[학위논문]The roles of Aβ42 and the Drosophila X-linked nuclear protein in Drosophila Alzheimer’s disease and ATR-X syndrome models : 알츠하이머병과 ATR-X 증후군 모델 초파리에서 Aβ42와 Drosophila X-linked nuclear protein의 작용기전 연구원문보기
초파리는 유전학적 연구 모델로 잘 정립되어 많은 생물학적 원리들을 발견하는데 이용되었다. 특히 게놈프로젝트 이후, 초파리의 활용성은 인간의 질병을 모델링하는 것에 까지 확장되었는데, 최근에는 초파리를 이용하여 뇌질환 연구 또한 활발히 진행되었다. 본 연구는 초파리 모델을 이용하여 뇌질환인 알츠하이머병과 X-linked alpha thalassemia/mental retardation (ATR-X) 증후군의 발병기전에 대한 것이다.
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초파리는 유전학적 연구 모델로 잘 정립되어 많은 생물학적 원리들을 발견하는데 이용되었다. 특히 게놈프로젝트 이후, 초파리의 활용성은 인간의 질병을 모델링하는 것에 까지 확장되었는데, 최근에는 초파리를 이용하여 뇌질환 연구 또한 활발히 진행되었다. 본 연구는 초파리 모델을 이용하여 뇌질환인 알츠하이머병과 X-linked alpha thalassemia/mental retardation (ATR-X) 증후군의 발병기전에 대한 것이다.
아밀로이드베타 단백질 (Aβ42)는 알츠하이머병의 발병의 주요 원인이다. 인간 Aβ42를 발현한 초파리 알츠하이머병 모델은 뇌세포사멸, 운동성저하를 보인다. 하지만 Aβ42에 의해 신경 장애가 유발되는 기전은 명확히 밝혀지지 않고 있다. 본 연구에서는 이러한 장애가 유발되는 기전에 대해 연구하였다. 알츠하이머병 모델 초파리에서 JNK 활성이 증가하는 것을 확인하였고, 유전학적인 연구와 약물 처리를 통해 JNK 활성을 감소시켰을 때 알츠하이머병 모델 초파리에서 이러한 병증표현형이 완화되는 것을 확인하였다. 이 과정에서 전사인자인 FOXO 단백질이 JNK 하위인자로 작용한다는 사실을 규명하였고, 한약처방전인 소합향원의 처리로 JNK를 억제하면 알츠하이머병 모델 초파리의 병증표현형이 완화되는 것을 입증하였다.
또한 초파리를 이용하여 또 다른 뇌질환인 ATR-X 증후군의 원인유전자인 XNP의 기능을 연구하였다. XNP는 ATPase/helicase 단백질을 암호화한다. 초파리의 XNP (dXNP)는 두 가지 isoform이 존재하는데 그 중 dXNP-L (long -isoform)이 이질염색질에 결합한다. dXNP-L의 보다 구체적인 기능을 알아보기 위해, 초파리 dXNP-L 기능저하 및 과발현 돌연변이를 제작하였다. dXNP-L은 이질염색질 형성에 중요한 HP1과 인 사이에 위치하는데, dXNP-L 기능저하 돌연변이에서는 인과 HP1이 여러 조각으로 깨져있는 것을 확인하였다. 이러한 표현형은 dXNP 과발현을 통해 정상화되었다. 이것은 dXNP-L이 인 형성에 중요한 역할을 한다는 것을 뜻한다. 또한 dXNP가 position effect variegation의 억제를 유도하는 것을 보았다. 이질염색질의 유지는 수명에 중요하다고 알려져 있는데 dXNP-L 기능저하 돌연변이는 수명이 변하지 않았다. XNP 단백질이 인 형성에 중요한 작용을 한다는 사실을 규명하였는데, 이는 ATRX의 발병이 인의 기능과 관련 있음을 의미한다.
결론적으로, 본 연구에서는 알츠하이머병과 ATR-X 증후군의 발병 연관 기전을 초파리 모델을 이용하여 밝혀내었다. 본 연구의 결과는 인간 뇌질환 연구에 있어서 초파리 모델의 유용성을 보여준다.
초파리는 유전학적 연구 모델로 잘 정립되어 많은 생물학적 원리들을 발견하는데 이용되었다. 특히 게놈프로젝트 이후, 초파리의 활용성은 인간의 질병을 모델링하는 것에 까지 확장되었는데, 최근에는 초파리를 이용하여 뇌질환 연구 또한 활발히 진행되었다. 본 연구는 초파리 모델을 이용하여 뇌질환인 알츠하이머병과 X-linked alpha thalassemia/mental retardation (ATR-X) 증후군의 발병기전에 대한 것이다.
아밀로이드베타 단백질 (Aβ42)는 알츠하이머병의 발병의 주요 원인이다. 인간 Aβ42를 발현한 초파리 알츠하이머병 모델은 뇌세포사멸, 운동성저하를 보인다. 하지만 Aβ42에 의해 신경 장애가 유발되는 기전은 명확히 밝혀지지 않고 있다. 본 연구에서는 이러한 장애가 유발되는 기전에 대해 연구하였다. 알츠하이머병 모델 초파리에서 JNK 활성이 증가하는 것을 확인하였고, 유전학적인 연구와 약물 처리를 통해 JNK 활성을 감소시켰을 때 알츠하이머병 모델 초파리에서 이러한 병증표현형이 완화되는 것을 확인하였다. 이 과정에서 전사인자인 FOXO 단백질이 JNK 하위인자로 작용한다는 사실을 규명하였고, 한약처방전인 소합향원의 처리로 JNK를 억제하면 알츠하이머병 모델 초파리의 병증표현형이 완화되는 것을 입증하였다.
또한 초파리를 이용하여 또 다른 뇌질환인 ATR-X 증후군의 원인유전자인 XNP의 기능을 연구하였다. XNP는 ATPase/helicase 단백질을 암호화한다. 초파리의 XNP (dXNP)는 두 가지 isoform이 존재하는데 그 중 dXNP-L (long -isoform)이 이질염색질에 결합한다. dXNP-L의 보다 구체적인 기능을 알아보기 위해, 초파리 dXNP-L 기능저하 및 과발현 돌연변이를 제작하였다. dXNP-L은 이질염색질 형성에 중요한 HP1과 인 사이에 위치하는데, dXNP-L 기능저하 돌연변이에서는 인과 HP1이 여러 조각으로 깨져있는 것을 확인하였다. 이러한 표현형은 dXNP 과발현을 통해 정상화되었다. 이것은 dXNP-L이 인 형성에 중요한 역할을 한다는 것을 뜻한다. 또한 dXNP가 position effect variegation의 억제를 유도하는 것을 보았다. 이질염색질의 유지는 수명에 중요하다고 알려져 있는데 dXNP-L 기능저하 돌연변이는 수명이 변하지 않았다. XNP 단백질이 인 형성에 중요한 작용을 한다는 사실을 규명하였는데, 이는 ATRX의 발병이 인의 기능과 관련 있음을 의미한다.
결론적으로, 본 연구에서는 알츠하이머병과 ATR-X 증후군의 발병 연관 기전을 초파리 모델을 이용하여 밝혀내었다. 본 연구의 결과는 인간 뇌질환 연구에 있어서 초파리 모델의 유용성을 보여준다.
As a well-established genetic model system, Drosophila has been used to understand the principles of various biological processes including metazoan development and cellular signal transduction pathways. In post-genome era, the usage of Drosophila has been extended to modeling of human disease. Acco...
As a well-established genetic model system, Drosophila has been used to understand the principles of various biological processes including metazoan development and cellular signal transduction pathways. In post-genome era, the usage of Drosophila has been extended to modeling of human disease. Accordingly, the pathophysiologies of numerous human diseases have been studied using Drosophila model. In the present study, I studied the pathogenesis of Alzheimer’s disease (AD) and X-linked alpha-thalassemia/mental retardation syndrome, the pathogeneses of which are not well understood yet, using the Drosophila models.
Amyloid-β-42 (Aβ42) has been implicated in the pathogenesis of AD. Aβ plaque is a hall mark of AD, and overexpression of Aβ42 in animal models resulted in neuronal death and AD-like phenotypes. In Drosophila, neuronal Aβ42 expression induces apoptosis in brain, and decreases survival and locomotive activity. However, the mechanism by which Aβ42 induces these neuropathological impairments is unclear. In this study, I investigated the pathway underlying these impairments. JNK activity was increased in Aβ42-expressing brains, whereas Aβ42-induced defects were rescued by inhibition of JNK or caspase activity through genetic modification or pharmacological treatment. In addition, these impairments were restored by the deficiency of Drosophila forkhead box subgroup O (dFOXO). These results suggest that the JNK/dFOXO pathway is a possible therapeutic target for AD. Moreover, I evaluated the effects of the intake of a modified Chinese traditional prescription medicine, SHXW (KSOP1009), on AD-like phenotypes in the Drosophila AD models. When flies were maintained on media containing 5 ug/ml of KSOP1009 extract, Aβ42-induced phenotypes were strongly suppressed. Intake of KSOP1009 extract significantly suppressed the constitutively active form of the JNK activator hemipterous, whereas it induced eye degeneration and JNK activation, which has been recognized as an important mediator of Aβ42-associated neurocytotoxicity. The results of this study suggest that KSOP1009 shows therapeutic potential for AD-like pathology in the Aβ42 overexpressing Drosophila model via suppression of hyperactive JNK and apoptosis.
In addition, I also studied the molecular function of X-linked nuclear factor (XNP)/ X-linked alpha-thalassemia/mental retardation syndrome (ATRX) in Drosophila. XNP/ATRX, a causative gene for X-linked alpha-thalassemia/mental retardation syndrome, encodes an SNF2 family ATPase/helicase protein. XNP/ATRX functions in both euchromatin and heterochromatin. Drosophila has two isoforms of XNP, but only the long-isoform (dXNP-L) binds to heterochromatin. To understand the function of dXNP-L in Drosophila development, I generated and characterized dXNP-L mutants. Endogenous dXNP was localized with HP1 near the nucleolus. In dXNP-L-mutants, the structure of nucleoli and HP1- and trimethylated-H3K9 foci were broken down into several pieces. The phenotypes of the dXNP-L mutants were restored by reintroducing wild-type dXNP-L. These results suggest that dXNP-L is important for maintaining the nucleolar structure. I found that dXNP acts as a suppressor of position effect variegation. Although it is suggested that maintenance of heterochromatin is important for longevity, dXNP-L deficiency did not change Drosophila lifespan. These results suggest that the dXNP-L is important in nucleolar organization, and that heterochromatin formation may be dispensable for the aging process.
In conclusion, the molecular mechanisms underlying the pathophysiologies of AD and ATRX, both are the neurological disorders, were revealed by genetic and cellular studies using Drosophila. The data presented in present study suggested that Drosophila is a useful model system for the human diseases in neurons.
As a well-established genetic model system, Drosophila has been used to understand the principles of various biological processes including metazoan development and cellular signal transduction pathways. In post-genome era, the usage of Drosophila has been extended to modeling of human disease. Accordingly, the pathophysiologies of numerous human diseases have been studied using Drosophila model. In the present study, I studied the pathogenesis of Alzheimer’s disease (AD) and X-linked alpha-thalassemia/mental retardation syndrome, the pathogeneses of which are not well understood yet, using the Drosophila models.
Amyloid-β-42 (Aβ42) has been implicated in the pathogenesis of AD. Aβ plaque is a hall mark of AD, and overexpression of Aβ42 in animal models resulted in neuronal death and AD-like phenotypes. In Drosophila, neuronal Aβ42 expression induces apoptosis in brain, and decreases survival and locomotive activity. However, the mechanism by which Aβ42 induces these neuropathological impairments is unclear. In this study, I investigated the pathway underlying these impairments. JNK activity was increased in Aβ42-expressing brains, whereas Aβ42-induced defects were rescued by inhibition of JNK or caspase activity through genetic modification or pharmacological treatment. In addition, these impairments were restored by the deficiency of Drosophila forkhead box subgroup O (dFOXO). These results suggest that the JNK/dFOXO pathway is a possible therapeutic target for AD. Moreover, I evaluated the effects of the intake of a modified Chinese traditional prescription medicine, SHXW (KSOP1009), on AD-like phenotypes in the Drosophila AD models. When flies were maintained on media containing 5 ug/ml of KSOP1009 extract, Aβ42-induced phenotypes were strongly suppressed. Intake of KSOP1009 extract significantly suppressed the constitutively active form of the JNK activator hemipterous, whereas it induced eye degeneration and JNK activation, which has been recognized as an important mediator of Aβ42-associated neurocytotoxicity. The results of this study suggest that KSOP1009 shows therapeutic potential for AD-like pathology in the Aβ42 overexpressing Drosophila model via suppression of hyperactive JNK and apoptosis.
In addition, I also studied the molecular function of X-linked nuclear factor (XNP)/ X-linked alpha-thalassemia/mental retardation syndrome (ATRX) in Drosophila. XNP/ATRX, a causative gene for X-linked alpha-thalassemia/mental retardation syndrome, encodes an SNF2 family ATPase/helicase protein. XNP/ATRX functions in both euchromatin and heterochromatin. Drosophila has two isoforms of XNP, but only the long-isoform (dXNP-L) binds to heterochromatin. To understand the function of dXNP-L in Drosophila development, I generated and characterized dXNP-L mutants. Endogenous dXNP was localized with HP1 near the nucleolus. In dXNP-L-mutants, the structure of nucleoli and HP1- and trimethylated-H3K9 foci were broken down into several pieces. The phenotypes of the dXNP-L mutants were restored by reintroducing wild-type dXNP-L. These results suggest that dXNP-L is important for maintaining the nucleolar structure. I found that dXNP acts as a suppressor of position effect variegation. Although it is suggested that maintenance of heterochromatin is important for longevity, dXNP-L deficiency did not change Drosophila lifespan. These results suggest that the dXNP-L is important in nucleolar organization, and that heterochromatin formation may be dispensable for the aging process.
In conclusion, the molecular mechanisms underlying the pathophysiologies of AD and ATRX, both are the neurological disorders, were revealed by genetic and cellular studies using Drosophila. The data presented in present study suggested that Drosophila is a useful model system for the human diseases in neurons.
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