연골세포, 줄기세포, 암세포 내에서의 신호전달기작 조절을 통한 조직재생에서의 RHEB 유전자의 역할 Role of RHEB in Tissue Regeneration via Modulating Signaling Mechanism in Chondrocytes, Stem Cells, and Cancer Cells원문보기
회복과 조직의 성장에 연관성을 가지는 조직재생은 자연적 변화나 손상, 장애가 생긴 유전자, 세포, 장기, 유기체가 회복력을 가지도록 해준다. 조직재생에서 세포와 지지체를 사용하는 것은 상처나 결함, 손상을 입은 조직을 보조해주고 개선하는 데 있어서 장래가 유망한 연구 분야이다. 그러나 세포의 유전적 현상을 확인하는 것은 조직재생을 준비함에 있어 매우 중요한 부분이다. 유전자 치료를 위해 유전적 정의를 내리는 건 본래 세포를 유지하면서도 특정 조직의 재생을 할 수 있는 방법이다. 본문에서는 연골세포, ...
회복과 조직의 성장에 연관성을 가지는 조직재생은 자연적 변화나 손상, 장애가 생긴 유전자, 세포, 장기, 유기체가 회복력을 가지도록 해준다. 조직재생에서 세포와 지지체를 사용하는 것은 상처나 결함, 손상을 입은 조직을 보조해주고 개선하는 데 있어서 장래가 유망한 연구 분야이다. 그러나 세포의 유전적 현상을 확인하는 것은 조직재생을 준비함에 있어 매우 중요한 부분이다. 유전자 치료를 위해 유전적 정의를 내리는 건 본래 세포를 유지하면서도 특정 조직의 재생을 할 수 있는 방법이다. 본문에서는 연골세포, 중간엽줄기세포, 암세포등의 다양한 종류의 인간세포에서 신호기작 조절을 통하여 조직재생에서의 Ras homolog enriched in brain (RHEB)의 역할에 대해서 연구하였다. 연구의 시작부분은, 궁극적 목표인 연골재생을 위해 연골 세포내의 노화의 조절이 신호기작과 연관하여 검토 되었다. 성인의 관절 연골세포는 in vitro 상에 노출돼 있는 동안 천천히 노화와 탈분화 현상을 겪고, 이런 부분은 성공적인 연골 재생에 제한점이 된다. 급격한 노화나 탈분화는 연골세포의 표현형의 손실을 일으키는 결과를 만들 뿐만 아니라 염증 관련 인자들과 기질 분해 효소들의 생산을 증가 시킨다. Interleukin 1 beta (IL-1β), p53, p16, p21, and p38 mitogen-activated protein kinase (MAPK) 유전자의 증가는 직접적으로 노화를 유도하였으나, 반면 transforming growth factor-beta (TGF-β), bone morphogenetic protein-2 (BMP-2), SRY (sex determining region Y)-box 9 (SOX9), and insulin-like growth factor-1 (IGF-1) 유전자는 간접적으로 노화를 증가 시켰다. 두번째 부분에서는, RHEB에 대한 심층적 이해를 위해 골 관절염의 특징인 산화 스트레스를 연골세포 내에서 조절함으로써 노화와 탈분화가 어떻게 조절되는 지에 대해 연구 하였다. 인간의 연골세포의 지속적 계대배양은 노화와 탈분화, 산화 스트레스를 유발한다. RHEB은 SOX9을 통하여 COL2의 발현량을 증가시키고 MCL1을 통하여 p27의 발현량을 저하시킴으로써 노화와 탈분화 산화스트레스를 조절하여 연골세포의 선천적인 특징을 유지시킨다. RHEB은 COL10의 발현량 또한 감소시킨다. 연골세포 내에서 RHEB 유전자의 억제는 SOX9, COL2, MCL1 발현량의 감소를 야기했고 RHEB의 기능을 억제시키지 않으면 p27과 COL10의 감소가 나타났다. RHEB의 과발현이 일어난 연골세포의 경우 성공적으로 in vitro에서 연골조직을 형성해냈으며 in vivo에서 또한 GAG 구조체 발현량의 증가와 연골분화의 특징적인 유전자들의 발현량 증가가 나타났다. RHEB은 본래의 연골세포의 특징들을 지속적으로 유지시키는 유전자의 발현량을 증가시키는 특징을 뚜렷하게 가지고 있다. 세번째 부분에서는, 인간 지방유래 줄기세포(hASCs)의 골, 연골, 지방으로의 분화에서 RHEB의 특징에 대해 연구하였다. RHEB은 ASCs의 분화에서 중요한 역할을 수행하는데 골과 연골의 분화를 촉진시키고 지방으로의 분화를 감소시켰다. 연구 결과를 통해 골과 연골의 분화에 있어 RUNX2와 SOX9는 매우 중요한 요소이며 분화의 원인이라는 것을 찾아냈다. 반면, 대조적으로 ASCs의 지방세포로의 분화가 감소했는데 이는 C/EBPβ의 감소에 의한 것으로 보였다. 결과적으로 RHEB은 골분화와 지방분화 사이의 균형을 맞추는 RUNX2와 C/EBPβ의 미세조절에 관여하는 분자적 조절자로 작용하는 것으로 보여졌다. 네번째 부분에서는, 293T 암세포계열에서 RHEB의 역할을 연구하였다. RHEB은 293T 세포의 표현형을 상피에서 간엽으로 형태학적 변화를 일으키는 부분에서 중요한 역할을 수행한다. RHEB은 E.Cadherin의 발현량을 감소시키고 N.Cadherin의 발현량을 증가시킨다. 또한 RHEB을 발현하는 293T 세포는 상처치료효과 면에서 보다 효과를 가지고 있는 것으로 보였다. 덧붙여, RHEB은 invasion assay 중 세포의 이동을 증가시켰다. 이러한 특징들은 RHEB이 암의 전이에서 역할을 수행할 수도 있음을 시사한다. 마지막 부분에서는, 약물 전달과 조직 공학적 측면에서 자연적인 온도변화에 따라 thermoresponsive polymer poly-N-isopropylacrylamide (PNIPAM)가 어떤 형태를 띄는가에 대하여 집중적으로 연구하였다. Hydrogel은 환경조건에 예민한 중합체이기에 온도 민감성을 이용하여 온도를 바꿔 줌으로써 gel에서 solution로 상태변환 시키거나 solution 에서 gel로 상태변환 할 수 있다. Hydrogel의 온도민감성으로 인해 약물전달이나 유전자치료, 세포배양 면에서 조직공학적 접근이 용이하도록 하는 흥미로운 소재였고 그 결과 사람에게 쓰이는 최초의 생체재료로써 개발되었다고 사료된다. 본 보고서에서는 온도민감성 hydrogel의 상태변화의 원리와 gel의 상태변화에 영향을 미치는 인자에 대해서, 그리고 약물전달과 조직공학에서 PNIMPAM 상태변화의 특이적 성질에 대해 초점을 맞추었다
회복과 조직의 성장에 연관성을 가지는 조직재생은 자연적 변화나 손상, 장애가 생긴 유전자, 세포, 장기, 유기체가 회복력을 가지도록 해준다. 조직재생에서 세포와 지지체를 사용하는 것은 상처나 결함, 손상을 입은 조직을 보조해주고 개선하는 데 있어서 장래가 유망한 연구 분야이다. 그러나 세포의 유전적 현상을 확인하는 것은 조직재생을 준비함에 있어 매우 중요한 부분이다. 유전자 치료를 위해 유전적 정의를 내리는 건 본래 세포를 유지하면서도 특정 조직의 재생을 할 수 있는 방법이다. 본문에서는 연골세포, 중간엽줄기세포, 암세포등의 다양한 종류의 인간세포에서 신호기작 조절을 통하여 조직재생에서의 Ras homolog enriched in brain (RHEB)의 역할에 대해서 연구하였다. 연구의 시작부분은, 궁극적 목표인 연골재생을 위해 연골 세포내의 노화의 조절이 신호기작과 연관하여 검토 되었다. 성인의 관절 연골세포는 in vitro 상에 노출돼 있는 동안 천천히 노화와 탈분화 현상을 겪고, 이런 부분은 성공적인 연골 재생에 제한점이 된다. 급격한 노화나 탈분화는 연골세포의 표현형의 손실을 일으키는 결과를 만들 뿐만 아니라 염증 관련 인자들과 기질 분해 효소들의 생산을 증가 시킨다. Interleukin 1 beta (IL-1β), p53, p16, p21, and p38 mitogen-activated protein kinase (MAPK) 유전자의 증가는 직접적으로 노화를 유도하였으나, 반면 transforming growth factor-beta (TGF-β), bone morphogenetic protein-2 (BMP-2), SRY (sex determining region Y)-box 9 (SOX9), and insulin-like growth factor-1 (IGF-1) 유전자는 간접적으로 노화를 증가 시켰다. 두번째 부분에서는, RHEB에 대한 심층적 이해를 위해 골 관절염의 특징인 산화 스트레스를 연골세포 내에서 조절함으로써 노화와 탈분화가 어떻게 조절되는 지에 대해 연구 하였다. 인간의 연골세포의 지속적 계대배양은 노화와 탈분화, 산화 스트레스를 유발한다. RHEB은 SOX9을 통하여 COL2의 발현량을 증가시키고 MCL1을 통하여 p27의 발현량을 저하시킴으로써 노화와 탈분화 산화스트레스를 조절하여 연골세포의 선천적인 특징을 유지시킨다. RHEB은 COL10의 발현량 또한 감소시킨다. 연골세포 내에서 RHEB 유전자의 억제는 SOX9, COL2, MCL1 발현량의 감소를 야기했고 RHEB의 기능을 억제시키지 않으면 p27과 COL10의 감소가 나타났다. RHEB의 과발현이 일어난 연골세포의 경우 성공적으로 in vitro에서 연골조직을 형성해냈으며 in vivo에서 또한 GAG 구조체 발현량의 증가와 연골분화의 특징적인 유전자들의 발현량 증가가 나타났다. RHEB은 본래의 연골세포의 특징들을 지속적으로 유지시키는 유전자의 발현량을 증가시키는 특징을 뚜렷하게 가지고 있다. 세번째 부분에서는, 인간 지방유래 줄기세포(hASCs)의 골, 연골, 지방으로의 분화에서 RHEB의 특징에 대해 연구하였다. RHEB은 ASCs의 분화에서 중요한 역할을 수행하는데 골과 연골의 분화를 촉진시키고 지방으로의 분화를 감소시켰다. 연구 결과를 통해 골과 연골의 분화에 있어 RUNX2와 SOX9는 매우 중요한 요소이며 분화의 원인이라는 것을 찾아냈다. 반면, 대조적으로 ASCs의 지방세포로의 분화가 감소했는데 이는 C/EBPβ의 감소에 의한 것으로 보였다. 결과적으로 RHEB은 골분화와 지방분화 사이의 균형을 맞추는 RUNX2와 C/EBPβ의 미세조절에 관여하는 분자적 조절자로 작용하는 것으로 보여졌다. 네번째 부분에서는, 293T 암세포계열에서 RHEB의 역할을 연구하였다. RHEB은 293T 세포의 표현형을 상피에서 간엽으로 형태학적 변화를 일으키는 부분에서 중요한 역할을 수행한다. RHEB은 E.Cadherin의 발현량을 감소시키고 N.Cadherin의 발현량을 증가시킨다. 또한 RHEB을 발현하는 293T 세포는 상처치료효과 면에서 보다 효과를 가지고 있는 것으로 보였다. 덧붙여, RHEB은 invasion assay 중 세포의 이동을 증가시켰다. 이러한 특징들은 RHEB이 암의 전이에서 역할을 수행할 수도 있음을 시사한다. 마지막 부분에서는, 약물 전달과 조직 공학적 측면에서 자연적인 온도변화에 따라 thermoresponsive polymer poly-N-isopropylacrylamide (PNIPAM)가 어떤 형태를 띄는가에 대하여 집중적으로 연구하였다. Hydrogel은 환경조건에 예민한 중합체이기에 온도 민감성을 이용하여 온도를 바꿔 줌으로써 gel에서 solution로 상태변환 시키거나 solution 에서 gel로 상태변환 할 수 있다. Hydrogel의 온도민감성으로 인해 약물전달이나 유전자치료, 세포배양 면에서 조직공학적 접근이 용이하도록 하는 흥미로운 소재였고 그 결과 사람에게 쓰이는 최초의 생체재료로써 개발되었다고 사료된다. 본 보고서에서는 온도민감성 hydrogel의 상태변화의 원리와 gel의 상태변화에 영향을 미치는 인자에 대해서, 그리고 약물전달과 조직공학에서 PNIMPAM 상태변화의 특이적 성질에 대해 초점을 맞추었다
Tissue regeneration involves renewal and growth of tissues that makes it possible for genomes, cells, organs, organisms resilient to natural changes or events that cause damage or disturbance. Tissue regeneration using cells and scaffold is a growing research interest, which aids and improves the re...
Tissue regeneration involves renewal and growth of tissues that makes it possible for genomes, cells, organs, organisms resilient to natural changes or events that cause damage or disturbance. Tissue regeneration using cells and scaffold is a growing research interest, which aids and improves the repair and regeneration of deficient, damaged, and injured tissues. But it is very important to understand cellular genetic behavior for proper tissue regeneration. Genetic modification via gene therapy is a way to retain the native cellular behavior for specific tissue regeneration. Here, the role of RHEB (Ras homolog enriched in brain) was investigated in tissue regeneration via modulating signaling mechanisms in various kinds of human cells including chondrocytes, mesenchymal stem cells, and cancer cells. In the first part of the study, the regulation of senescence associated signaling mechanisms in chondrocytes for cartilage regeneration has been reviewed. Adult articular chondrocytes undergo slow senescence and dedifferentiation during in vitro expansion, restricting successful cartilage regeneration. Rapid senescence or dedifferentiation not only results in the loss of the chondrocytic phenotype but also enhances production of inflammatory mediators and matrix-degrading enzymes. Upregulation of the genes interleukin 1 beta (IL-1β), p53, p16, p21, and p38 mitogen-activated protein kinase (MAPK) is responsible for the direct induction of senescence, whereas downregulation of the genes transforming growth factor-beta (TGF-β), bone morphogenetic protein-2 (BMP-2), SRY (sex determining region Y)-box 9 (SOX9), and insulin-like growth factor-1 (IGF-1), indirectly induces senescence. In the second part, the mechanistic underpinning of the RHEB gene was investigated in the control of senescence and dedifferentiation through the modulation of oxidative stress in the chondrocytes, a hallmark of osteoarthritis. Serial expansion of human chondrocytes led to senescence, dedifferentiation, and oxidative stress. RHEB maintained innate characteristics of chondrocytes by regulating senescence, dedifferentiation, and oxidative stress, increased the expression of COL2 via SOX9, and down-regulated the expression of p27 via MCL1. RHEB also decreased the expression of COL10. RHEB knockdown mimics in decreased expression of SOX9, COL2, and MCL1 while abrogating the suppressive function of RHEB on p27 and COL10 in chondrocytes. RHEB-overexpressing chondrocytes successfully formed cartilage tissue in vitro as well as in vivo with increased expression of GAG matrix and chondrogenic markers. RHEB induces distinct gene expression signature that maintained the innate chondrogenic properties for a long period of time. In the third part, role of RHEB was investigated in the differentiation of human adipose derived stem cells (ASCs) into osteogenic, chondrogenic and adipogenic lineage. RHEB play crucial role in the differentiation of ASCs while promoting osteogenic and chondrogenic differentiation and impairing the adipogenesis. Results findings implicate that osteogenesis and chondrogenesis is critically dependent on RUNX2 and SOX9. In contrast, decreases in differentiation of ASCs into adipocytes was due to downregulation of C/EBPβ. RHEB may be working as a molecular rheostat between the RUNX2 and C/EBPβ to fine-tune the balance between osteogenesis and adipogenesis. In the fourth part, RHEB role was investigated in 293T cancer cell line. RHEB play crucial role in morphological transition of 293T cells from epithelial to mesenchymal phenotype. RHEB depressed the E.Cadherin expression while increased the N.Cadherin expression. Further, RHEB expressing 293T cells showed more potential in wound healing. In addition, RHEB increases the migration of cells during invasion assay. These feature suggested that RHEB may have a role in cancer metastasis. In the last part, the role of the most intensively studied natural thermoresponsive polymer poly-N-isopropylacrylamide (PNIPAM) has been reviewed in drug delivery and tissue engineering. Hydrogels fabricated with environmentally sensitive polymers can impart them extra property like thermo responsiveness that exhibit phase transition from gel to solution and vice versa upon changes in the temperature. The property of thermo-responsiveness makes hydrogels interesting for drug delivery, gene therapy, cell culture and tissue engineering approaches and therefore, considered to be a first biomaterial have been developed for the use of humans. This review focuses on the mechanism of phase transition in thermo responsive hydrogels, the factors affecting the behavior of gel and in particular the role of phase transition of PNIPAM in drug delivery and tissue engineering.
Tissue regeneration involves renewal and growth of tissues that makes it possible for genomes, cells, organs, organisms resilient to natural changes or events that cause damage or disturbance. Tissue regeneration using cells and scaffold is a growing research interest, which aids and improves the repair and regeneration of deficient, damaged, and injured tissues. But it is very important to understand cellular genetic behavior for proper tissue regeneration. Genetic modification via gene therapy is a way to retain the native cellular behavior for specific tissue regeneration. Here, the role of RHEB (Ras homolog enriched in brain) was investigated in tissue regeneration via modulating signaling mechanisms in various kinds of human cells including chondrocytes, mesenchymal stem cells, and cancer cells. In the first part of the study, the regulation of senescence associated signaling mechanisms in chondrocytes for cartilage regeneration has been reviewed. Adult articular chondrocytes undergo slow senescence and dedifferentiation during in vitro expansion, restricting successful cartilage regeneration. Rapid senescence or dedifferentiation not only results in the loss of the chondrocytic phenotype but also enhances production of inflammatory mediators and matrix-degrading enzymes. Upregulation of the genes interleukin 1 beta (IL-1β), p53, p16, p21, and p38 mitogen-activated protein kinase (MAPK) is responsible for the direct induction of senescence, whereas downregulation of the genes transforming growth factor-beta (TGF-β), bone morphogenetic protein-2 (BMP-2), SRY (sex determining region Y)-box 9 (SOX9), and insulin-like growth factor-1 (IGF-1), indirectly induces senescence. In the second part, the mechanistic underpinning of the RHEB gene was investigated in the control of senescence and dedifferentiation through the modulation of oxidative stress in the chondrocytes, a hallmark of osteoarthritis. Serial expansion of human chondrocytes led to senescence, dedifferentiation, and oxidative stress. RHEB maintained innate characteristics of chondrocytes by regulating senescence, dedifferentiation, and oxidative stress, increased the expression of COL2 via SOX9, and down-regulated the expression of p27 via MCL1. RHEB also decreased the expression of COL10. RHEB knockdown mimics in decreased expression of SOX9, COL2, and MCL1 while abrogating the suppressive function of RHEB on p27 and COL10 in chondrocytes. RHEB-overexpressing chondrocytes successfully formed cartilage tissue in vitro as well as in vivo with increased expression of GAG matrix and chondrogenic markers. RHEB induces distinct gene expression signature that maintained the innate chondrogenic properties for a long period of time. In the third part, role of RHEB was investigated in the differentiation of human adipose derived stem cells (ASCs) into osteogenic, chondrogenic and adipogenic lineage. RHEB play crucial role in the differentiation of ASCs while promoting osteogenic and chondrogenic differentiation and impairing the adipogenesis. Results findings implicate that osteogenesis and chondrogenesis is critically dependent on RUNX2 and SOX9. In contrast, decreases in differentiation of ASCs into adipocytes was due to downregulation of C/EBPβ. RHEB may be working as a molecular rheostat between the RUNX2 and C/EBPβ to fine-tune the balance between osteogenesis and adipogenesis. In the fourth part, RHEB role was investigated in 293T cancer cell line. RHEB play crucial role in morphological transition of 293T cells from epithelial to mesenchymal phenotype. RHEB depressed the E.Cadherin expression while increased the N.Cadherin expression. Further, RHEB expressing 293T cells showed more potential in wound healing. In addition, RHEB increases the migration of cells during invasion assay. These feature suggested that RHEB may have a role in cancer metastasis. In the last part, the role of the most intensively studied natural thermoresponsive polymer poly-N-isopropylacrylamide (PNIPAM) has been reviewed in drug delivery and tissue engineering. Hydrogels fabricated with environmentally sensitive polymers can impart them extra property like thermo responsiveness that exhibit phase transition from gel to solution and vice versa upon changes in the temperature. The property of thermo-responsiveness makes hydrogels interesting for drug delivery, gene therapy, cell culture and tissue engineering approaches and therefore, considered to be a first biomaterial have been developed for the use of humans. This review focuses on the mechanism of phase transition in thermo responsive hydrogels, the factors affecting the behavior of gel and in particular the role of phase transition of PNIPAM in drug delivery and tissue engineering.
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