tissues를 이용할 경우는 detect 하기가 어렵다는 사실을 시사함. mtDNA 이상의 빈도는 노화가 진행되면서 증가하고, 서로 다른 RNA coding genes 들에서 일어나서 호흡 기능의 저하를 가져오게 됨. 본 결과는 노인들로부터 유도 된 iPSCs를 임상적으로 이용할 경우에 mtDNA의 mutation이나 iPSCs의 metabolic status를 세심하게 점검할 필요가 있음을 시사함.

4. Direct Reprogramming of Hepatic Myofibroblasts into Hepatocytes In Vivo Attenuates Liver Fibrosis.

Song G, Pacher M, Balakrishnan A, Yuan Q, Tsay HC, Yang D, Reetz J, Brandes S, Dai Z, Pützer BM, Araúzo-Bravo MJ, Steinemann D, Luedde T, Schwabe RF, Manns MP, Schöler HR, Schambach A, Cantz T, Ott M, Sharma AD.
Cell Stem Cell. 2016 Jun 2;18(6):797-808.

Fibroblasts를 induced hepatocytes (iHeps)로 유도하는 것은 재생의학적 측면에서 상당히 중요하지만 아직까지는 culture settings에서만 가능함. Pluripotent cell state를 거치지 않고 fibroblast에 다양한 조합의 전사인자를 발현시킴에 의해서 neurons, cardiomyocytes 와 hepatocytes로 직접 분화시킬 수 있음이 보고된바 있음. 가령 mouse fibroblasts에 Asc1, Brn2 와 Myt11를 과발현 시킴에 의해서 neurons로 직접 분화가 가능하였음. In vitro에서 mouse fibroblasts에 HNF4A, Foxa1, Foxa2 또는 Foxa3를 과발현 시키거나 p19(Arf)를 비활성화 시킨 조건에서 Gata4, Hnf1a, Foxa3를 과발현 시킴에 의해 hepatocytes로 reprogramming 시킬 수 있음이 보고된 바 있음. 하지만, in vivo에서 fibroblasts를 hepatocytes로 direct conversion이 가능한지 여부와 섬유화가 진행된 간의 섬유화 정도를 약화시킬 수 있는지는 알려지지 않았음. 본 연구에서는 polcistronic lentivirus를 이용하여 FOXA3, GATA4, HNF1A와 HNF4A를 발현시킴에 의해서 mouse fibroblasts를 hepatocyte 형질을 갖는 세포로 전환이 가능함을 보였음. 또한 이들 전사인자를 p75 neurotrophin receptor peptide (p75NTRp)가 tagging된 adenovirus를 이용하여 발현시켜서 fibrotic mouse livers에 있는 myofibroblasts를 hepatocytes-like cells을 형성하게 하고 liver fibrosis를 억제할 수 있음을 밝혔음. 결과적으로 본 연구진은 간에 있는 pro-fibrogenic myofibroblasts를 hepatocyte-like cells로 전환시키는 것이 가능하다는 사실을 입증하였음. 본 연구에서 보인 in vivo에서 직접적으로 reprogramming 시키는 것이 가능하다는 결과는 만성 간질환의 새로운 치료 방법을 제시하는 중요성이 있음.