최근 해외 우수 논문 소개

1. A developmental coordinate of pluripotency among mice, monkeys and humans

Nakamura T, Okamoto I, Sasaki K, Yabuta Y, Iwatani C, Tsuchiya H, Seita Y, Nakamura S, Yamamoto T, Saitou M.
Nature. 2016 Aug 24;537(7618):57-62.

배반엽상층(epiblast, EPI)은 포유동물에서 모든 체세포와 생식세포의 근원이고, 생체 외에서는 다능성줄기세포(pluripotent stem cell)의 근원이다. 인간의 개체발생과 영장류의 다능성에 대해 알아보기 위해 게잡이원숭이(cynomolgus monkey)의 착상 전과 착상 후 배아를 대상으로 단일 세포 RNA sequencing, UHC(Unsupervised Hierarchical Clustering) 등을 수행했다. 그 결과 POU5F1, NANOG, SOX2, PRDM14, GATA6, GATA4 등의 유전자 발현 정도에 따라 E6~E9 단계의 배아는 내세포집단(inner cell mass, ICM), 착상 전 빠른 영양외배엽(early trophectoderm), 착상 전 배반엽상층, 착상 전 느린 영양외배엽(late trophectoderm), 배반엽하층(hypoblast) 등의 단계로 구분되었고, E13~E17 단계의 배아는 착상 후 빠른 배반엽상층, 착상 후 느린 배반엽상층, 낭배형성 세포 1/2a/2b, 내장내배엽(visceral endoderm, VE), 난황낭내배엽(yolk-sac endoderm, YE), 배외간충직(extra-embryonic mesenchyme, EXMC) 등의 단계로 구분되었다.
배반포(blastocyst)에서 명시화(specification)가 일어난 후, 게잡이원숭이의 배반엽상층은 착상 과정에서 중대한 전사체(transcriptome)의 변화를 겪게 되는데, 착상 전에는 KLF5, TBX3, SOX15 등과 같이 주로 전사 인자 활성과 관련된 유전자의 발현이 증가하고, 착상 과정에서는 KLF4, SOX2 등과 같이 주로 줄기 세포 유지와 관련된 유전자의 발현이 증가하며, 착상 후에는 NOTCH3, CNP 등과 같이 주로 뉴런 분화와 관련된 유전자의 발현이 증가한다. 그 후 낭배형성 세포 단계에서 낭배형성(gastrulation)과 관련된 유전자의 발현이 증가하며, 낭배(gastrula)를 형성하는 동안 게잡이원숭이의 배반엽상층은 일주일이 넘도록 그러한 전사체를 유지하게 된다.
쥐의 배아를 대상으로 단일 세포 RNA sequencing, UHC(Unsupervised Hierarchical Clustering) 등을 수행한 결과, 게잡이원숭이에서 내장내배엽 단계인 쥐의 E6.5 배반엽상층에서 미발달형태발생(embryonic morphogenesis) 혹은 패턴 명시화(pattern specification)와 관련된 유전자의 발현이 증가한 것을 확인할 수 있었는데, 이러한 쥐 배반엽상층의 특징 변화는 게잡이원숭이의 경우보다 크고 빠르다고 볼 수 있다. 또한 뉴런 분화와 관련된 유전자의 발현이 증가했던 게잡이원숭이의 경우와는 달리 쥐의 E4.5~E5.5 배반엽상층에서는 세포예정사(apoptosis), 전사 조절과 관련된 유전자의 발현이 증가한 것을 확인할 수 있었는데, 이러한 게잡이원숭이와 쥐에서의 뉴런 분화에 대한 차이는 NOTCH 신호전달의 차이에 기인하는 것이라 생각된다.
인간과 게잡이원숭이의 다능성줄기세포는 착상 후 느린 배반엽상층에서 높은 유사성을 보이는데, 이들은 낭배를 형성하는 세포와 함께 존재함에도 불구하고 '낭배를 형성하기 전의 쥐 배반엽상층(pre-gastrulating mouse EPI)'의 특징을 지니고 있다. 이러한 발견은 종(species) 간에 배반엽상층 발생의 일관성과 차이를 보여줄 뿐만 아니라 다능성의 발생적 조화를 확인할 수 있게 하고, 생체 외에서 인간의 다능성을 조절하기 위한 기초로서 기능할 것이다.

2. Asymmetric division of clonal muscle stem cells coordinates muscle regeneration in vivo.

Masselink W, Cole NJ, Fenyes F, Berger S, Sonntag C, Wood A, Nguyen PD, Cohen N, Knopf F, Weidinger G, Hall TE, Currie PD.
Nature. 2016 Jul 28;535(7613):542-6.

골격근의 회복과정에서 muscle stem cell인 satellite cell의 asymmetric division이 중요한 역할을 한다고 알려져 있다. Asymmetric division을 통해 self-renewal 할 수 있는 stem cell과 proliferation을 통해 손상된 muscle을 대체할 수 있는 differentiation-competent progenitor cell로 나뉜다. 하지만 in vivo에서 satellite cell의 asymmetric division과 muscle stem cell pool이 유지되는 과정에 대한 연구는 보고된 바가 없다.
본 연구에서는 zebrafish 모델에서 transgene을 통한 muscle stem cell, progenitor cell marking으로 muscle regeneration 동안의 세포의 움직임과 반응을 in vivo상황에서 확인하였다. 근육손상 상황에서 satellite cell maker인 myf5 positive cell이 상처부위로 이동하여 asymmetric division을 통해 progenitor cell로 분화하며 bipolar shape을 형성하며, 상처주변의 세포들은 filopodia를 통해 progenitor cell이 상처 가장자리에서부터 분화할 수 있게 신호를 준다. 이러한 골격근 재생은 zebrafish의 다른 striated muscle의 dedifferentiation에 의한 재생과는 다르다.
Myotomal 세포들 중에서 Satellite cell marker인 cmet, pax7a double positive cell이 일정 비율을 차지하고 있다. Asymmetric division을 통해서 pax7-high/cmet-low 세포는 progenitor population을, cmet-high/pax7-low 세포는 stem cell population을 형성함을 확인하였고. cmet-high은 여전히 progenitor cell과 stem cell를 형성 할 수 있음을 보였다. 또한 cmet positive cell의 역할이 mammalian satellite cell과 유사하며, pax7 positive cell의 phenotype 또한 mouse muscle cell의 phenotype과 유사하게 나타났다. 이는 zebrafish를 사용한 본 연구의 결과와 mammalian model 사이의 개연성을 암시한다.
본 연구는 zebrafish의 골격근 재생에서 cmet-positive한 muscle stem cell의 asymmetric division을 통한 근재생을 in vivo상에서 확인하였고, zebrafish와 mammalian에서 stem cell niche의 유사성을 보임으로써 기존의 in vitro상의 결과를 입증하였다.

3. Identification of proliferative and mature β-cells in the islets of Langerhans

Hoppe PS, Schwarzfischer M, Loeffler D, Kokkaliaris KD, Hilsenbeck O, Moritz N, Endele M, Filipczyk A, Gambardella A, Ahmed N, Etzrodt M, Coutu DL, Rieger MA, Marr C, Strasser MK, Schauberger B, Burtscher I, Ermakova O, Bürger A, Lickert H, Nerlov C, Theis FJ, Schroeder T.
Nature. 2016 Jul 13;535(7611):299-302.

인슐린 의존성 당뇨병(Insulin dependent diabetes)은 β cell의 결핍 혹은 기능이상으로 인해 일어난다고 알려져 있다. 췌장 내 β cell들은 각각 다른 크기, 포도당에 대한 반응성, 인슐린 분비 능력 등을 지니고 있으며, 이러한 기능적 heterogeneity가 어떤 메커니즘에 의해 조절되는지 이해하는 것이 위 질환에 대한 새로운 해결책을 제시해 줄 수 있다.
이에 연구진은 Wnt/planar cell polarity(PCP) signaling의 effector gene로 알려진 Fltp 유전자가 mature β cell들에서 proliferation-competent cell들을 구별할 수 있는 일종의 marker gene으로 작용할 수 있음을 발견하였다. 우선 Fltp ZV(reporter gene)/+ heterozygous mice에서 Fltp-negative β cell들과 Fltp-positive β cell들을 FACS를 통해 분류하였다. 그리고 Genetic lineage tracing 실험기법을 통해 Fltp-negative cell들과 Fltp-positive cell들이 생리학적 및 병리학적 변화에 서로 다르게 반응함을 밝혀내었다. Fltp-negative cell들은 주로 proliferation과 관련된 기능들을 담당하고 있었고, Fltp-positive cell들은 maturation과 관련된 기능들을 담당하고 있음을 microarray 실험 및 confocal microscopy를 통해 확인할 수 있었다. 그러므로 β cell들이 서로 모여 polarity를 띄어 mature 3D islet mini organ을 형성할수록 β cell들의 Fltp 발현이 증가하는 것을 관찰할 수 있었다. Fltp 유전자는 Wnt/PCP signaling의 effector gene으로 알려져 있기 때문에, Wnt4, Wnt5a와 같은 Wnt/PCP signaling에 관련된 ligand들이 β cell의 maturation을 촉진시킴을 발견하였고, Real time PCR, Western blot 실험을 통해 maturation과 관련된 유전자발현이 증가하였음을 확인하였다. 이에 연구진들은 Wnt/PCP signaling이 β cell들의 heterogenity를 구성하고, β cell의 maturation을 유도하는데 중요한 역할을 한다고 결론을 내렸다.
Fltp 유전자는 endocrine cell들을 proliferative 혹은 mature cell들로 분류할 수 있는 marker gene으로 작용하며, 이 유전자의 발견은 islet cell들의 heterogenity와 plasticity를 이해하는 열쇠가 될 것이고, 당뇨병 환자들로부터 functional β cell들을 재생시키는 역할을 하는 therapeutic target이 될 수 있을 것이다.

4. RNA Splicing Modulation Selectively Impairs Leukemia Stem Cell Maintenance in Secondary Human AML.

Crews LA, Balaian L, Delos Santos NP, Leu HS, Court AC, Lazzari E, Sadarangani A, Zipeto MA, La Clair JJ, Villa R, Kulidjian A, Storb R, Morris SR, Ball ED, Burkart MD, Jamieson CH.
Cell Stem Cell. 2016 Aug 25. [Epub ahead of print]

노화에 수반하는 human hematopoietic stem cell(HSC) exhaustion과 myeloid-lineage skewing은 hematopoietic progenitor cell이 발암적 변형을 통해 치료 저항성 leukemia stem cells(LSCs)으로 변형되어 secondary acute myeloid leukemia(sAML)이 발병하도록 한다. Clonal DNA mutation의 발생과 sAML 발병률 증가 간의 연관성은 밝혀져 있지만, human hematopoietic stem and progenitor cells(HSPCs)의 노화와 LSC 생성에 RNA processing 변화가 미치는 영향은 잘 알려지지 않았다. 본 연구에서는 comprehensive RNA sequencing과 splice-isoform-specific PCR을 통해, RNA splice isoform pattern으로 정상 HSPCs를 malignant myelodysplastic syndrome(MDS)과 AML progenitor로부터 구별할 수 있음을 밝혔다.
정상 HPSCs 노화 과정 중에는 줄기세포 조절 신호, 염증반응 신호 전달이 이상 조절 되며, 염증 반응, myeloid lineage-directing 전사인자의 발현이 증가하는 양상을 보인다. 한편 AML LSC에서는 spliceosome 관련 유전자가 망가져 있고, pro-survival splice isoform의 발현이 증가해 있다. 이를 통해 spliceosome disruption이 splicing 변형을 일으켜 LSC 생성을 유도할 수 있다는 가능성을 보였다. 또한 LSC splice isoform pattern을 병의 진단에 이용할 수 있음을 시사한다.
Pre-clinical humanized sAML models에서 17S-FD-895 splicing modulator를 처리하면 sAML에서 높은 발현 수준을 보이던 pro-survival splice isoform의 발현이 줄고, LSC maintenance가 억제된다. 따라서 splicing modulator가 sAML splice isoform 발현 억제, 혹은 spliceosome 기능 정상화를 촉진한다 볼 수 있다. 한편 17S-FD-895의 표적인 spliceosome SF3B1 subunit을 knock down하면 AML sample maintenance가 억제되므로 spliceosome이 AML 치료의 표적이 될 수 있음을 밝혔다. In vivo 상에서도 17S-FD-895 처리가 sAML splice isoform pattern을 정상 aged splice isoform pattern으로 변화시키며, 생존율의 증가도 함께 관찰할 수 있었다.
결과적으로 LSC splice isoform pattern을 sAML 진단과 치료 경과를 살피는 데에 사용할 수 있을 것으로 예상된다. 또한 정상 HSPC 노화와 LSC 생성을 구별할 수 있는 slice isoform biomarkers를 관찰하면서 약물 등으로 splicing을 조절하는 것은 leukemia 사망률을 높이는 주요인 중 하나인 병의 재발을 안전하고 효과적으로 막는데 사용될 수 있을 것이다.

5. Transcriptome Profiling of Patient-Specific Human iPSC-Cardiomyocytes Predicts Individual Drug Safety and Efficacy Responses In Vitro

Matsa E, Burridge PW, Yu KH, Ahrens JH, Termglinchan V, Wu H, Liu C, Shukla P, Sayed N, Churko JM, Shao N, Woo NA, Chao AS, Gold JD, Karakikes I, Snyder MP, Wu JC.
Cell Stem Cell. 2016 Sep 1;19(3):311-25.

Drug-induced cardiotoxicity에 대한 감수성은 개인마다 차이가 있으며, 이를 개인별로 이해하는 것은 환자의 안전이나 약의 효율을 높이기 위해 필수적이다. Human induced pluripotent stem cells (hiPSCs)을 적절하게 분화시키면 환자 특이적인 다양한 종류의 세포를 얻을 수 있기 때문에 disease modeling 연구나 patient-oriented drug discovery 연구에 적합하다.
본 연구에서는 cardiovascular disease-associated mutation을 지닌 5명의 여성과 2명의 남성 대상자들의 skin fibroblasts로부터 hiPSC를 각각 두 clone으로 유도하고, 각각 cardiomyocytes(CMs)로 분화시켜 RNA sequencing을 진행하였다. 그 결과, transcriptome 상에서, 같은 환자의 hiPSC clones 간 차이보다 다른 환자 사이의 차이가 더 크게 나타났고, 특히 metabolic process와 stress-responsive process와 관련된 유전자의 발현에서 환자들 간 차이가 발견되었다. 이는 3명의 환자로부터 heart tissue와 hiPSC-CM을 얻어 transcriptome을 비교했을 때도 같은 결과를 나타내었다.
또한 transcriptome을 이용한 toxicology analysis를 진행하였을 때, cardiotoxicity에 대한 감수성이 patient-specific함을 알 수 있었고, drug에 대한 위험도도 환자에 따라 다를 수 있음을 밝혔다. 실제로, cardiotoxicity를 유발할 것이라 예측되는 pathway (본 논문에서는 oxidative stress response와 관련된 NRF2 pathway를 선정)를 target하는 약 중 tacrolimus와 rosiglitazone를 hiPSC-CMs에 처리하여 functional assay를 진행하였으며, 환자마다 약에 대한 반응이 다르다는 것을 입증하였다. NRF2 pathway에 mutation을 지닌 환자의 hiPSC에서 CRISPR/Cas9 기법을 이용하여 NRF2 pathway를 정상적으로 보정하면 drug-induced cardiotoxicity를 방지할 수 있었다.
따라서, in vitro에서 hiPSC-CM을 이용하여 환자 개인에 따른 약에 대한 위험도와 효과를 예측할 수 있으며, 향후 환자 개인에게 맞는 정확한 약을 적용할 수 있는 가능성을 제시하였다.